Ce-ar fi dacă materia întunecată este doar gravitaţia reciprocă a întregului Univers?
O analiză detaliată a acestei idei intrigante
Materia întunecată este unul dintre cele mai mari mistere ale cosmologiei şi astrofizicii moderne. Observaţiile care includ curbele de rotaţie ale galaxiilor, lentila gravitaţională şi formarea structurii mari arată că în Univers există o formă de materie care nu interacţionează cu lumina – de aceea este numită „materie întunecată”. Bazat pe conceptele de gravitaţie ale lui Newton şi Einstein, materia vizibilă, „normală” (protoni, neutroni, electroni) reprezintă doar aproximativ 5% din totalul energiei şi materiei din Univers, iar materia întunecată aproximativ 27% (restul fiind energie întunecată).
Dar dacă această masă lipsă nu există deloc? Poate că este doar efectul gravitaţiei reciproce a Universului: contribuţiile gravitaţionale mici ale tuturor stelelor, planetelor şi particulelor de gaz, care, luate în ansamblu, creează fenomene pe care le interpretăm ca „materie întunecată”. Este o idee intrigantă: am putea renunţa la conceptul de materie întunecată ca component separat şi să explicăm totul doar prin efectul gravitaţional comun al materiei vizibile la scară mare?
În acest articol vom explora detaliat această idee – vom revizui dovezile existenţei materiei întunecate, încercările şi studiile știinţifice de a explica acest fenomen şi de ce ideea „este doar gravitaţia tuturor lucrurilor existente” este, în acelaşi timp, atractivă şi, din păcate, insuficientă, având în vedere datele detaliate ale observaţiilor.
1. Dovezi ale existenţei materiei întunecate
1.1 Curbele de rotaţie ale galaxiilor
Unul dintre primele dovezi clare ale existenţei materiei întunecate este măsurarea vitezei orbitale a stelelor din marginile galaxiilor. Conform mecanicii lui Newton, viteza orbitelor stelelor la marginea galaxiei ar trebui să scadă pe măsură ce distanţa faţă de centru creşte – similar cu modul în care viteza planetelor din sistemul nostru solar scade pe măsură ce se depărtează de Soare.
Totuşi astronomii au observat că stelele din regiunile cele mai încălzite ale galaxiei spiralate se mişca mult mai rapid decât ar fi prevăzut calculele obişnuite. Acest fenomen, numit „curbe de rotaţie plate", indică că există mult mai multă masă decât putem determina din radiaţia electromagnetică (lumină la diferite lungimi de undă). Dacă galaxia ar conţine doar materie vizibilă (stele, gaze, praf), orbitele stelelor în regiunile încălzite ar trebui să fie mai lente. Aşadar, explicaţia cea mai simplă este că există un strat suplimentar de masă invizibilă, adică materia întunecată.
1.2 Lentila gravitațională
Lentila gravitațională este capacitatea obiectelor masive de a curba lumina, așa cum este descris în teoria relativității generale a lui Einstein. Observând roiurile de galaxii, se vede că efectul lor asupra imaginii galaxiilor mai îndepărtate (lentilarea) este mult mai puternic decât poate fi explicat doar prin materia vizibilă. Pentru a explica acest efect, este necesară o masă suplimentară – iar aceasta indică din nou materia întunecată.
Un exemplu celebru este coliziunea cunoscută sub numele de Bullet Cluster, în care două roiuri de galaxii au trecut unul prin celălalt. Gazele fierbinți (vizibile în spectrul razelor X) au fost încetinite din cauza interacțiunilor, iar influența gravitațională cea mai puternică s-a mutat mai departe. Acest lucru sugerează că o parte din masă interacționează foarte puțin electromagnetic (adică nu se ciocnește ca gazele obișnuite), dar are un efect gravitațional semnificativ.
1.3 Observații cosmologice și formarea structurii
Privind radiația cosmică de fond în microunde (eng. Cosmic Microwave Background, CMB) – „reflexia” Big Bang-ului, oamenii de știință observă inegalități de densitate. Aceste inegalități au crescut în timp, devenind galaxiile și roiurile pe care le vedem astăzi. Simulările computerizate ale formării structurii Universului arată că fără materia întunecată, dezvoltarea acestor „semințe” de densitate până la dimensiunile actuale ar fi extrem de dificil de explicat sau chiar imposibilă. Fără materia întunecată, formarea unei structuri de materie foarte inegale (galaxii, roiuri de galaxii) dintr-un Univers timpuriu aproape omogen ar fi mult prea lentă.
2. Ideea propusă: atracția comună a întregii materii
Ideea „poate materia întunecată este doar atracția gravitațională reciprocă a tot ceea ce există” pare atractivă la prima vedere. Gravitația acționează pe distanțe nelimitate; oricât de îndepărtați ar fi doi obiecte în Univers, ele tot se atrag reciproc. Dacă ne-am imagina un număr inestimabil de stele și galaxii, poate efectul lor total de atracție ar putea explica acea masă suplimentară.
2.1 Atracție intuitivă
1. O explicație unificată a gravitației: Parțial, aceasta pare o idee unificatoare. În loc să introducem un nou tip de materie, am putea susține că observăm doar efectul colectiv al materiei cunoscute.
2. Simplitate: Mulți consideră atractivă ideea că există doar materie barionică (obișnuită) și nimic altceva. Poate că până acum nu am apreciat pe deplin gravitația totală a acestei materii, mai ales la scară largă.
Totuși, această ipoteză se confruntă cu provocări serioase atunci când este aplicată datelor precise de observație și teoriilor bine verificate ale fizicii. Să vedem unde apar problemele.
3. De ce gravitația materiei cunoscute nu este suficientă
3.1 Gravitația obișnuită versus gravitația modificată
Încercările de a explica fenomenele cosmice fără materie întunecată cad adesea în domeniul teoriilor „gravitației modificate”. În loc să introducă un nou tip de materie, se propune ajustarea legilor gravitației la scară universală. Unul dintre cele mai cunoscute exemple este MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND susține că în regiunile cu accelerații foarte mici (de exemplu, la marginile galaxiilor), gravitația funcționează diferit față de predicțiile lui Newton sau Einstein.
Dacă gravitația totală a materiei din Univers ar fi forța pe care o numim în mod eronat materie întunecată, aceasta ar trebui în esență să funcționeze ca o versiune modificată a gravitației. Susținătorii MOND și ai teoriilor similare încearcă să explice curbele de rotație ale galaxiilor și alte fenomene. Totuși, MOND, deși poate explica unele observații (de exemplu, curbele de rotație ale galaxiilor), se potrivește greu cu alte date (de exemplu, datele de lentilă gravitațională ale Bullet Cluster).
Prin urmare, orice teorie care susține că „materia întunecată” este doar gravitația comună a materiei obișnuite ar trebui să explice cu succes nu doar curbele de rotație ale galaxiilor, ci și lentila gravitațională, coliziunile roiurilor și formarea structurilor mari. Până acum, nicio teorie alternativă nu a înlocuit complet ipoteza materiei întunecate astfel încât să corespundă tuturor observațiilor.
3.2 Legea inversului pătratului și scările cosmice
Forța gravitațională scade proporțional cu pătratul distanței (conform legii gravitației universale a lui Newton). La scară cosmică există o atracție reală, deși mică, între galaxiile îndepărtate, roiuri și filamente, dar această forță scade rapid cu distanța. Datele observaționale arată că materia vizibilă (barionică) nu este suficientă și nu este distribuită astfel încât să creeze efectele gravitaționale atribuite materiei întunecate.
Dacă am încerca să adunăm toată materia vizibilă a Universului și să calculăm efectul său gravitațional la diverse scări cosmice, am constata că tot nu putem reproduce curbele de rotație reale ale galaxiilor, efectele de lentilă sau viteza formării structurilor. Pe scurt, într-un Univers format doar din materie barionică, forța gravitațională ar fi prea slabă pentru a explica efectele observate.
3.3 Bullet Cluster și distribuția masei „dispărute”
Bullet Cluster este un exemplu extrem de clar. Când două roiuri de galaxii se ciocnesc, materia obișnuită (în principal gaze fierbinți) este încetinită de interacțiune, în timp ce cealaltă componentă a masei – aproape neinteracționantă (presupus a fi materia întunecată) – a trecut cu succes prin coliziune fără a fi încetinită. Datele de lentilă gravitațională arată că majoritatea masei „a "părăsit" zona, rămânând în urmă față de gazul strălucitor.
Dacă masa lipsă ar fi explicată pur și simplu prin toată materia din Univers, s-ar aștepta ca distribuția masei să se potrivească mai bine cu materia vizibilă (încetinită de gaze). Totuși, discrepanța observată între gazul vizibil și masa activă gravitațional indică existența unei materii suplimentare, care nu interacționează electromagnetic – materia întunecată.
4. „Gravitația întregii materii” și cosmologia
4.1 Limitările nucleosintezei Big Bang
În Universul timpuriu s-au format cele mai ușoare elemente chimice – hidrogen, heliu și puțin litiu. Acest proces se numește nucleosinteza Big Bang (engleză Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Abundența elementelor ușoare depinde sensibil de densitatea totală a materiei barionice (obișnuite). Observând radiația cosmică de fond în microunde și studiind raporturile acestor elemente, se vede că în Univers nu poate exista prea multă materie barionică – altfel ar contrazice cantitățile observate de heliu sau deuteriu. Pe scurt, BBN arată că materia obișnuită constituie aproximativ 5% din echilibrul energetic și de materie al Universului.
4.2 Măsurători ale radiației cosmice de fond în microunde
Datele de înaltă rezoluție obținute de la sateliți precum COBE, WMAP și Planck au permis cosmologilor să măsoare fluctuațiile de temperatură ale CMB cu o precizie extraordinară. Natura acestor fluctuații, în special spectrul lor unghiular de putere, oferă posibilitatea de a estima densitatea diferitelor componente (materia întunecată, energia întunecată și materia barionică). Aceste măsurători coincid foarte bine cu modelul cosmologic în care materia întunecată este o componentă separată, non-barionică. Dacă efectul gravitațional atribuit în prezent materiei întunecate ar fi doar atracția totală a materiei vizibile, spectrul de putere al CMB ar arăta complet diferit.
5. Există o altă modalitate de a spune că materia întunecată este doar „gravitație”?
Ideea „dacă materia întunecată este de fapt doar o imperfecțiune a legilor gravitației?” a stimulat diverse teorii ale gravitației modificate. Acestea propun să corecteze teoria generală a relativității a lui Einstein sau dinamica lui Newton la scară galactică și mai mare, uneori oferind o bază matematică destul de complexă. Astfel de teorii încearcă să explice curbele de rotație ale galaxiilor și lentila clusterelor fără particule suplimentare invizibile.
Provocările principale ale teoriilor gravitației modificate:
- Ajustarea: Este necesar să se corecteze gravitația la scară galactică, dar în același timp să rămână compatibilă cu observațiile sistemului solar și cu teoria generală a relativității, care a fost confirmată cu mare precizie de numeroase experimente.
- Formarea structurii: Teoriile trebuie să explice nu doar curbele de rotație ale galaxiilor, ci și formarea structurilor Universului de la timpurile sale timpurii până în prezent, în concordanță cu observațiile din diferite epoci.
- Efecte relativiste: Modificarea legii gravitației trebuie să nu contrazică fenomene precum lentila gravitațională sau datele Clusterului Bullet.
Deși „Lambda Materia Întunecată Rece” (eng. ΛCDM) – modelul standard actual al cosmologiei, care include atât materia întunecată, cât și energia întunecată (Λ), are anumite limitări, până acum nicio teorie a gravitației modificate nu a reușit să explice la fel de bine toate observațiile ca ΛCDM.
6. Concluzie
Ideea că materia întunecată ar putea fi pur și simplu atracția gravitațională reciprocă a întregii materii din Univers este interesantă. Aceasta corespunde dorinței de a găsi o explicație mai simplă, care să nu necesite o nouă concepție de materie invizibilă. În esență, aceasta rezonează cu vechea maximă științifică și filosofică că Rasorul lui Occam ar trebui să elimine ipotezele inutile.
Însă decenii de observații astronomice și cosmologice arată că doar cantitatea totală de materie cunoscută nu explică problema „masei lipsă”. Curbele de rotație ale galaxiilor, datele de lentilă gravitațională, ratele de formare a structurilor mari, măsurătorile radiației cosmice de fond în microunde și constrângerile nucleosintezei Big Bang-ului – toate acestea sugerează existența unui tip de materie care este fără și în plus față de materia obișnuită cunoscută. Mai mult, observațiile Clusterului Bullet și altele similare arată că masa invizibilă se comportă diferit față de materia obișnuită (de exemplu, participând slab la alte interacțiuni, în afară de cele gravitaționale).
Totuși, cosmologia este un domeniu științific în continuă evoluție. Noile observații – de la undele gravitaționale la hărți mai precise ale distribuției galaxiilor și o analiză și mai bună a CMB – îmbunătățesc constant înțelegerea noastră. Până acum, majoritatea datelor observaționale indică faptul că materia întunecată există cu adevărat ca un tip separat, nebarionic de materie. Totuși, o gândire deschisă și atenția la date neașteptate rămân foarte importante – știința avansează atunci când ipotezele sunt testate și modificate dacă nu corespund noilor fapte.
În prezent, observațiile susțin cel mai mult ideea că materia întunecată este un component real, fizic. Totuși, a întreba „există oare o alternativă?” înseamnă a susține spiritul curiozității științifice, care este deosebit de necesar pentru a înțelege misterele Universului.
Lecturi suplimentare
- Materia întunecată în Univers – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Clusterul Bullet ca dovadă împotriva gravitației modificate – publicații cu observații ale mai multor autori, de exemplu Clowe și alții.
- Testarea predicțiilor MOND – diverse studii ale curbelor de rotație ale galaxiilor (de exemplu, lucrările lui Stacy McGaugh și colaboratorii).
- Observații ale parametrilor cosmologici – datele misiunilor Planck, WMAP, COBE.