Co jeśli ciemna materia to tylko wzajemne przyciąganie grawitacyjne całego Wszechświata?
Szczegółowe badanie intrygującej myśli
Ciemna materia jest jedną z największych tajemnic współczesnej kosmologii i astrofizyki. Obserwacje obejmujące krzywe rotacji galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne i formowanie się dużych struktur wskazują, że we Wszechświecie istnieje forma materii, która nie oddziałuje ze światłem – stąd nazwa „ciemna”. Według pojęć grawitacji Newtona i Einsteina widoczna, „zwykła” materia (protony, neutrony, elektrony) stanowi tylko około 5% całkowitej energii i materii Wszechświata, a ciemna materia około 27% (pozostałą część stanowi ciemna energia).
A co, jeśli tej brakującej masy wcale nie ma? Być może to tylko efekt wzajemnego przyciągania we Wszechświecie: niewielkie wkłady grawitacyjne wszystkich gwiazd, planet i cząstek gazu, które w sumie tworzą zjawiska, które interpretujemy jako „ciemną materię”. To intrygująca myśl: czy moglibyśmy zrezygnować z pojęcia ciemnej materii jako oddzielnego składnika i wyjaśnić wszystko jedynie wspólnym wpływem grawitacji widocznej materii na ogromną skalę?
W tym artykule szczegółowo zbadamy tę ideę – przejrzymy dowody na istnienie ciemnej materii, naukowe próby wyjaśnienia tego zjawiska oraz dlaczego myśl „to po prostu grawitacja wszystkiego, co istnieje” jest jednocześnie atrakcyjna i niestety niewystarczająca, biorąc pod uwagę szczegółowe dane obserwacyjne.
1. Dowody na istnienie ciemnej materii
1.1 Krzywe rotacji galaktyk
Jednym z pierwszych wyraźnych dowodów na istnienie ciemnej materii były pomiary prędkości orbit gwiazd na obrzeżach galaktyk. Zgodnie z mechaniką Newtona prędkość orbit gwiazd na obrzeżach galaktyki powinna maleć wraz ze wzrostem odległości od centrum – podobnie jak prędkość planet w naszym Układzie Słonecznym maleje wraz z oddalaniem się od Słońca.
Jednak astronomowie zauważyli, że gwiazdy w spiralnych galaktykach w najdalszych regionach poruszają się znacznie szybciej, niż przewidywałyby standardowe obliczenia. Zjawisko to, zwane „płaskimi krzywymi rotacji”, wskazuje, że istnieje znacznie więcej masy, niż możemy określić na podstawie promieniowania elektromagnetycznego (światła o różnych długościach fal). Gdyby w galaktyce istniała tylko widoczna materia (gwiazdy, gaz, pył), orbity odległych gwiazd powinny być wolniejsze. Najprostsze wyjaśnienie to istnienie dodatkowej, niewidocznej warstwy masy, czyli ciemnej materii.
1.2 Soczewkowanie grawitacyjne
Soczewkowanie grawitacyjne to zdolność masywnych obiektów do zakrzywiania światła, jak opisano w ogólnej teorii względności Einsteina. Obserwując gromady galaktyk, widać, że ich wpływ na obraz dalszych galaktyk (soczewkowanie) jest znacznie silniejszy niż można wyjaśnić samą widoczną materią. Aby wyjaśnić ten efekt, potrzebna jest dodatkowa masa – ponownie wskazuje się na ciemną materię.
Znanym przykładem jest tzw. zderzenie Bullet Cluster, w którym dwie gromady galaktyk przeszły obok siebie. Gorące gazy (widoczne w zakresie promieni rentgenowskich) zostały spowolnione przez interakcje, a najsilniejszy wpływ grawitacyjny przesunął się dalej. To sugeruje, że część masy prawie nie oddziałuje elektromagnetycznie (tzn. nie zderza się jak zwykłe gazy), ale ma znaczący wpływ grawitacyjny.
1.3 Obserwacje kosmologiczne i formowanie się struktury
Patrząc na kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (ang. Cosmic Microwave Background, CMB) – „echo” Wielkiego Wybuchu, naukowcy obserwują nierówności gęstości. To właśnie te nierówności z czasem przekształciły się w galaktyki i gromady, które widzimy dzisiaj. Symulacje komputerowe formowania się struktury Wszechświata pokazują, że bez ciemnej materii rozwój takich „nasion” gęstości do obecnych rozmiarów byłby niezwykle trudny do wyjaśnienia lub wręcz niemożliwy. Bez ciemnej materii formowanie się bardzo nierównomiernej struktury materii (galaktyk, gromad galaktyk) z prawie jednorodnego wczesnego Wszechświata byłoby zbyt powolne.
2. Proponowana idea: wspólne przyciąganie całej materii
Myśl „a może ciemna materia to po prostu wzajemne przyciąganie grawitacyjne wszystkiego, co istnieje” na pierwszy rzut oka wydaje się atrakcyjna. W końcu grawitacja działa na nieograniczone odległości; bez względu na to, jak daleko od siebie znajdują się dwa obiekty we Wszechświecie, nadal się przyciągają. Jeśli wyobrazimy sobie niezliczoną ilość gwiazd i galaktyk, być może ich łączny wpływ przyciągania mógłby wyjaśnić tę dodatkową masę.
2.1 Intuicyjna atrakcyjność
1. Jednolite wyjaśnienie grawitacji: Częściowo wydaje się to być jednoczącą ideą. Zamiast wprowadzać nowy typ materii, moglibyśmy stwierdzić, że obserwujemy jedynie zbiorowy wpływ materii nam znanej.
2. Prostota: Wielu osobom wydaje się atrakcyjne przekonanie, że istnieje tylko barionowa (zwykła) materia i nic więcej. Być może do tej pory po prostu nie doceniliśmy ogólnej grawitacji tej materii, zwłaszcza na dużą skalę.
Jednak ta hipoteza napotyka poważne wyzwania, gdy stosuje się ją do precyzyjnych danych obserwacyjnych i dobrze sprawdzonych teorii fizycznych. Spójrzmy, gdzie pojawiają się problemy.
3. Dlaczego sama znana grawitacja materii nie wystarcza
3.1 Klasyczna kontra zmodyfikowana grawitacja
Próby wyjaśnienia zjawisk kosmicznych bez ciemnej materii często należą do obszaru teorii „zmodyfikowanej grawitacji”. Zamiast wprowadzać nowy rodzaj materii, proponuje się korektę praw grawitacji na skalę Wszechświata. Jednym z najsłynniejszych przykładów jest MOND (ang. Modified Newtonian Dynamics). MOND twierdzi, że w obszarach o bardzo małych przyspieszeniach (np. na obrzeżach galaktyk) grawitacja działa inaczej niż przewidują Newton czy Einstein.
Gdyby ogólna grawitacja całej materii Wszechświata była siłą błędnie nazywaną ciemną materią, zasadniczo musiałaby działać jako pewna wersja zmodyfikowanej grawitacji. Zwolennicy MOND i podobnych teorii starają się wyjaśnić krzywe rotacji galaktyk i inne zjawiska. Jednak MOND, choć może pasować do niektórych obserwacji (np. krzywych rotacji galaktyk), słabo zgadza się z innymi faktami (np. danymi z soczewkowania grawitacyjnego Bullet Cluster).
Dlatego każda teoria twierdząca, że „ciemna materia” wynika wyłącznie z ogólnej grawitacji zwykłej materii, musiałaby skutecznie wyjaśniać nie tylko krzywe rotacji galaktyk, ale także soczewkowanie, zderzenia gromad i formowanie się dużych struktur. Jak dotąd żadna alternatywna teoria nie zastąpiła w pełni hipotezy ciemnej materii, aby odpowiadać wszystkim obserwacjom.
3.2 Prawo odwrotności kwadratu i skale kosmiczne
Siła grawitacji słabnie z kwadratem odległości (zgodnie z prawem powszechnego ciążenia Newtona). Na skalach kosmicznych istnieje rzeczywista, choć niewielka, siła przyciągania odległych galaktyk, gromad i filamentów, jednak ta siła dość szybko maleje wraz z odległością. Dane obserwacyjne pokazują, że sama widoczna (barionowa) materia nie wystarcza i nie jest rozmieszczona w sposób, który tworzyłby efekty grawitacyjne przypisywane ciemnej materii.
Gdybyśmy spróbowali zsumować całą widoczną materię Wszechświata i obliczyć jej wpływ grawitacyjny na różnych skalach kosmicznych, okazałoby się, że nadal nie możemy odtworzyć rzeczywistych krzywych rotacji galaktyk, efektów soczewkowania czy tempa formowania się struktur. Mówiąc prościej, we Wszechświecie złożonym wyłącznie z materii barionowej siła grawitacji byłaby zbyt słaba, by wyjaśnić obserwowane efekty.
3.3 Bullet Cluster i rozmieszczenie „zaginionej” masy
Bullet Cluster jest szczególnie wyraźnym przykładem. Podczas zderzenia dwóch gromad galaktyk zwykła materia (głównie gorący gaz) została spowolniona przez interakcję, podczas gdy inna – prawie nieoddziałująca – część masy (przypuszczalnie ciemna materia) skutecznie przebiła się przez zderzenie bez spowolnienia. Dane z soczewkowania grawitacyjnego pokazują, że większość masy "odsunęła się" dalej, pozostając w tyle za świecącym gazem.
Jeśli brakującą masę tłumaczyłaby po prostu cała materia Wszechświata, należałoby oczekiwać, że rozkład masy bardziej pokrywałby się z materią widzialną (spowolnioną przez gazy). Jednak obserwowany rozdźwięk między widocznym gazem a grawitacyjnie aktywną masą wskazuje na istnienie dodatkowej, nieelektromagnetycznie oddziałującej materii – ciemnej materii.
4. „Grawitacja całej materii” i kosmologia
4.1 Ograniczenia syntezy nukleosyntetycznej Wielkiego Wybuchu
We wczesnym Wszechświecie powstały najlżejsze pierwiastki chemiczne – wodór, hel i trochę litu. Proces ten nazywa się syntezą nukleosyntetyczną Wielkiego Wybuchu (ang. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Obfitość lekkich pierwiastków jest wrażliwie zależna od gęstości całej materii barionowej (zwykłej). Obserwacje kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła oraz badanie stosunków tych pierwiastków pokazują, że we Wszechświecie nie może być zbyt dużo materii barionowej – w przeciwnym razie obserwowane ilości helu czy deuteru byłyby sprzeczne. Krótko mówiąc, BBN wskazuje, że zwykła materia stanowi około 5% bilansu energii i materii Wszechświata.
4.2 Pomiar kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła
Dane o wysokiej rozdzielczości, uzyskane z satelitów takich jak COBE, WMAP i Planck, pozwoliły kosmologom niezwykle precyzyjnie określić fluktuacje temperatury CMB. Charakter tych fluktuacji, zwłaszcza ich kątowy spektrum mocy, umożliwia oszacowanie gęstości różnych składników (ciemnej materii, ciemnej energii i materii barionowej). Te pomiary bardzo dobrze zgadzają się z modelem kosmologicznym, w którym ciemna materia jest odrębnym, niebarionowym składnikiem. Gdyby wpływ grawitacji, który obecnie przypisujemy ciemnej materii, był jedynie wspólnym przyciąganiem materii widzialnej, spektrum mocy CMB wyglądałoby zupełnie inaczej.
5. Czy istnieje inny sposób, by powiedzieć, że ciemna materia to po prostu „grawitacja”?
Idea „a co jeśli ciemna materia to tak naprawdę niedoskonałość praw grawitacji?” zainspirowała różne zmodyfikowane teorie grawitacji. Proponują one poprawki do Ogólnej Teorii Względności Einsteina lub dynamiki Newtona na skalę galaktyczną i większą, czasem oferując dość skomplikowane podstawy matematyczne. Takie teorie próbują wyjaśnić krzywe rotacji galaktyk oraz soczewkowanie gromad bez dodatkowych, niewidocznych cząstek.
Główne wyzwania dla zmodyfikowanych teorii grawitacji:
- Dopasowanie: Konieczne jest korygowanie grawitacji na skalę galaktyk, ale jednocześnie pozostanie zgodnym z obserwacjami Układu Słonecznego oraz ogólną teorią względności, którą potwierdziło wiele eksperymentów z dużą precyzją.
- Formowanie się struktur: Teorie muszą wyjaśniać nie tylko krzywe rotacji galaktyk, ale także formowanie się struktur Wszechświata od wczesnych czasów do dziś, zgodnie z obserwacjami z różnych epok.
- Efekty relatywistyczne: Zmieniając prawo grawitacji, należy nie przeczyć zjawiskom takim jak soczewkowanie grawitacyjne czy dane z Bullet Cluster.
Chociaż „Lambda Zimna Ciemna Materia” (ang. ΛCDM) – obecny standardowy model kosmologiczny, w którym istnieje zarówno ciemna materia, jak i ciemna energia (Λ), ma pewne wady, żadna teoria zmodyfikowanej grawitacji nie zdołała jak dotąd tak skutecznie wyjaśnić wszystkich obserwacji jak ΛCDM.
6. Wnioski
Idea, że ciemna materia mogłaby być po prostu wzajemnym przyciąganiem grawitacyjnym całej materii Wszechświata – jest interesująca. Zgadza się to z dążeniem do znalezienia prostszego wyjaśnienia, które nie wymaga koncepcji nowej, niewidzialnej materii. W zasadzie rezonuje to ze starą naukową i filozoficzną zasadą, że brzytwą Ockhama należy pozbywać się zbędnych hipotez.
Jednak dziesięciolecia obserwacji astronomicznych i kosmologicznych pokazują, że sama znana ilość materii nie wyjaśnia problemu „brakującej masy”. Krzywe rotacji galaktyk, dane z soczewkowania grawitacyjnego, tempo formowania się dużych struktur, pomiary kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i ograniczenia nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu – wszystkie one sugerują istnienie rodzaju materii, która jest poza i dodatkowo do znanej nam materii. Co więcej, Bullet Cluster i podobne obserwacje pokazują, że niewidzialna masa zachowuje się inaczej niż zwykła materia (na przykład słabo uczestnicząc w innych, niegrawitacyjnych oddziaływaniach).
Kosmologia jest jednak ciągle rozwijającą się dziedziną nauki. Nowe obserwacje – od fal grawitacyjnych po dokładniejsze mapy rozmieszczenia galaktyk i jeszcze lepszą analizę CMB – stale ulepszają nasze rozumienie. Na razie większość danych obserwacyjnych wskazuje, że ciemna materia rzeczywiście istnieje jako odrębny, niebaryonowy rodzaj materii. Jednak otwarty umysł i czujność na nieoczekiwane dane pozostają bardzo ważne – nauka posuwa się naprzód, gdy hipotezy są testowane i zmieniane, gdy nie zgadzają się z nowymi faktami.
Obecne obserwacje najbardziej wspierają ideę, że ciemna materia jest prawdziwym, fizycznym składnikiem. Jednak pytanie „a może istnieje alternatywa?” to podtrzymywanie ducha naukowej ciekawości, który jest szczególnie potrzebny do zrozumienia tajemnic Wszechświata.
Dalsza lektura
- Ciemna materia we Wszechświecie – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet Cluster jako dowód przeciwko zmodyfikowanej grawitacji – publikacje obserwacyjne wielu autorów, np. Clowe i in.
- Testowanie przewidywań MOND – różne badania krzywych rotacji galaktyk (na przykład prace Stacy McGaugh i współautorów).
- Obserwacje parametrów kosmologicznych – dane z misji Planck, WMAP, COBE.