Hva om mørk materie bare er universets gjensidige gravitasjonskraft?
En grundig undersøkelse av en spennende tanke
Mørk materie er en av de største gåtene i moderne kosmologi og astrofysikk. Observasjoner som omfatter galaksers rotasjonskurver, gravitasjonslinser og dannelsen av store strukturer, viser at det finnes en form for materie i universet som ikke samhandler med lys – derfor kalt "mørk". Basert på Newtons og Einsteins gravitasjonsforståelse utgjør synlig, "vanlig" materie (protoner, nøytroner, elektroner) bare omtrent 5 % av universets totale energi- og materiebalanse, mens mørk materie utgjør omtrent 27 % (resten er mørk energi).
Men hva om denne manglende massen ikke eksisterer i det hele tatt? Kanskje det bare er et resultat av universets gjensidige gravitasjonseffekt: små gravitasjonsbidrag fra alle stjerner, planeter og gasspartikler som til sammen skaper fenomener vi forklarer som "mørk materie". Det er en spennende tanke: kan vi forkaste begrepet mørk materie som en egen komponent og forklare alt med den samlede gravitasjonseffekten fra synlig materie i stor skala?
I denne artikkelen skal vi grundig utforske denne ideen – vi vil gjennomgå bevisene for mørk materies eksistens, vitenskapelige forsøk på å forklare dette fenomenet, og hvorfor tanken "det er bare gravitasjon fra alt som eksisterer" både er tiltalende og dessverre utilstrekkelig når man ser på detaljerte observasjonsdata.
1. Bevis for mørk materies eksistens
1.1 Galaksers rotasjonskurver
Et av de første klare bevisene for mørk materies eksistens er målinger av stjernenes banehastigheter i galaksenes ytterkanter. Ifølge Newtons mekanikk burde stjernenes banehastighet i galaksens ytterkant avta med økende avstand fra sentrum – på samme måte som planetenes hastighet i vårt solsystem avtar jo lenger de er fra solen.
Astronomer har imidlertid observert at stjernene i de fjerneste områdene av spiralgalakser beveger seg mye raskere enn det vanlige beregninger skulle tilsi. Dette fenomenet, kalt "flate rotasjonskurver", indikerer at det finnes mye mer masse enn det vi kan fastslå ut fra elektromagnetisk stråling (lys i ulike bølgelengder). Hvis galaksen kun besto av synlig materie (stjerner, gass, støv), burde banene til de fjerneste stjernene være langsommere. Den enkleste forklaringen er derfor at det finnes et ekstra lag med usynlig masse, altså mørk materie.
1.2 Gravitasjonslinser
Gravitasjonslinser er massive objekters evne til å bøye lys, som beskrevet i Einsteins generelle relativitetsteori. Når man observerer galaksehoper, ser man at deres effekt på bildet av fjernere galakser (linseeffekt) er mye sterkere enn det som kan forklares med bare synlig materie. For å forklare denne effekten trengs ekstra masse – noe som igjen peker på mørk materie.
Et kjent eksempel er den såkalte Bullet Cluster-kollisjonen, hvor to galaksehoper passerte gjennom hverandre. De varme gassene (synlige i røntgenområdet) ble bremset ned på grunn av interaksjoner, mens den sterkeste gravitasjonspåvirkningen flyttet seg videre. Dette antyder at en del av massen nesten ikke interagerer elektromagnetisk (det vil si at den ikke kolliderer som vanlig gass), men har en betydelig gravitasjonseffekt.
1.3 Kosmologiske observasjoner og strukturdannelse
Når vi ser på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (engelsk Cosmic Microwave Background, CMB) – «refleksen» av Big Bang, observerer forskere tetthetsvariasjoner. Det er nettopp disse variasjonene som over tid vokste til galakser og klynger vi ser i dag. Simuleringer av universets strukturdannelse viser at uten mørk materie ville utviklingen av slike tetthets «frø» til dagens størrelser vært ekstremt vanskelig å forklare eller til og med umulig. Uten mørk materie ville det være altfor langsomt for en svært ujevn materiestruktur (galakser, galaksehoper) å dannes fra det nesten homogene tidlige universet.
2. Foreslått idé: felles gravitasjon mellom all materie
Tanken «kanskje mørk materie bare er den gjensidige gravitasjonskraften mellom alt som eksisterer» virker ved første øyekast tiltalende. Gravitasjon virker tross alt over ubegrensede avstander; uansett hvor langt to objekter i universet er fra hverandre, tiltrekker de fortsatt hverandre. Hvis vi forestiller oss et utall stjerner og galakser, kan kanskje den samlede gravitasjonskraften deres forklare den ekstra massen.
2.1 Intuitiv tiltrekning
1. Enhetlig forklaring på gravitasjon: Delvis virker dette som en forenende idé. I stedet for å introdusere en ny type materie, kunne vi hevde at vi bare observerer den kollektive effekten av materie vi allerede kjenner til.
2. Forekomst: Mange finner det tiltalende å tro at det kun eksisterer barionisk (vanlig) materie og ingenting mer. Kanskje har vi til nå undervurdert den samlede gravitasjonen til all denne materien, spesielt på store skalaer.
Men denne hypotesen møter alvorlige utfordringer når den anvendes på presise observasjonsdata og godt testede fysikkteorier. La oss se hvor problemene oppstår.
3. Hvorfor gravitasjonen mellom kun kjent materie ikke er nok
3.1 Vanlig versus modifisert gravitasjon
Forsøk på å forklare kosmiske fenomener uten mørk materie havner ofte innenfor "modifisert gravitasjon"-teorier. I stedet for å introdusere en ny type materie, foreslås det å justere gravitasjonslovene på universets skala. Et av de mest kjente eksemplene er MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND hevder at i områder med svært lave akselerasjoner (for eksempel i galaksers ytterkanter) oppfører gravitasjonen seg annerledes enn det Newton eller Einstein forutsier.
Hvis den generelle gravitasjonen fra all materie i universet var den kraften vi feilaktig kaller mørk materie, måtte den i praksis fungere som en form for modifisert gravitasjon. Tilhengere av MOND og lignende teorier prøver å forklare galaksers rotasjonskurver og andre fenomener. Likevel passer MOND, selv om det kan forklare noen observasjoner (for eksempel galaksers rotasjonskurver), dårlig med andre fakta (for eksempel gravitasjonslinseeffektene i Bullet Cluster).
Derfor må enhver teori som hevder at "mørk materie" skyldes kun den generelle gravitasjonen fra vanlig materie, kunne forklare ikke bare galaksers rotasjonskurver, men også linseeffekter, kollisjoner mellom hoper og dannelsen av store strukturer. Så langt har ingen alternativ teori fullstendig erstattet hypotesen om mørk materie slik at den stemmer overens med alle observasjoner.
3.2 Den inverse kvadratlov og kosmiske skalaer
Gravitasjonskraften avtar med kvadratet av avstanden (i henhold til Newtons gravitasjonslov). På kosmiske skalaer eksisterer det en reell, om enn svak, tiltrekning mellom fjerne galakser, hoper og filamenter, men denne kraften avtar ganske raskt med avstand. Observasjonsdata viser at bare synlig (barionisk) materie ikke er nok, og den er ikke fordelt på en måte som kan skape de gravitasjonseffektene som tilskrives mørk materie.
Hvis vi prøvde å legge sammen all synlig materie i universet og beregne dens gravitasjonseffekt på ulike kosmiske skalaer, ville det vise seg at vi fortsatt ikke kan gjenskape de faktiske rotasjonskurvene til galakser, linseeffektene eller hastigheten på strukturformasjon. Enkelt sagt, i et univers bestående kun av barionisk materie, ville gravitasjonskraften være for svak til å forklare de observerte effektene.
3.3 Bullet Cluster og fordelingen av "forsvunnet" masse
Bullet Cluster er et spesielt tydelig eksempel. Når to galaksehoper kolliderer, blir den vanlige materien (for det meste varm gass) bremset på grunn av interaksjon, mens den andre – nesten ikke-interagerende – massedelen (antatt å være mørk materie) passerer gjennom kollisjonen uten å bli bremset. Data fra gravitasjonslinseeffekter viser at mesteparten av massen "trakk seg tilbake" lenger bort, bak den lysende gassen.
Hvis den manglende massen forklares bare med all materie i universet, burde massedistribusjonen samsvare bedre med synlig materie (gass som bremser). Men det observerte gapet mellom synlig gass og gravitasjonsaktiv masse viser at det finnes ekstra materie som ikke samhandler elektromagnetisk – mørk materie.
4. «Gravitasjonen til all materie» og kosmologi
4.1 Begrensninger for Big Bang-nukleosyntese
I det tidlige universet ble de letteste grunnstoffene dannet – hydrogen, helium og litt litium. Denne prosessen kalles Big Bang-nukleosyntese (engelsk Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Mengden av lette grunnstoffer avhenger sensitivt av den totale tettheten av barionisk (vanlig) materie. Ved å observere den kosmiske bakgrunnsstrålingen og studere forholdet mellom disse elementene, ser man at det ikke kan være for mye barionisk materie i universet – ellers ville det stride mot de observerte mengdene helium og deuterium. Kort sagt viser BBN at vanlig materie utgjør omtrent 5 % av universets energi- og materiebalanse.
4.2 Målinger av kosmisk bakgrunns-mikrobølgestråling
Høytoppløselige data fra satellitter som COBE, WMAP og Planck har gjort det mulig for kosmologer å bestemme CMB-temperaturfluktuasjoner med ekstrem presisjon. Naturen til disse fluktuasjonene, spesielt deres vinkelspektre, gir mulighet til å estimere tettheten av ulike komponenter (mørk materie, mørk energi og barionisk materie). Disse målingene stemmer svært godt overens med en kosmologisk modell der mørk materie er en separat, ikke-barionisk komponent. Hvis gravitasjonseffekten vi nå tilskriver mørk materie bare var den samlede tyngdekraften fra synlig materie, ville CMB-spektret sett helt annerledes ut.
5. Finnes det en annen måte å si at mørk materie bare er «gravitasjon»?
Tanken «hva om mørk materie egentlig bare er en ufullkommenhet i gravitasjonslovene?» har ført til ulike modifiserte gravitasjonsteorier. De foreslår å korrigere Einsteins generelle relativitetsteori eller Newtons dynamikk på galaktisk og større skala, noen ganger med et ganske komplisert matematisk grunnlag. Slike teorier prøver å forklare galaksers rotasjonskurver og klynge-linsing uten ekstra, usynlige partikler.
Hovedutfordringer for modifiserte gravitasjonsteorier:
- Tilpasning: Det er nødvendig å justere gravitasjonen på galaksskala, samtidig som man forblir i samsvar med observasjoner i solsystemet og den generelle relativitetsteorien, som mange eksperimenter allerede har bekreftet med høy presisjon.
- Strukturdannelse: Teorier må forklare ikke bare galaksers rotasjonskurver, men også dannelsen av universets strukturer fra tidlige tider til i dag, i samsvar med observasjoner på ulike tidspunkter.
- Relativistiske effekter: Ved endring av gravitasjonsloven må man ikke stride mot fenomener som gravitasjonslinser eller data fra Bullet Cluster.
Selv om «Lambda kald mørk materie» (engelsk ΛCDM) – den nåværende standard kosmologiske modellen som inkluderer både mørk materie og mørk energi (Λ) – har visse svakheter, har ingen modifisert gravitasjonsteori så langt klart å forklare alle observasjoner like vellykket som ΛCDM.
6. Konklusjon
Ideen om at mørk materie bare kan være den gjensidige gravitasjonskraften mellom all materie i universet – er interessant. Den samsvarer med ønsket om å finne en enklere forklaring som ikke krever en ny, usynlig materiekonsept. Dette resonnerer i bunn og grunn med den gamle vitenskapelige og filosofiske regelen om at Occams barberkniv bør brukes for å kvitte seg med unødvendige hypoteser.
Men tiår med astronomiske og kosmologiske observasjoner viser at bare mengden kjent materie ikke forklarer «manglende masse»-problemet. Galaksers rotasjonskurver, data om gravitasjonslinser, hastigheten på dannelsen av store strukturer, målinger av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen og begrensninger fra Big Bang-nukleosyntese – alle tyder på at det finnes en materietype som er utenfor og i tillegg til den materien vi kjenner til. Enda mer, Bullet Cluster og lignende observasjoner viser at usynlig masse oppfører seg annerledes enn vanlig materie (for eksempel deltar den lite i andre, ikke-gravitasjonelle interaksjoner).
Kosmologi er likevel et stadig utviklende vitenskapsfelt. Nye observasjoner – fra gravitasjonsbølger til mer presise kart over galaksers fordeling og enda bedre analyse av CMB – forbedrer kontinuerlig vår forståelse. Så langt viser mesteparten av observasjonsdataene at mørk materie virkelig eksisterer som en separat, ikke-barionisk materietype. Åpenhet i tankegangen og årvåkenhet for uventede data forblir imidlertid svært viktig – vitenskapen går fremover når hypoteser testes og endres når de ikke stemmer med nye fakta.
Foreløpig støtter observasjonene mest ideen om at mørk materie er en ekte, fysisk komponent. Likevel er det å spørre «finnes det kanskje et alternativ likevel?» å opprettholde ånden av vitenskapelig nysgjerrighet, som er spesielt nødvendig for å forstå universets mysterier.
Videre lesning
- Mørk materie i universet – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- The Bullet Cluster som bevis mot modifisert gravitasjon – publikasjoner med observasjoner fra flere forfattere, f.eks. Clowe et al.
- Testing av MOND-forutsigelser – ulike studier av galaksers rotasjonskurver (for eksempel arbeider av Stacy McGaugh og medforfattere).
- Observasjoner av de kosmologiske parameterne – data fra Planck, WMAP, COBE-oppdragene.