Kas, ja tumšā matērija ir tikai visas Visuma savstarpējā gravitācijas pievilkšana?
Detalizēta intriģējošas domas izpēte
Tumšā matērija ir viena no lielākajām mūsdienu kosmoloģijas un astrofizikas noslēpumiem. Novērojumi, kas ietver galaktiku griešanās līknes, gravitācijas lēcu un lielo struktūru veidošanos, liecina, ka Visumā eksistē matērijas forma, kas nesaskaras ar gaismu – tāpēc to sauc par "tumšo". Balstoties uz Ņūtona un Einšteina gravitācijas izpratni, redzamā, "parastā" matērija (protoni, neitroni, elektroni) veido tikai aptuveni 5% no visas Visuma enerģijas un matērijas līdzsvara, bet tumšā matērija – aptuveni 27% (pārējo daļu veido tumšā enerģija).
Bet kas, ja šīs trūkstošās masas vispār nav? Varbūt tas ir tikai Visuma savstarpējās pievilkšanas efekts: nelieli visu zvaigžņu, planētu un gāzu daļiņu gravitācijas ieguldījumi, kas kopumā rada fenomenu, ko skaidrojam kā "tumšo matēriju". Tā ir intriģējoša doma: vai mēs varētu atteikties no tumšās matērijas jēdziena kā atsevišķa komponenta un visu izskaidrot tikai ar kopējo redzamās matērijas gravitācijas ietekmi milzīgos mērogos?
Šajā rakstā mēs detalizēti izpētīsim šo ideju – apskatīsim tumšās matērijas esamības pierādījumus, zinātniskos mēģinājumus izskaidrot šo fenomenu un to, kāpēc doma "tas ir tikai gravitācija no visa, kas eksistē" ir vienlaikus gan pievilcīga, gan diemžēl nepietiekama, raugoties uz detalizētiem novērojumu datiem.
1. Tumšās matērijas esamības pierādījumi
1.1 Galaktiku griešanās līknes
Viens no pirmajiem spilgtiem tumšās matērijas esamības pierādījumiem ir galaktiku perifērijas zvaigžņu orbītu ātruma mērījumi. Saskaņā ar Ņūtona mehāniku zvaigžņu orbītu ātrumam galaktikas perifērijā vajadzētu samazināties, palielinoties attālumam no centra – līdzīgi kā planētu ātrums mūsu Saules sistēmā samazinās, attālinoties no Saules.
Tomēr astronomi ir pamanījuši, ka spirālveida galaktikās esošās zvaigznes tālākajos reģionos kustas daudz ātrāk, nekā paredzētu parastie aprēķini. Šis fenomens, ko sauc par "plakanajām griešanās līknēm", liecina, ka eksistē daudz vairāk masas, nekā varam noteikt no elektromagnētiskā starojuma (gaismas dažādos viļņu garumos). Ja galaktikā eksistētu tikai redzamā matērija (zvaigznes, gāzes, putekļi), tālo zvaigžņu orbītas būtu lēnākas. Tātad vienkāršākais skaidrojums ir – pastāv papildu, neredzams masas slānis, t.i., tumšā matērija.
1.2 Gravitācijas lēcu efekts
Gravitācijas lēcu efekts ir masīvu objektu spēja liekt gaismu, kā aprakstīts Einšteina vispārējās relativitātes teorijā. Novērojot galaktiku kopas, redzams, ka to radītā ietekme uz tālāku galaktiku attēlu (lēcu efekts) ir daudz spēcīgāka, nekā var izskaidrot tikai ar redzamo matēriju. Lai izskaidrotu šo efektu, nepieciešama papildu masa – atkal norādot uz tumšo matēriju.
Slavens piemērs tam ir tā sauktais Bullet Cluster sadursme, kurā divas galaktiku kopas aizlidoja viena cauri otrai. Karstās gāzes (redzamas rentgena staru diapazonā) tika palēninātas mijiedarbību dēļ, bet spēcīgākā gravitācijas ietekme pārvietojās tālāk. Tas liek domāt, ka daļa masas gandrīz nemijiedarbojas elektromagnētiski (t.i., neķeras viena pie otras kā parastās gāzes), bet tai ir nozīmīga gravitācijas ietekme.
1.3 Kosmoloģiskie novērojumi un struktūras veidošanās
Skatoties uz kosmisko mikroviļņu fonu (angļu val. Cosmic Microwave Background, CMB) – Lielā sprādziena “atspulgu”, zinātnieki novēro blīvuma nevienmērības. Tieši šīs nevienmērības laika gaitā izauga par galaktikām un kopām, ko redzam šodien. Datoru Visuma struktūras veidošanās simulācijas rāda, ka bez tumšās matērijas šādu blīvuma “sēklu” attīstība līdz mūsdienu izmēriem būtu ārkārtīgi grūti izskaidrojama vai pat neiespējama. Bez tumšās matērijas no gandrīz viendabīgas agrīnās Visuma būtu pārāk lēni veidojusies ļoti nevienmērīga matērijas struktūra (galaktikas, galaktiku kopas).
2. Piedāvātā ideja: kopējā visas matērijas pievilkšana
Ideja “varbūt tumšā matērija ir tikai visa eksistējošā savstarpējā gravitācijas pievilkšana” pirmajā acu uzmetienā šķiet pievilcīga. Galu galā gravitācija darbojas bezgalīgos attālumos; cik tālu divi objekti Visumā nebūtu, tie joprojām viens otru pievelk. Ja iedomātos neskaitāmu zvaigžņu un galaktiku daudzumu, iespējams, to kopējā pievilkšanas ietekme varētu izskaidrot šo papildu masu.
2.1 Intuitīva pievilcība
1. Vienots gravitācijas skaidrojums: Daļēji tas šķiet apvienojoša ideja. Tā vietā, lai ieviestu jaunu matērijas veidu, varētu apgalvot, ka novērojam tikai mums zināmās matērijas kolektīvo ietekmi.
2. Vienkāršība: Daudziem šķiet pievilcīgi uzskatīt, ka pastāv tikai barjoniskā (parastā) matērija un nekas cits. Varbūt līdz šim vienkārši neesam novērtējuši visas šīs matērijas kopējo gravitāciju, īpaši lielos mērogos.
Tomēr šī hipotēze saskaras ar nopietnām problēmām, kad to pielieto precīziem novērojumu datiem un labi pārbaudītām fizikas teorijām. Apskatīsim, kur rodas problēmas.
3. Kāpēc vien zināmās matērijas savstarpējās gravitācijas nepietiek
3.1 Parastā pret modificēto gravitāciju
Mēģinājumi izskaidrot kosmiskos fenomenus bez tumšās matērijas bieži nonāk "modificētas gravitācijas" teoriju jomā. Tā vietā, lai ieviestu jaunu matērijas veidu, tiek piedāvāts koriģēt gravitācijas likumus Visuma mērogā. Viens no ievērojamākajiem piemēriem ir MOND (angļu val. Modified Newtonian Dynamics). MOND apgalvo, ka ļoti mazu paātrinājumu (piemēram, galaktiku malās) apvidos gravitācija darbojas citādi, nekā prognozē Ņūtons vai Einšteins.
Ja visas Visuma matērijas kopējā gravitācija būtu tā spēks, ko kļūdaini saucam par tumšo matēriju, tā būtībā būtu jādarbojas kā kādai modificētas gravitācijas versijai. MOND un līdzīgu teoriju atbalstītāji cenšas izskaidrot galaktiku rotācijas līknes un citus fenomenus. Tomēr MOND, lai gan var derēt dažiem novērojumiem (piemēram, galaktiku rotācijas līknēm), grūti saskan ar citiem faktiem (piemēram, Bullet Cluster gravitācijas lēšošanas datiem).
Tāpēc jebkura teorija, kas apgalvo, ka "tumšo matēriju" nosaka tikai parastās matērijas kopējā gravitācija, būtu jāspēj veiksmīgi izskaidrot ne tikai galaktiku rotācijas līknes, bet arī lēšošanu, kopu sadursmes un lielo struktūru veidošanos. Līdz šim neviena alternatīva teorija nav pilnībā aizstājusi tumšās matērijas hipotēzi tā, lai tā atbilstu visiem novērojumiem.
3.2 Apgrieztā kvadrāta likums un kosmosa mērogi
Gravitācijas spēks vājinās ar attāluma kvadrātu (saskaņā ar Ņūtona vispārējās pievilkšanas likumu). Kosmosa mērogos pastāv reāla, lai arī neliela, tālu galaktiku, kopu un pavedienu pievilkšana, taču šis spēks diezgan ātri samazinās ar attālumu. Novērojumu dati rāda, ka tikai redzamās (barjoniskās) matērijas nepietiek, un tā nav izvietota tā, lai radītu gravitācijas efektus, kas tiek piedēvēti tumšajai matērijai.
Ja mēģinātu apkopot visu redzamo Visuma matēriju un aprēķināt tās gravitācijas ietekmi dažādos kosmosa mērogos, izrādītos, ka joprojām nevaram atjaunot reālas galaktiku rotācijas līknes, lēšošanas efektus vai struktūras veidošanās ātrumu. Vienkārši sakot, Visumā, kur pastāvētu tikai barjoniskā matērija, gravitācijas spēks būtu pārāk vājš, lai izskaidrotu novēroto efektu.
3.3 Bullet Cluster un "pazudušās" masas sadalījums
Bullet Cluster ir īpaši spilgts piemērs. Divu galaktiku kopu sadursmes gadījumā parastā matērija (galvenokārt karstas gāzes) tika palēnināta mijiedarbības dēļ, bet cita – gandrīz nemijiedarbīgā – masas daļa (uzskatāma par tumšo matēriju) veiksmīgi šķērsoja sadursmi, nepalēninoties. Gravitācijas lēšošanas dati rāda, ka masas lielākā daļa "atkāpās" tālāk, atpaliekot no spožās gāzes.
Ja trūkstošo masu skaidrotu vienkārši ar visu Visuma matēriju, būtu jāgaida, ka masas sadalījums vairāk sakristu ar redzamo matēriju (gāzēm). Tomēr novērotā plaisa starp redzamajām gāzēm un gravitācijas aktīvo masu liecina, ka pastāv papildu, neelektromagnētiski mijiedarbīga matērija – tumšā matērija.
4. „Visas matērijas gravitācija“ un kosmoloģija
4.1 Lielā sprādziena nukleosintēzes ierobežojumi
Agrīnajā Visumā veidojās vieglākie ķīmiskie elementi – ūdeņradis, hēlijs un nedaudz litija. Šo procesu sauc par Lielā sprādziena nukleosintēzi (angļu val. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Vieglāko elementu daudzums jūtīgi atkarīgs no visas barioniskās (parastās) matērijas blīvuma. Novērojot kosmisko fona mikroviļņu starojumu un pētot šo elementu attiecības, redzams, ka Visumā nevar būt pārāk daudz barioniskās matērijas – citādi būtu pretruna ar novēroto hēlija vai deuterija daudzumu. Īsi sakot, BBN rāda, ka parastā matērija veido aptuveni 5% no Visuma enerģijas un matērijas līdzsvara.
4.2 Kosmiskās fona mikroviļņu starojuma mērījumi
Augstas izšķirtspējas dati, iegūti no satelītiem, piemēram, COBE, WMAP un Planck, ļāva kosmologiem ārkārtīgi precīzi noteikt CMB temperatūras svārstības. Šo svārstību raksturs, īpaši to leņķiskais jaudas spektrs, sniedz iespēju novērtēt dažādu komponentu (tumšās matērijas, tumšās enerģijas un barioniskās matērijas) blīvumu. Šie mērījumi ļoti labi sakrīt ar kosmoloģisko modeli, kurā tumšā matērija ir atsevišķa, nebarioniska sastāvdaļa. Ja gravitācijas ietekme, ko pašlaik piedēvē tumšajai matērijai, būtu tikai kopējā redzamās matērijas pievilkšana, CMB jaudas spektrs izskatītos pilnīgi citādi.
5. Vai ir cits veids, kā pateikt, ka tumšā matērija ir tikai „gravitācija“?
Ideja „kas, ja tumšā matērija patiesībā ir gravitācijas likumu nepilnība?“ ir veicinājusi dažādas modificētās gravitācijas teorijas. Tās piedāvā labot Einšteina Vispārējo relativitātes teoriju vai Ņūtona dinamiku galaktiku un lielākā mērogā, dažkārt piedāvājot diezgan sarežģītu matemātisko pamatu. Šādas teorijas cenšas bez papildu, neredzamu daļiņu palīdzības izskaidrot galaktiku rotācijas līknes un kopu lēšanos.
Galvenie izaicinājumi modificētajām gravitācijas teorijām:
- Pielāgošana: Jāveic gravitācijas korekcijas galaktiku mērogā, bet vienlaikus jāpaliek saskaņā ar Saules sistēmas novērojumiem un vispārējo relativitātes teoriju, kuru daudzi eksperimenti jau ir ļoti precīzi apstiprinājuši.
- Struktūras veidošanās: Teorijām jāspēj izskaidrot ne tikai galaktiku rotācijas līknes, bet arī Visuma struktūru veidošanos no agrīnajiem laikiem līdz mūsdienām, atbilstoši novērojumiem dažādos laikposmos.
- Relatīvistiskie efekti: Mainot gravitācijas likumu, jāņem vērā tādi fenomeni kā gravitācijas lēšošana vai Bullet kopas dati.
Lai gan „Lambda Aukstā Tumšā Matērija“ (angļu val. ΛCDM) – pašreizējais standarta kosmoloģijas modelis, kurā pastāv gan tumšā matērija, gan tumšā enerģija (Λ), ir ar dažiem trūkumiem, līdz šim neviena modificētās gravitācijas teorija nav tik veiksmīgi spējusi izskaidrot visus novērojumus kā ΛCDM.
6. Secinājums
Ideja, ka tumšā matērija varētu būt vienkārši visa Visuma matērijas savstarpējā gravitācijas pievilkšana – interesanta. Tā sakrīt ar vēlmi meklēt vienkāršāku skaidrojumu, kas neprasa jaunas, neredzamas matērijas koncepciju. Būtībā tas rezonē ar seno zinātnes un filozofijas principu, ka Okkama skuveklis liek atbrīvoties no liekām hipotēzēm.
Tomēr desmitgades astronomisko un kosmoloģisko novērojumu rāda, ka tikai zināmās matērijas kopējais daudzums neizskaidro „trūkstošās masas“ problēmu. Galaktiku rotācijas līknes, gravitācijas lēšu dati, lielo struktūru veidošanās tempi, kosmiskā mikroviļņu fonā starojuma mērījumi un Lielā sprādziena nukleosintēzes ierobežojumi – visi liecina, ka pastāv matērijas veids, kas ir bez un papildus mums ierastajai matērijai. Vēl vairāk, Bullet kopas un līdzīgi novērojumi rāda, ka neredzamā masa uzvedas citādi nekā ierastā matērija (piemēram, maz piedaloties citās, negravitācijas mijiedarbībās).
Tomēr kosmoloģija ir pastāvīgi attīstoša zinātnes joma. Jauni novērojumi – no gravitācijas viļņiem līdz precīzākiem galaktiku izvietojuma kartējumiem un vēl labākai CMB analīzei – pastāvīgi pilnveido mūsu izpratni. Līdz šim lielākā daļa novērojumu datu liecina, ka tumšā matērija patiešām pastāv kā atsevišķa, nebariona matērijas forma. Tomēr atvērta domāšana un uzmanība negaidītiem datiem paliek ļoti svarīga – jo zinātne virzās uz priekšu, kad hipotēzes tiek pārbaudītas un mainītas, ja tās neatbilst jaunajiem faktiem.
Pašlaik novērojumi visvairāk atbalsta ideju, ka tumšā matērija ir īsts, fizisks komponents. Tomēr jautāt „vai tomēr pastāv alternatīva?“ – nozīmē uzturēt zinātniskās ziņkārības garu, kas ir īpaši nepieciešams, lai izprastu Visuma noslēpumus.
Turpmāka lasīšana
- Tumšā matērija Visumā – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet kopas kā pierādījums pret modificēto gravitāciju – daudzu autoru novērojumu publikācijas, piemēram, Clowe u.c.
- MOND prognožu pārbaude – dažādi galaktiku rotācijas līkņu pētījumi (piemēram, Stacijas McGaugh un līdzautoru darbi).
- Kosmoloģisko parametru novērojumi – Planck, WMAP, COBE misiju dati.