Vajon a sötét anyag csupán az univerzum saját magára gyakorolt gravitációja?
Linas JuozėnasMegosztás
Mi van, ha a sötét anyag csupán az egész Univerzum kölcsönös gravitációs vonzása?
Egy izgalmas gondolat részletes vizsgálata
A sötét anyag a modern kozmológia és asztrofizika egyik legnagyobb rejtélye. A galaxisok forgási görbéit, a gravitációs lencsézést és a nagyléptékű struktúrák kialakulását felölelő megfigyelések arra utalnak, hogy az Univerzumban létezik az anyagnak egy olyan formája, amely nem lép kölcsönhatásba a fénnyel - ezért is nevezik „sötétnek”. A newtoni és einsteini gravitációfelfogás alapján a látható, „közönséges” anyag (protonok, neutronok, elektronok) az Univerzum teljes energia- és anyagmérlegének csak mintegy 5%-át alkotja, míg a sötét anyag körülbelül 27%-át (a fennmaradó részt a sötét energia teszi ki).
De mi van, ha ez a hiányzó tömeg egyáltalán nem létezik? Talán csak maga az Univerzum kölcsönös gravitációs vonzása áll a háttérben: az összes csillag, bolygó és gázrészecske gravitációs hozzájárulásai együttesen olyan jelenségeket hoznak létre, amelyeket „sötét anyagként” értelmezünk. Ez izgalmas gondolat: lemondhatnánk-e a sötét anyag fogalmáról mint különálló komponensről, és megmagyarázhatnánk-e mindent pusztán a látható anyag hatalmas léptékeken érvényesülő közös gravitációs hatásával?
Ebben a cikkben részletesen megvizsgáljuk ezt az elképzelést - áttekintjük a sötét anyag létezésének bizonyítékait, a jelenség magyarázatára tett tudományos kísérleteket, valamint azt, hogy miért egyszerre vonzó és sajnos elégtelen az a gondolat, miszerint „ez csak minden létező dolog gravitációja”, ha a részletes megfigyelési adatokat vesszük alapul.
1. A sötét anyag létezésének bizonyítékai
1.1 A galaxisok forgási görbéi
A sötét anyag létezésének egyik első egyértelmű bizonyítéka a galaxisok peremvidékén található csillagok pályasebességének mérése volt. A newtoni mechanika szerint a galaxis peremvidékén keringő csillagok pályasebességének csökkennie kellene a középponttól való távolság növekedésével - hasonlóan ahhoz, ahogy a bolygók sebessége csökken a Napunktól távolodva a Naprendszerben.
A csillagászok azonban azt is megfigyelték, hogy a spirálgalaxisok legtávolabbi térségeiben található csillagok sokkal gyorsabban mozognak, mint ahogy azt a hagyományos számítások előre jeleznék. Ez a „lapos forgási görbéknek” nevezett jelenség arra utal, hogy sokkal több tömeg létezik, mint amennyit az elektromágneses sugárzásból (a különböző hullámhosszú fényből) meg tudunk határozni. Ha egy galaxisban csak látható anyag (csillagok, gázok, por) lenne, a távoli csillagok pályáinak lassabbnak kellene lenniük. Így a legegyszerűbb magyarázat az, hogy létezik egy további, láthatatlan tömegréteg, vagyis sötét anyag.
1.2 Gravitációs lencsézés
A gravitációs lencsézés a tömeggel rendelkező objektumok azon képessége, hogy elhajlítsák a fényt, ahogyan azt Einstein általános relativitáselmélete leírja. Galaxishalmazokat megfigyelve látható, hogy a távolabbi galaxisok képére gyakorolt hatásuk (lencsézés) jóval erősebb annál, mint amit önmagában a látható anyaggal meg lehetne magyarázni. Ennek a hatásnak a magyarázatához további tömegre van szükség - ez ismét a sötét anyagra utal.
Ennek híres példája az úgynevezett Bullet Cluster ütközése, amelyben két galaxishalmaz haladt át egymáson. A forró gázok (amelyek a röntgensugárzás tartományában láthatók) a kölcsönhatások miatt lelassultak, miközben a legerősebb gravitációs hatás továbbhaladt. Ez arra enged következtetni, hogy a tömeg egy része alig lép elektromágneses kölcsönhatásba (vagyis nem akad fenn egymáson, mint a hagyományos gázok), mégis jelentős gravitációs hatást fejt ki.
1.3 Kozmológiai megfigyelések és a struktúrák kialakulása
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (angolul Cosmic Microwave Background, CMB) - a Big Bang „visszfényét” - vizsgálva a tudósok sűrűségingadozásokat figyelnek meg. Ezek az egyenetlenségek nőttek ki idővel a ma látható galaxisokká és galaxishalmazokká. Az Univerzum szerkezetének kialakulását modellező számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy sötét anyag nélkül rendkívül nehéz, sőt akár lehetetlen lenne megmagyarázni, hogyan fejlődtek ezek a sűrűségi „magok” a jelenlegi méretükre. Sötét anyag nélkül túlságosan lassú lenne, hogy a szinte homogén korai Univerzumból kialakuljanak az erősen egyenetlen anyagszerkezetek (galaxisok és galaxishalmazok).
2. A javasolt gondolat: az egész anyag általános vonzása
A gondolat, hogy „mi van, ha a sötét anyag csupán minden létező dolog kölcsönös gravitációs vonzása”, első pillantásra vonzónak tűnik. Hiszen a gravitáció korlátlan távolságokra hat; bármilyen messze legyen is egymástól két objektum az Univerzumban, továbbra is vonzzák egymást. Ha elképzelnénk a megszámlálhatatlanul sok csillagot és galaxist, talán teljes vonzóhatásuk megmagyarázhatná azt a többlettömeget.
2.1 Intuitív vonzerő
1. A gravitáció egységes magyarázata: Részben egyesítő gondolatnak tűnik. Új anyagtípus bevezetése helyett azt állíthatnánk, hogy csupán az általunk ismert anyag kollektív hatását figyeljük meg.
2. Egyszerűség: Sokak számára vonzó lehet azt gondolni, hogy csak barionos (hagyományos) anyag létezik, és semmi más. Talán eddig egyszerűen nem vettük figyelembe ennek az anyagnak a teljes gravitációs hatását, különösen nagy léptékekben.
Ez a hipotézis azonban komoly kihívásokkal szembesül, amikor pontos megfigyelési adatokra és jól ellenőrzött fizikai elméletekre alkalmazzák. Nézzük meg, hol válnak láthatóvá a problémák.
3. Miért nem elegendő önmagában az ismert anyag kölcsönös gravitációja
3.1 Hagyományos és módosított gravitáció
A sötét anyag nélküli kozmikus jelenségek magyarázatára tett kísérletek gyakran a „módosított gravitáció” elméleteinek körébe tartoznak. Új anyagtípus bevezetése helyett azt javasolják, hogy kozmikus léptékben módosítsuk a gravitáció törvényeit. Az egyik legismertebb példa a MOND (angolul Modified Newtonian Dynamics). A MOND szerint a rendkívül kis gyorsulások (például a galaxisok peremén tapasztalhatók) tartományában a gravitáció másként működik, mint ahogy azt Newton vagy Einstein előre jelzi.
Ha az Univerzum teljes anyagának általános gravitációja lenne az az erő, amelyet tévesen sötét anyagnak nevezünk, akkor lényegében a módosított gravitáció valamely változataként kellene működnie. A MOND és a hasonló elméletek hívei igyekeznek megmagyarázni a galaxisok forgási görbéit és más jelenségeket. A MOND azonban, bár egyes megfigyelésekkel összhangban lehet (például a galaxisok forgási görbéivel), nehezen egyeztethető össze más tényekkel (például a Bullet-halmaz gravitációs lencsézési adataival).
Ezért minden olyan elméletnek, amely szerint a „sötét anyagot” kizárólag a közönséges anyag általános gravitációja okozza, nemcsak a galaxisok forgási görbéit, hanem a lencsézést, a galaxishalmazok ütközéseit és a nagyléptékű struktúrák kialakulását is sikeresen meg kellene magyaráznia. Egyelőre egyetlen alternatív elmélet sem váltotta fel teljes körűen a sötétanyag-hipotézist úgy, hogy az összes megfigyeléssel összhangban legyen.
3.2 A fordított négyzetes törvény és a kozmikus léptékek
A gravitációs erő a távolság növekedésével négyzetesen gyengül (Newton egyetemes tömegvonzási törvénye szerint). Kozmikus léptékeken létezik a távoli galaxisok, galaxishalmazok és filamentumok valós, bár csekély vonzása, ez az erő azonban a távolsággal meglehetősen gyorsan csökken. A megfigyelési adatok azt mutatják, hogy a látható (barionos) anyag önmagában nem elegendő, és nem úgy oszlik el, hogy létrehozza a sötét anyagnak tulajdonított gravitációs hatásokat.
Ha megpróbálnánk összeadni az Univerzum teljes látható anyagát, és kiszámítanánk annak gravitációs hatását különböző kozmikus léptékeken, kiderülne, hogy továbbra sem tudjuk reprodukálni a galaxisok valós forgási görbéit, a lencsézési hatásokat vagy a struktúraképződés sebességét. Egyszerűbben fogalmazva: egy olyan Univerzumban, amelyben csak barionos anyag létezne, a gravitációs erő túl gyenge lenne a megfigyelt jelenség magyarázatához.
3.3 A Bullet-halmaz és az „eltűnt” tömeg eloszlása
A Bullet-halmaz különösen szemléletes példa. Amikor két galaxishalmaz összeütközött, a közönséges anyag (főként forró gáz) a kölcsönhatás miatt lelassult, míg a másik, szinte kölcsönhatásba nem lépő tömegrész (feltehetően a sötét anyag) lassulás nélkül haladt át az ütközésen. A gravitációs lencsézés adatai azt mutatják, hogy a tömeg nagy része „továbbhaladt”, miközben a világító gáz lemaradt.
Jei trūkstamą masę aiškintume tiesiog visa Visatos materija, derėtų tikėtis, kad masės pasiskirstymas labiau sutaptų su regimąja materija (sulėtinta dujomis). Tačiau stebimas atotrūkis tarp matomos dujos ir gravitaciškai aktyvios masės rodo, kad egzistuoja papildoma, neelektromagnetiškai sąveikaujanti materija – tamsioji materija.
4. „Az összes anyag gravitációja” és a kozmológia
4.1 Az ősrobbanás-nukleoszintézis korlátai
A korai világegyetemben alakultak ki a legkönnyebb kémiai elemek - a hidrogén, a hélium és egy kevés lítium. Ezt a folyamatot ősrobbanás-nukleoszintézisnek (angolul Big Bang Nucleosynthesis, BBN) nevezik. A könnyű elemek gyakorisága érzékenyen függ a teljes barionos (közönséges) anyag sűrűségétől. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás megfigyelése és ezen elemek arányainak vizsgálata azt mutatja, hogy a világegyetemben nem lehet túl sok barionos anyag - ellenkező esetben ellentmondásba kerülnénk a megfigyelt hélium- vagy deutériummennyiségekkel. Röviden: a BBN szerint a közönséges anyag a világegyetem energia- és anyagmérlegének mintegy 5%-át teszi ki.
4.2 A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás mérései
Az olyan műholdakból, mint a COBE, a WMAP és a Planck, származó nagy felbontású adatok lehetővé tették a kozmológusok számára a CMB hőmérséklet-ingadozásainak rendkívül pontos meghatározását. Ezen ingadozások jellege, különösen a szögbeli teljesítményspektrumuk, lehetővé teszi a különböző komponensek - a sötét anyag, a sötét energia és a barionos anyag - sűrűségének megbecslését. Ezek a mérések nagyon jól egyeznek azzal a kozmológiai modellel, amelyben a sötét anyag különálló, nem barionos komponens. Ha a gravitációs hatás, amelyet jelenleg a sötét anyagnak tulajdonítunk, csupán a látható anyag teljes vonzása lenne, a CMB teljesítményspektruma teljesen másképp nézne ki.
5. Van más módja is annak, hogy azt mondjuk: a sötét anyag csupán „gravitáció”?
A gondolat, hogy „mi van, ha a sötét anyag valójában csupán a gravitációs törvények tökéletlensége?”, különböző módosított gravitációs elméletekhez vezetett. Ezek Einstein általános relativitáselméletének vagy Newton dinamikájának galaktikus és nagyobb léptékű módosítását javasolják, olykor meglehetősen összetett matematikai alapokon. Az ilyen elméletek további, láthatatlan részecskék nélkül próbálják megmagyarázni a galaxisok forgási görbéit és a galaxishalmazok lencsézését.
A módosított gravitáció elméleteinek fő kihívásai:
- Összehangolás: A gravitációt galaktikus léptékben kell módosítani, ugyanakkor összhangban kell maradni a Naprendszer megfigyeléseivel és az általános relativitáselmélettel, amelyet számos kísérlet rendkívüli pontossággal igazolt.
- Struktúraképződés: Az elméleteknek nemcsak a galaxisok forgási görbéit kell megmagyarázniuk, hanem a világegyetembeli struktúrák kialakulását is a korai időktől napjainkig, összhangban a különböző korszakokban végzett megfigyelésekkel.
- Relativisztikus hatások: A gravitáció törvényének megváltoztatásakor nem mondhatunk ellent olyan jelenségeknek, mint a gravitációs lencsézés vagy a Bullet Cluster adatai.
Bár a „Lambda hideg sötét anyag” (angolul ΛCDM) a kozmológia jelenlegi standard modellje, amelyben a sötét anyag és a sötét energia (Λ) egyaránt létezik, és bár vannak bizonyos hiányosságai, egyelőre egyetlen módosított gravitációs elmélet sem tudta olyan sikeresen megmagyarázni az összes megfigyelést, mint a ΛCDM.
6. Következtetés
Az az elképzelés, hogy a sötét anyag egyszerűen az Univerzum teljes anyagának kölcsönös gravitációs vonzása lehet - érdekes. Összhangban áll azzal a törekvéssel, hogy egyszerűbb magyarázatot keressünk, amelyhez nincs szükség új, láthatatlan anyag fogalmára. Lényegében visszhangozza azt a régi tudományos és filozófiai felfogást, hogy az Occam borotvájával meg kell szabadulni a szükségtelen hipotézisektől.
Azonban az évtizedeken át végzett csillagászati és kozmológiai megfigyelések azt mutatják, hogy az ismert anyag teljes mennyisége önmagában nem magyarázza meg a „hiányzó tömeg” problémáját. A galaxisok forgási görbéi, a gravitációs lencsézés adatai, a nagyléptékű struktúrák kialakulásának üteme, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás mérései és az ősrobbanás nukleoszintézisének korlátai - ezek mind arra utalnak, hogy létezik olyan anyagtípus, amely az általunk megszokott anyagon kívül és azon felül van jelen. Sőt, a Bullet-halmaz és a hasonló megfigyelések azt mutatják, hogy a láthatatlan tömeg másként viselkedik, mint a közönséges anyag (például alig vesz részt más, nem gravitációs kölcsönhatásokban).
A kozmológia azonban folyamatosan fejlődő tudományterület. Az új megfigyelések - a gravitációs hullámoktól a galaxisok eloszlásának pontosabb térképeiig és a CMB még jobb elemzéséig - folyamatosan finomítják a megértésünket. Egyelőre a legtöbb megfigyelési adat arra utal, hogy a sötét anyag valóban különálló, nem barionos anyagfajta formájában létezik. A nyitott gondolkodás és a váratlan adatok iránti figyelem azonban továbbra is nagyon fontos - hiszen a tudomány akkor halad előre, amikor a hipotéziseket tesztelik és megváltoztatják, ha nem egyeznek az új tényekkel.
Jelenleg a megfigyelések leginkább azt az elképzelést támasztják alá, hogy a sötét anyag valós, fizikai összetevő. Mindazonáltal az a kérdés, hogy „vajon mégis létezik-e alternatíva?”, a tudományos kíváncsiság szellemiségét erősíti, amely különösen fontos az Univerzum rejtélyeinek megértéséhez.
További olvasmányok
- Sötét anyag az Univerzumban – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- A Bullet-halmaz mint a módosított gravitáció elleni bizonyíték – számos szerző megfigyelési publikációi, például Clowe és munkatársai.
- A MOND-előrejelzések tesztelése – különféle galaxisforgási görbékkel kapcsolatos vizsgálatok (például Stacy McGaugh és társszerzőinek munkái).
- Megfigyelések a kozmológiai paraméterekről – a Planck, a WMAP és a COBE küldetésének adatai.