Ar tamsioji materija – tik visatos gravitacija pačiai sau?

Il-materja skura hija biss il-gravità tal-univers lejha nnifisha?

X’jiġri jekk il-materja skura hija biss l-attrazzjoni gravitazzjonali reċiproka tal-Univers kollu?

Eżami dettaljat ta’ idea intriganti

Il-materja skura hija waħda mill-akbar misteri tal-kożmoloġija u l-astrofiżika moderna. Osservazzjonijiet li jinkludu l-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji, il-lenti gravitazzjonali u l-formazzjoni tal-istruttura fuq skala kbira juru li fl-Univers teżisti forma ta’ materja li ma tinteraġixxix mad-dawl - għalhekk tissejjaħ “skura”. Skont il-kunċett tal-gravità ta’ Newton u Einstein, il-materja viżibbli, “ordinarja” (protoni, newtroni, elettroni), tammonta għal madwar 5% biss tal-bilanċ kollu tal-enerġija u l-materja tal-Univers, filwaqt li l-materja skura tammonta għal madwar 27% (il-bqija huwa magħmul mill-enerġija skura).

Imma x’jiġri jekk din il-massa nieqsa ma teżisti xejn? Forsi din hija biss l-effett tal-attrazzjoni reċiproka tal-Univers innifsu: il-kontribuzzjonijiet żgħar tal-gravità tal-istilel, il-pjaneti u l-partiċelli tal-gass kollha, li flimkien joħolqu fenomeni li nispjegawhom bħala “materja skura”. Din hija idea intriganti: nistgħu nabbandunaw il-kunċett tal-materja skura bħala komponent separat u nispjegaw kollox biss bl-effett gravitazzjonali tal-materja viżibbli fuq skali enormi?

F’dan l-artiklu se neżaminaw din l-idea fid-dettall - se nirrevedu l-evidenza tal-eżistenza tal-materja skura, it-tentattivi xjentifiċi biex jiġi spjegat dan il-fenomenu u għaliex il-ħsieb li “din hija biss il-gravità ta’ dak kollu li jeżisti” huwa kemm attraenti kif ukoll, sfortunatament, insuffiċjenti meta nqisu d-dejta dettaljata tal-osservazzjonijiet.

1. Evidenza tal-eżistenza tal-materja skura

1.1 Il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji

Waħda mill-ewwel evidenza qawwija tal-eżistenza tal-materja skura hija l-kejl tal-veloċità tal-orbiti tal-istilel fil-periferija tal-galassji. Skont il-mekkanika ta’ Newton, il-veloċità tal-orbiti tal-istilel fil-periferija tal-galassji għandha tonqos hekk kif tiżdied id-distanza miċ-ċentru - b’mod simili għall-mod kif tonqos il-veloċità tal-pjaneti fis-Sistema Solari tagħna hekk kif jitbiegħdu mix-Xemx.

Madankollu, l-astronomi nnutaw li l-istilel fl-aktar reġjuni mbiegħda tal-galassji spirali jimxu ħafna aktar malajr milli jbassru l-kalkoli konvenzjonali. Dan il-fenomenu, magħruf bħala “kurvi ċatti tar-rotazzjoni”, jindika li teżisti ħafna aktar massa milli nistgħu niddeterminaw mir-radjazzjoni elettromanjetika (id-dawl f’tulijiet ta’ mewġa differenti). Kieku f’galassja kien hemm biss materja viżibbli (stilel, gassijiet, trab), l-orbiti tal-istilel imbiegħda kellhom ikunu aktar bil-mod. Għalhekk, l-aktar spjegazzjoni sempliċi hija li hemm saff ta’ massa addizzjonali u inviżibbli, jiġifieri l-materja skura.

1.2 Lenti gravitazzjonali

Gravitazzjonali lenti huwa l-kapaċità ta’ oġġetti massivi li jgħawġu d-dawl, kif deskritt fit-teorija tar-relattività ġenerali ta’ Einstein. Meta jiġu osservati raggruppamenti ta’ galassji, jidher li l-effett tagħhom fuq l-immaġni ta’ galassji aktar imbiegħda (il-lenti) huwa ferm aktar qawwi milli jista’ jiġi spjegat bil-materja viżibbli biss. Biex jiġi spjegat dan l-effett, hija meħtieġa massa addizzjonali - għal darb’oħra, dan jindika l-materja skura.

Eżempju famuż ta’ dan huwa l-hekk imsejjaħ ħabta tal-Bullet Cluster, li fiha żewġ għenieqed ta’ galassji għaddew minn ġo xulxin. Il-gassijiet sħan (viżibbli fil-medda tar-raġġi X) tnaqqsu minħabba l-interazzjonijiet, filwaqt li l-aktar influwenza gravitazzjonali qawwija kompliet timxi ’l quddiem. Dan jissuġġerixxi li parti mill-massa kważi ma tinteraġixxix b’mod elettromanjetiku (jiġifieri, ma taħbatx ma’ xulxin bħalma jagħmel il-gass ordinarju), iżda għandha effett gravitazzjonali sinifikanti.

1.3 Osservazzjonijiet kożmoloġiċi u l-formazzjoni tal-istruttura

Meta jħarsu lejn ir-radjazzjoni kożmika tal-isfond tal-mikromewġ (angl. Cosmic Microwave Background, CMB) - ir-“rifless” tal-Big Bang - ix-xjentisti josservaw irregolaritajiet fid-densità. Kienu proprju dawn l-irregolaritajiet li maż-żmien kibru u saru l-galassji u l-għenieqed li naraw illum. Simulazzjonijiet kompjuterizzati tal-formazzjoni tal-istruttura tal-Univers juru li mingħajr materja skura l-iżvilupp ta’ dawn iż-“żrieragħ” tad-densità sad-daqsijiet attwali jkun diffiċli ferm biex jiġi spjegat jew saħansitra impossibbli. Mingħajr materja skura, il-formazzjoni ta’ strutturi tal-materja b’varjazzjonijiet kbar (galassji, għenieqed ta’ galassji) minn Univers bikri kważi omoġenju tkun bil-mod wisq.

2. L-idea proposta: l-attrazzjoni kollettiva tal-materja kollha

Il-ħsieb “forsi l-materja skura hija biss l-attrazzjoni gravitazzjonali reċiproka ta’ dak kollu li jeżisti” mal-ewwel daqqa t’għajn jidher attraenti. Wara kollox, il-gravità taġixxi fuq distanzi bla limitu; kemm-il darba żewġ oġġetti fl-Univers ikunu ’l bogħod minn xulxin, xorta jiġbdu lil xulxin. Jekk nimmaġinaw għadd bla qies ta’ stilel u galassji, forsi l-effett kollettiv tal-attrazzjoni tagħhom jista’ jispjega dik il-massa addizzjonali.

2.1 Attrazzjoni intuwittiva

1. Spjegazzjoni unifikata tal-gravità: Sa ċertu punt, din tidher bħala idea li tgħaqqad kollox. Minflok ma nintroduċu tip ġdid ta’ materja, nistgħu ngħidu li qed nosservaw biss l-effett kollettiv tal-materja magħrufa għalina.
2. Sempliċità: Għal ħafna nies huwa attraenti li jaħsbu li teżisti biss materja barjonika (ordinarja) u xejn aktar. Forsi sa issa sempliċement ma qisniex il-gravità totali ta’ din il-materja kollha, speċjalment fuq skali kbar.

Madankollu, din l-ipoteżi tiffaċċja sfidi serji meta tiġi applikata għal dejta preċiża ta’ osservazzjonijiet u għal teoriji tal-fiżika ttestjati sew. Ejja naraw fejn joħorġu l-problemi.

3. Għaliex il-gravità reċiproka tal-materja magħrufa biss mhijiex biżżejjed

3.1 Gravità konvenzjonali kontra dik modifikata

It-tentattivi biex jiġu spjegati l-fenomeni kożmiċi mingħajr materja skura spiss jaqgħu fil-qasam tat-teoriji tal-“gravità modifikata”. Minflok ma tiġi introdotta tip ġdid ta’ materja, huwa propost li jiġu aġġustati l-liġijiet tal-gravità fuq skala universali. Wieħed mill-aktar eżempji magħrufa huwa MOND (angl. Modified Newtonian Dynamics). MOND tgħid li f’reġjuni ta’ aċċelerazzjonijiet estremament żgħar (pereżempju, fil-periferiji tal-galassji) il-gravità taħdem b’mod differenti minn kif ibassru Newton jew Einstein.

Kieku l-gravità ġenerali tal-materja kollha tal-Univers kienet dik il-forza li bi żball insejħu materja skura, essenzjalment ikollha taġixxi bħal xi verżjoni ta’ gravità modifikata. Dawk li jappoġġjaw teoriji bħal MOND jippruvaw jispjegaw il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji u fenomeni oħra. Madankollu, għalkemm MOND tista’ taqbel ma’ xi osservazzjonijiet (pereżempju, il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji), hija diffiċli biex tkun konsistenti ma’ fatti oħra (pereżempju, id-dejta tal-lenti gravitazzjonali tal-Bullet Cluster).

Għalhekk, kwalunkwe teorija li ssostni li l-“materja skura” hija kkawżata biss mill-gravità ġenerali tal-materja ordinarja jkollha tispjega b’suċċess mhux biss il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji, iżda wkoll il-lenti gravitazzjonali, il-ħabtiet tal-gruppi u l-formazzjoni tal-istruttura fuq skala kbira. S’issa, l-ebda teorija alternattiva ma ssostitwiet b’mod sħiħ l-ipoteżi tal-materja skura b’tali mod li taqbel mal-osservazzjonijiet kollha.

3.2 Il-liġi tal-invers tal-kwadru u l-iskali kożmiċi

Il-forza tal-gravità tiddgħajjef bil-kwadru hekk kif tiżdied id-distanza (skont il-liġi universali ta’ Newton tal-gravità). Fuq skali kożmiċi teżisti attrazzjoni reali, għalkemm żgħira, ta’ galassji, gruppi u filamenti mbiegħda, iżda din il-forza tonqos pjuttost malajr mad-distanza. Id-dejta tal-osservazzjonijiet turi li l-materja viżibbli (barjonika) waħedha mhijiex biżżejjed u mhijiex distribwita b’tali mod li toħloq l-effetti gravitazzjonali attribwiti lill-materja skura.

Jekk nippruvaw niġbru l-materja viżibbli kollha tal-Univers u nikkalkulaw l-effett gravitazzjonali tagħha fuq skali kożmiċi differenti, jirriżulta li xorta ma nistgħux nirriproduċu l-kurvi reali tar-rotazzjoni tal-galassji, l-effetti tal-lenti jew il-veloċità tal-formazzjoni tal-istruttura. Fi kliem sempliċi, f’Univers li fih teżisti biss materja barjonika, il-forza gravitazzjonali tkun dgħajfa wisq biex tispjega l-effett osservat.

3.3 Il-Bullet Cluster u d-distribuzzjoni tal-massa “nieqsa”

Il-Bullet Cluster huwa eżempju partikolarment impressjonanti. Meta żewġ gruppi ta’ galassji ħabtu, il-materja ordinarja (l-aktar gass jaħraq) tnaqqset minħabba l-interazzjoni, filwaqt li l-parti l-oħra tal-massa - maħsuba li hija materja skura - li kważi ma tinteraġixxix, għaddiet mill-ħabta mingħajr ma tnaqqset. Id-dejta tal-lenti gravitazzjonali turi li l-biċċa l-kbira tal-massa “telqet” ’il quddiem, u ħalliet il-gass luminuż warajha.

Jekk il-massa nieqsa nispjegawha sempliċement bħala l-materja kollha tal-Univers, wieħed għandu jistenna li d-distribuzzjoni tal-massa tikkoinċidi aktar mal-materja viżibbli (imnaqqsa mill-gass). Madankollu, id-distakk osservat bejn il-gass viżibbli u l-massa attiva gravitazzjonalment juri li teżisti materja addizzjonali li ma tinteraġixxix elettromanjetikament - materja skura.

4. “Il-gravità tal-materja kollha” u l-kożmoloġija

4.1 Ir-restrizzjonijiet min-nukleosinteżi tal-Big Bang

Fl-Univers bikri ffurmaw l-eħfef elementi kimiċi – l-idroġenu, l-elju u ftit litju. Dan il-proċess jissejjaħ nukleosinteżi tal-Big Bang (bl-Ingliż Big Bang Nucleosynthesis, BBN). L-abbundanza tal-elementi ħfief tiddependi b’mod sensittiv fuq id-densità tal-materja barjonika kollha (ordinarja). Meta nosservaw ir-radjazzjoni kożmika tal-isfond tal-microwave u nanalizzaw il-proporzjonijiet ta’ dawn l-elementi, jidher li fl-Univers ma jistax ikun hemm wisq materja barjonika – inkella jkollna nikkontradixxu l-ammonti osservati tal-elju jew tad-dewterju. Fil-qosor, il-BBN turi li l-materja ordinarja tikkostitwixxi madwar 5% tal-bilanċ tal-enerġija u l-materja tal-Univers.

4.2 Kejl tar-radjazzjoni kożmika tal-isfond tal-microwave

Dejta b’riżoluzzjoni għolja, miksuba minn satelliti bħal COBE, WMAP u Planck, ippermettiet lill-kosmologi jiddeterminaw il-fluttwazzjonijiet fit-temperatura tas-CMB bi preċiżjoni straordinarja. In-natura ta’ dawn il-fluttwazzjonijiet, b’mod partikolari l-ispettru tal-qawwa angolari tagħhom, tagħti l-possibbiltà li tiġi stmata d-densità ta’ komponenti differenti (materja skura, enerġija skura u materja barjonika). Dan il-kejl jaqbel tajjeb ħafna mal-mudell kożmoloġiku li fih il-materja skura hija komponent separat u mhux barjoniku. Kieku l-effett gravitazzjonali li bħalissa nattribwixxu lill-materja skura kien biss l-attrazzjoni ġenerali tal-materja viżibbli, l-ispettru tal-qawwa tas-CMB kien jidher kompletament differenti.

5. Hemm mod ieħor kif ngħidu li l-materja skura hija biss “gravità”?

L-idea “x’jiġri kieku l-materja skura fil-fatt kienet biss imperfezzjoni fil-liġijiet tal-gravità?” wasslet għal diversi teoriji tal-gravità modifikata. Dawn jipproponu li jiġu kkoreġuti t-teorija ġenerali tar-relatività ta’ Einstein jew id-dinamika ta’ Newton fuq skala galattika u akbar, xi kultant billi joffru bażi matematika pjuttost kumplessa. Teoriji bħal dawn jippruvaw jispjegaw il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji u l-lenti tal-għaqdiet mingħajr partiċelli addizzjonali inviżibbli.

L-isfidi ewlenin għat-teoriji tal-gravità modifikata:

  • L-adattament: Il-gravità trid tiġi aġġustata fuq skala galattika, iżda fl-istess ħin trid tibqa’ konsistenti mal-osservazzjonijiet tas-Sistema Solari u mat-teorija ġenerali tar-relatività, li ġiet ikkonfermata bi preċiżjoni kbira minn bosta esperimenti.
  • Il-formazzjoni tal-istrutturi: It-teoriji għandhom jispjegaw mhux biss il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji, iżda wkoll il-formazzjoni tal-istrutturi tal-Univers mill-ewwel żminijiet sal-lum, b’konformità mal-osservazzjonijiet f’epoki differenti.
  • Effetti relativisti: Meta jinbidel il-liġi tal-gravità, huwa meħtieġ li ma jkunx hemm kontradizzjonijiet ma’ fenomeni bħall-lenti gravitazzjonali jew mad-dejta tal-Bullet Cluster.

Għalkemm il-“Materja Dlam Bierda Lambda” (bl-Ingliż ΛCDM) - il-mudell kożmoloġiku standard attwali, li fih jeżistu kemm il-materja dlam kif ukoll l-enerġija dlam (Λ), għandu ċerti nuqqasijiet, s’issa l-ebda teorija tal-gravità modifikata ma rnexxielha tispjega l-osservazzjonijiet kollha b’suċċess daqs ΛCDM.

6. Konklużjoni

L-idea li l-materja dlam tista’ tkun sempliċement l-attrazzjoni gravitazzjonali reċiproka tal-materja kollha tal-Univers hija interessanti. Hija taqbel max-xewqa li nfittxu spjegazzjoni aktar sempliċi, li ma teħtieġx kunċett ta’ materja ġdida u inviżibbli. Essenzjalment, dan jirrifletti l-fehma antika tax-xjenza u tal-filosofija li, bl-leħja ta’ Occam, għandna neħilsu mill-ipoteżijiet bla bżonn.

Madankollu, għexieren ta’ snin ta’ osservazzjonijiet astronomiċi u kożmoloġiċi juru li l-ammont totali tal-materja magħrufa waħdu ma jispjegax il-problema tal-“massa nieqsa”. Il-kurvi ta’ rotazzjoni tal-galassji, id-dejta tal-lenti gravitazzjonali, ir-rati tal-formazzjoni tal-istruttura fuq skala kbira, il-kejl tar-radjazzjoni kożmika tal-isfond tal-mikromewġ, u r-restrizzjonijiet tan-nukleosinteżi tal-Big Bang - kollha jissuġġerixxu li teżisti tip ta’ materja li tinsab barra u addizzjonalment mal materja li nafuha. Barra minn hekk, il-Bullet Cluster u osservazzjonijiet simili juru li l-massa inviżibbli ġġib ruħha b’mod differenti mill-materja ordinarja (pereżempju, billi tipparteċipa ftit f’interazzjonijiet oħra, mhux gravitazzjonali).

Madankollu, il-kożmoloġija hija qasam xjentifiku li qed jiżviluppa kontinwament. Osservazzjonijiet ġodda - mill-mewġ gravitazzjonali sa mapep aktar preċiżi tad-distribuzzjoni tal-galassji u analiżi saħansitra aħjar tas-CMB - qegħdin kontinwament itejbu l-fehim tagħna. Għalissa, il-biċċa l-kbira tad-dejta ta’ osservazzjoni tindika li l-materja dlam tassew teżisti bħala tip separat u mhux barjoniku ta’ materja. Madankollu, il-ħsieb miftuħ u l-attenzjoni għal dejta mhux mistennija jibqgħu importanti ħafna - ix-xjenza timxi ’l quddiem meta l-ipoteżijiet jiġu ttestjati u mibdula meta ma jaqblux ma’ fatti ġodda.

Bħalissa, l-osservazzjonijiet jappoġġaw l-aktar l-idea li l-materja dlam hija komponent reali u fiżiku. Madankollu, li nistaqsu “imma forsi teżisti alternattiva?” ifisser li nżommu l-ispirtu tal-kurżità xjentifika, li huwa partikolarment meħtieġ biex nifhmu l-misteri tal-Univers.

Aktar qari

  • Il-Materja Dlam fl-Univers – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
  • Il-Bullet Cluster bħala Evidenza Kontra l-Gravità Modifikata – pubblikazzjonijiet ta’ osservazzjonijiet minn bosta awturi, pereżempju Clowe et al.
  • Ittestjar tat-Tbassir ta’ MOND – diversi studji tal-kurvi ta’ rotazzjoni tal-galassji (pereżempju, xogħlijiet ta’ Stacy McGaugh u l-kollaboraturi).
  • Osservazzjonijiet tal-Parametri Kożmoloġiċi – dejta tal-missjonijiet Planck, WMAP, COBE.
Grįžti į tinklaraštį