ბნელი მატერია - მხოლოდ სამყაროს საკუთარი გრავიტაციაა?
Linas Juozėnasგაზიარება
რა მოხდება, თუ ბნელი მატერია მხოლოდ მთელი სამყაროს ურთიერთგრავიტაციული მიზიდულობაა?
დამაინტრიგებელი მოსაზრების დეტალური კვლევა
ბნელი მატერია თანამედროვე კოსმოლოგიისა და ასტროფიზიკის ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლოა. დაკვირვებები, რომლებიც მოიცავს გალაქტიკების ბრუნვის მრუდებს, გრავიტაციულ ლინზირებასა და ფართომასშტაბიანი სტრუქტურის წარმოქმნას, მიუთითებს, რომ სამყაროში არსებობს მატერიის ფორმა, რომელიც სინათლესთან არ ურთიერთქმედებს - ამიტომაც ეწოდა მას „ბნელი“. ნიუტონისა და აინშტაინის გრავიტაციის გაგების თანახმად, ხილული, „ჩვეულებრივი“ მატერია (პროტონები, ნეიტრონები, ელექტრონები) სამყაროს ენერგიისა და მატერიის მთლიანი ბალანსის მხოლოდ დაახლოებით 5%-ს შეადგენს, ბნელი მატერია კი დაახლოებით 27%-ს (დანარჩენ ნაწილს ბნელი ენერგია შეადგენს).
მაგრამ რა მოხდება, თუ ეს დაკარგული მასა საერთოდ არ არსებობს? შესაძლოა, ეს უბრალოდ თავად სამყაროს ურთიერთმიზიდულობის ეფექტია: ყველა ვარსკვლავის, პლანეტისა და აირის ნაწილაკის გრავიტაციის მცირე წვლილი, რომლებიც ჯამში ქმნიან იმ მოვლენებს, რომლებსაც „ბნელ მატერიად“ ვხსნით. ეს მიმზიდველი მოსაზრებაა: შეგვეძლო თუ არა, უარი გვეთქვა ბნელი მატერიის, როგორც ცალკე კომპონენტის, ცნებაზე და ყველაფერი აგვეხსნა მხოლოდ უზარმაზარ მასშტაბებზე ხილული მატერიის გრავიტაციული გავლენით?
ამ სტატიაში დეტალურად განვიხილავთ ამ იდეას - მიმოვიხილავთ ბნელი მატერიის არსებობის მტკიცებულებებს, ამ ფენომენის მეცნიერულად ახსნის მცდელობებს და იმას, თუ რატომ არის მოსაზრება „ეს უბრალოდ ყველაფრისგან წარმოქმნილი გრავიტაციაა“ ერთდროულად მიმზიდველი და, სამწუხაროდ, არასაკმარისი, როდესაც დაკვირვების დეტალურ მონაცემებს ვუყურებთ.
1. ბნელი მატერიის არსებობის მტკიცებულებები
1.1 გალაქტიკების ბრუნვის მრუდები
ბნელი მატერიის არსებობის ერთ-ერთი პირველი მკაფიო მტკიცებულებაა გალაქტიკების კიდეებთან ვარსკვლავთა ორბიტული სიჩქარის გაზომვები. ნიუტონის მექანიკის მიხედვით, გალაქტიკის კიდეებთან ვარსკვლავთა ორბიტული სიჩქარე ცენტრიდან დაშორების ზრდასთან ერთად უნდა მცირდებოდეს - ისევე, როგორც პლანეტების სიჩქარე ჩვენს მზის სისტემაში მცირდება მზიდან დაშორებისას.
თუმცა ასტრონომებმა შეამჩნიეს, რომ სპირალურ გალაქტიკებში მდებარე ვარსკვლავები ყველაზე შორეულ რეგიონებში ბევრად უფრო სწრაფად მოძრაობენ, ვიდრე ამას ჩვეულებრივი გამოთვლები იწინასწარმეტყველებდა. ეს მოვლენა, რომელსაც „ბრტყელ ბრუნვის მრუდებს“ უწოდებენ, მიუთითებს, რომ გაცილებით მეტი მასა არსებობს, ვიდრე ელექტრომაგნიტური გამოსხივებიდან (სინათლე სხვადასხვა ტალღის სიგრძეზე) შეგვიძლია დავადგინოთ. გალაქტიკაში მხოლოდ ხილული მატერია (ვარსკვლავები, აირი, მტვერი) რომ არსებობდეს, შორეული ვარსკვლავების ორბიტები უფრო ნელი უნდა ყოფილიყო. ამიტომ უმარტივესი ახსნაა - არსებობს დამატებითი, უხილავი მასის ფენა, ანუ ბნელი მატერია.
1.2 გრავიტაციული ლინზირება
გრავიტაციული ლინზირება არის მასიური ობიექტების უნარი, მოხარონ სინათლე, როგორც ეს აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიაშია აღწერილი. გალაქტიკათა გროვებზე დაკვირვებისას ჩანს, რომ მათი გავლენა უფრო შორეული გალაქტიკების გამოსახულებაზე (ლინზირება) გაცილებით ძლიერია, ვიდრე მხოლოდ ხილული მატერიით შეიძლება აიხსნას. ამ ეფექტის ასახსნელად დამატებითი მასაა საჭირო - კვლავ ბნელ მატერიაზე მიგვანიშნებს.
ამის ცნობილი მაგალითია ე. წ. Bullet Cluster-ის შეჯახება, რომლის დროსაც გალაქტიკათა ორი გროვა ერთმანეთის გავლით გაიარა. ცხელი აირები (რომლებიც რენტგენის სხივების დიაპაზონში ჩანს) ურთიერთქმედების გამო შენელდა, ხოლო ყველაზე ძლიერი გრავიტაციული ზემოქმედება წინ გადაადგილდა. ეს მიანიშნებს, რომ მასის ნაწილი ელექტრომაგნიტურად თითქმის არ ურთიერთქმედებს (ანუ ერთმანეთს არ ეჯახება ისე, როგორც ჩვეულებრივი აირები), თუმცა მნიშვნელოვანი გრავიტაციული ზემოქმედება აქვს.
1.3 კოსმოლოგიური დაკვირვებები და სტრუქტურის ფორმირება
კოსმოსური მიკროტალღური ფონური გამოსხივების (ინგლ. Cosmic Microwave Background, CMB) - დიდი აფეთქების „ანარეკლის“ - შესწავლისას მეცნიერები სიმკვრივის არაერთგვაროვნებებს აკვირდებიან. სწორედ ეს არაერთგვაროვნებები გაიზარდა დროთა განმავლობაში იმ გალაქტიკებად და გროვებად, რომლებსაც დღეს ვხედავთ. სამყაროს სტრუქტურის ფორმირების კომპიუტერული სიმულაციები აჩვენებს, რომ ბნელი მატერიის გარეშე ასეთი სიმკვრივის „თესლების“ განვითარება დღევანდელ ზომებამდე უკიდურესად რთული ასახსნელი ან სულაც შეუძლებელი იქნებოდა. ბნელი მატერიის გარეშე, თითქმის ერთგვაროვანი ადრეული სამყაროდან მატერიის ძლიერ არაერთგვაროვანი სტრუქტურის (გალაქტიკებისა და გალაქტიკათა გროვების) ჩამოყალიბება მეტისმეტად ნელი იქნებოდა.
2. შემოთავაზებული იდეა: მთელი მატერიის საერთო მიზიდულობა
აზრი, „იქნებ ბნელი მატერია უბრალოდ ყველაფრის ურთიერთგრავიტაციული მიზიდულობაა, რაც არსებობს“, ერთი შეხედვით მიმზიდველად გამოიყურება. გრავიტაცია ხომ შეუზღუდავ მანძილებზე მოქმედებს; სამყაროში ერთმანეთისგან რაც უნდა შორს იყოს ორი ობიექტი, ისინი მაინც იზიდავენ ერთმანეთს. თუ წარმოვიდგენთ ვარსკვლავებისა და გალაქტიკების უთვალავ რაოდენობას, შესაძლოა, მათმა საერთო მიზიდულობის ზემოქმედებამ ის დამატებითი მასა ახსნას.
2.1 ინტუიციური მიმზიდველობა
1. გრავიტაციის ერთიანი ახსნა: ნაწილობრივ ეს გამაერთიანებელ იდეად გამოიყურება. მატერიის ახალი ტიპის შემოტანის ნაცვლად, შეგვეძლო გვეთქვა, რომ მხოლოდ ჩვენთვის ცნობილი მატერიის კოლექტიურ ზემოქმედებას ვაკვირდებით.
2. სიმარტივე: ბევრისთვის მიმზიდველია ფიქრი, რომ მხოლოდ ბარიონული (ჩვეულებრივი) მატერია არსებობს და მეტი არაფერი. შესაძლოა, აქამდე უბრალოდ სათანადოდ ვერ შევაფასეთ ამ მატერიის საერთო გრავიტაცია, განსაკუთრებით დიდ მასშტაბებზე.
თუმცა ეს ჰიპოთეზა სერიოზულ გამოწვევებს აწყდება, როდესაც ზუსტ დაკვირვების მონაცემებსა და კარგად შემოწმებულ ფიზიკის თეორიებს ერგება. ვნახოთ, სად იკვეთება პრობლემები.
3. რატომ არ არის საკმარისი მხოლოდ ცნობილი მატერიის ურთიერთგრავიტაცია
3.1 ჩვეულებრივი და მოდიფიცირებული გრავიტაცია
ბნელი მატერიის გარეშე კოსმოსური მოვლენების ახსნის მცდელობები ხშირად „მოდიფიცირებული გრავიტაციის“ თეორიების სფეროში ხვდება. მატერიის ახალი სახეობის შემოტანის ნაცვლად, შემოთავაზებულია გრავიტაციის კანონების შესწორება სამყაროს მასშტაბით. ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი მაგალითია MOND (ინგლ. Modified Newtonian Dynamics). MOND ამტკიცებს, რომ უკიდურესად მცირე აჩქარებების (მაგალითად, გალაქტიკების კიდეებში არსებული) არეებში გრავიტაცია სხვაგვარად მოქმედებს, ვიდრე ნიუტონის ან აინშტაინის პროგნოზით.
თუ სამყაროს მთელი მატერიის საერთო გრავიტაცია იქნებოდა ის ძალა, რომელსაც შეცდომით ბნელ მატერიას ვუწოდებთ, მას არსებითად მოდიფიცირებული გრავიტაციის ერთ-ერთი ვერსიის მსგავსად უნდა ემოქმედა. MOND-ისა და მსგავსი თეორიების მხარდამჭერები ცდილობენ ახსნან გალაქტიკების ბრუნვის მრუდები და სხვა მოვლენები. მიუხედავად ამისა, MOND, თუნდაც ზოგიერთ დაკვირვებას შეესაბამებოდეს (მაგალითად, გალაქტიკების ბრუნვის მრუდებს), რთულად თავსდება სხვა ფაქტებთან (მაგალითად, Bullet Cluster-ის გრავიტაციული ლინზირების მონაცემებთან).
ამიტომ ნებისმიერი თეორია, რომლის მიხედვითაც „ბნელ მატერიას“ მხოლოდ ჩვეულებრივი მატერიის საერთო გრავიტაცია განაპირობებს, წარმატებით უნდა ხსნიდეს არა მხოლოდ გალაქტიკების ბრუნვის მრუდებს, არამედ ლინზირებას, გროვების შეჯახებებსა და მსხვილმასშტაბიანი სტრუქტურის წარმოქმნასაც. ჯერჯერობით არც ერთ ალტერნატიულ თეორიას სრულად არ ჩაუნაცვლებია ბნელი მატერიის ჰიპოთეზა ისე, რომ ყველა დაკვირვებას შეესაბამებოდეს.
3.2 კვადრატის უკუპროპორციულობის კანონი და კოსმოსური მასშტაბები
გრავიტაციის ძალა მანძილის ზრდასთან ერთად კვადრატის უკუპროპორციულად სუსტდება (ნიუტონის მსოფლიო მიზიდულობის კანონის მიხედვით). კოსმოსურ მასშტაბებზე არსებობს შორეული გალაქტიკების, გროვებისა და ფილამენტების რეალური, თუმცა სუსტი მიზიდულობა, მაგრამ ეს ძალა მანძილის ზრდასთან ერთად საკმაოდ სწრაფად მცირდება. დაკვირვების მონაცემები აჩვენებს, რომ მხოლოდ ხილული (ბარიონული) მატერია საკმარისი არ არის და ის ისე არ არის განაწილებული, რომ ბნელ მატერიასთან დაკავშირებული გრავიტაციული ეფექტები შექმნას.
თუ სამყაროს მთელ ხილულ მატერიას შევკრებდით და სხვადასხვა კოსმოსურ მასშტაბზე მის გრავიტაციულ გავლენას გამოვითვლიდით, აღმოჩნდებოდა, რომ მაინც ვერ აღვადგენდით გალაქტიკების რეალურ ბრუნვის მრუდებს, ლინზირების ეფექტებს ან სტრუქტურის წარმოქმნის სიჩქარეს. მარტივად რომ ვთქვათ, სამყაროში, სადაც მხოლოდ ბარიონული მატერია იარსებებდა, გრავიტაციული ძალა ზედმეტად სუსტი იქნებოდა დაკვირვებული ეფექტის ასახსნელად.
3.3 Bullet Cluster და „დაკარგული“ მასის განაწილება
Bullet Cluster განსაკუთრებით მკაფიო მაგალითია. ორი გალაქტიკური გროვის შეჯახებისას ჩვეულებრივი მატერია (ძირითადად ცხელი გაზი) ურთიერთქმედების გამო შენელდა, ხოლო მასის სხვა, თითქმის არაურთიერთქმედმა ნაწილი (რომელიც, სავარაუდოდ, ბნელი მატერიაა) შეჯახების ზონაში შენელების გარეშე წარმატებით გავიდა. გრავიტაციული ლინზირების მონაცემები აჩვენებს, რომ მასის უმეტესი ნაწილი „წინ წავიდა“, მაშინ როცა მანათობელი გაზი ჩამორჩა.
თუ დაკარგულ მასას უბრალოდ სამყაროს მთელ მატერიად ავხსნიდით, უნდა გვევარაუდა, რომ მასის განაწილება უფრო მეტად დაემთხვეოდა ხილულ მატერიას (გაზით შენელებულს). თუმცა ხილულ გაზსა და გრავიტაციულად აქტიურ მასას შორის დაკვირვებული განსხვავება მიუთითებს, რომ არსებობს დამატებითი, ელექტრომაგნიტურად არაურთიერთქმედი მატერია - ბნელი მატერია.
4. „მთელი მატერიის გრავიტაცია“ და კოსმოლოგია
4.1 დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზის შეზღუდვები
ადრეულ სამყაროში უმსუბუქესი ქიმიური ელემენტები - წყალბადი, ჰელიუმი და მცირე რაოდენობით ლითიუმი - წარმოიქმნა. ამ პროცესს დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზი (ინგლ. Big Bang Nucleosynthesis, BBN) ეწოდება. მსუბუქი ელემენტების სიმრავლე ძლიერ არის დამოკიდებული მთელი ბარიონული (ჩვეულებრივი) მატერიის სიმკვრივეზე. კოსმოსური ფონური მიკროტალღური გამოსხივების დაკვირვება და ამ ელემენტების თანაფარდობების შესწავლა აჩვენებს, რომ სამყაროში ბარიონული მატერია ზედმეტად ბევრი ვერ იქნება - წინააღმდეგ შემთხვევაში ხილული ჰელიუმისა და დეიტერიუმის რაოდენობებს უნდა შევწინააღმდეგებოდით. მოკლედ, BBN აჩვენებს, რომ ჩვეულებრივი მატერია სამყაროს ენერგიისა და მატერიის ბალანსის დაახლოებით 5%-ს შეადგენს.
4.2 კოსმოსური ფონური მიკროტალღური გამოსხივების გაზომვები
ისეთი თანამგზავრებიდან მიღებულმა მაღალი გარჩევადობის მონაცემებმა, როგორებიცაა COBE, WMAP და Planck, კოსმოლოგებს CMB-ის ტემპერატურის ფლუქტუაციების უპრეცედენტო სიზუსტით განსაზღვრის შესაძლებლობა მისცა. ამ ფლუქტუაციების ხასიათი, განსაკუთრებით მათი კუთხური სიმძლავრის სპექტრი, სხვადასხვა კომპონენტის (ბნელი მატერიის, ბნელი ენერგიისა და ბარიონული მატერიის) სიმკვრივის შეფასების საშუალებას იძლევა. ეს გაზომვები ძალიან კარგად ემთხვევა კოსმოლოგიურ მოდელს, რომელშიც ბნელი მატერია ცალკე, არაბარიონულ კომპონენტს წარმოადგენს. თუ გრავიტაციული ეფექტი, რომელსაც ამჟამად ბნელ მატერიას მივაწერთ, მხოლოდ ხილული მატერიის საერთო მიზიდულობა იქნებოდა, CMB-ის სიმძლავრის სპექტრი სრულიად სხვაგვარად გამოიყურებოდა.
5. არსებობს თუ არა ბნელი მატერიის „გრავიტაციად“ აღწერის სხვა გზა?
აზრმა „რა მოხდება, თუ ბნელი მატერია სინამდვილეში მხოლოდ გრავიტაციის კანონების არასრულყოფილებაა?“ ბიძგი მისცა სხვადასხვა მოდიფიცირებული გრავიტაციის თეორიას. ისინი გვთავაზობენ აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ან ნიუტონის დინამიკის შესწორებას გალაქტიკურ და უფრო დიდ მასშტაბებზე, ზოგჯერ კი საკმაოდ რთულ მათემატიკურ საფუძველს ეყრდნობიან. ასეთი თეორიები ცდილობენ დამატებითი, უხილავი ნაწილაკების გარეშე ახსნან გალაქტიკების ბრუნვის მრუდები და გროვების ლინზირება.
მოდიფიცირებული გრავიტაციის თეორიების ძირითადი გამოწვევები:
- შეთავსება: საჭიროა გრავიტაციის კორექტირება გალაქტიკურ მასშტაბზე, თუმცა ამავე დროს თავსებადი უნდა დარჩეს მზის სისტემის დაკვირვებებსა და ფარდობითობის ზოგად თეორიასთან, რომელიც მრავალმა ექსპერიმენტმა უკვე უკიდურესად ზუსტად დაადასტურა.
- სტრუქტურის ფორმირება: თეორიებმა უნდა ახსნას არა მხოლოდ გალაქტიკების ბრუნვის მრუდები, არამედ სამყაროს სტრუქტურების ფორმირებაც ადრეული ეპოქიდან დღემდე და სხვადასხვა ეპოქაში დაკვირვებებს შეესაბამებოდეს.
- რელატივისტური ეფექტები: გრავიტაციის კანონის შეცვლისას აუცილებელია, რომ ეს არ ეწინააღმდეგებოდეს ისეთ მოვლენებს, როგორიცაა გრავიტაციული ლინზირება, ან Bullet Cluster-ის მონაცემებს.
მიუხედავად იმისა, რომ „ლამბდა-ცივი ბნელი მატერია“ (ინგლ. ΛCDM) - კოსმოლოგიის ამჟამინდელი სტანდარტული მოდელი, რომელშიც არსებობს როგორც ბნელი მატერია, ისე ბნელი ენერგია (Λ), გარკვეული ნაკლოვანებები აქვს, ჯერჯერობით შეცვლილი გრავიტაციის ვერც ერთმა თეორიამ ვერ შეძლო ყველა დაკვირვების ისე წარმატებით ახსნა, როგორც ΛCDM-მა.
6. დასკვნა
იდეა, რომ ბნელი მატერია შეიძლება უბრალოდ სამყაროში არსებული მთელი მატერიის ურთიერთგრავიტაციული მიზიდულობა იყოს, საინტერესოა. ის ემთხვევა უფრო მარტივი ახსნის ძიების სურვილს, რომელიც ახალი, უხილავი მატერიის კონცეფციის შემოტანას არ მოითხოვს. არსებითად, ეს ეხმიანება მეცნიერებისა და ფილოსოფიის ძველ შეხედულებას, რომლის თანახმადაც ოკამის სამართებლით ზედმეტი ჰიპოთეზები უნდა მოვიშოროთ.
თუმცა ასტრონომიული და კოსმოლოგიური დაკვირვებების ათწლეულები აჩვენებს, რომ ცნობილი მატერიის საერთო რაოდენობა მარტო ვერ ხსნის „დაკარგული მასის“ პრობლემას. გალაქტიკების ბრუნვის მრუდები, გრავიტაციული ლინზირების მონაცემები, მსხვილი სტრუქტურის ფორმირების ტემპები, კოსმოსური ფონური მიკროტალღური გამოსხივების გაზომვები და დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზის შეზღუდვები - ყველა მათგანი მიუთითებს, რომ არსებობს მატერიის ტიპი, რომელიც განსხვავდება ჩვენთვის ჩვეული მატერიისგან და დამატებითია მის მიმართ. მეტიც, Bullet Cluster-ზე და მსგავს ობიექტებზე დაკვირვებები აჩვენებს, რომ უხილავი მასა ჩვეულებრივი მატერიისგან განსხვავებულად იქცევა (მაგალითად, სუსტად მონაწილეობს სხვა, არაგრავიტაციულ ურთიერთქმედებებში).
მიუხედავად ამისა, კოსმოლოგია მუდმივად განვითარებადი სამეცნიერო სფეროა. ახალი დაკვირვებები - გრავიტაციული ტალღებიდან დაწყებული, გალაქტიკების განაწილების უფრო ზუსტი რუკებითა და CMB-ის კიდევ უფრო გაუმჯობესებული ანალიზით დამთავრებული - მუდმივად აუმჯობესებს ჩვენს გაგებას. ამჟამად დაკვირვებების მონაცემების უმეტესობა მიუთითებს, რომ ბნელი მატერია მართლაც არსებობს, როგორც მატერიის ცალკე, არაბარიონული სახეობა. თუმცა ღია აზროვნება და მოულოდნელი მონაცემებისადმი ყურადღება კვლავ ძალიან მნიშვნელოვანია - მეცნიერება წინ მიიწევს მაშინ, როდესაც ჰიპოთეზები მოწმდება და იცვლება, თუ ისინი ახალ ფაქტებს არ შეესაბამება.
ამჟამად დაკვირვებები ყველაზე მეტად უჭერს მხარს იდეას, რომ ბნელი მატერია რეალური, ფიზიკური კომპონენტია. მიუხედავად ამისა, კითხვა - „იქნებ მაინც არსებობს ალტერნატივა?“ - ნიშნავს მეცნიერული ცნობისმოყვარეობის სულისკვეთების შენარჩუნებას, რაც განსაკუთრებით საჭიროა სამყაროს საიდუმლოებების გასაგებად.
დამატებითი საკითხავი
- ბნელი მატერია სამყაროში – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet Cluster, როგორც შეცვლილი გრავიტაციის საწინააღმდეგო მტკიცებულება – მრავალი ავტორის დაკვირვებების პუბლიკაციები, მაგალითად, Clowe და სხვები.
- MOND-ის პროგნოზების შემოწმება – გალაქტიკების ბრუნვის მრუდების სხვადასხვა კვლევა (მაგალითად, Stacy McGaugh-ისა და თანაავტორების ნაშრომები).
- კოსმოლოგიური პარამეტრების დაკვირვებები – Planck-ის, WMAP-ისა და COBE-ის მისიის მონაცემები.