Je temná hmota iba gravitáciou vesmíru voči sebe samému?
Linas JuozėnasZdieľať
Čo ak temná hmota nie je ničím iným než vzájomnou gravitačnou príťažlivosťou celého vesmíru?
Podrobné skúmanie fascinujúcej myšlienky
Temná hmota je jednou z najväčších záhad súčasnej kozmológie a astrofyziky. Pozorovania zahŕňajúce rotačné krivky galaxií, gravitačné šošovkovanie a formovanie veľkoškálovej štruktúry ukazujú, že vo vesmíre existuje forma hmoty, ktorá nereaguje so svetlom - preto dostala názov „temná“. Podľa Newtonovho a Einsteinovho chápania gravitácie tvorí viditeľná, „bežná“ hmota (protóny, neutróny, elektróny) iba približne 5 % celkovej energetickej a hmotnostnej bilancie vesmíru, zatiaľ čo temná hmota tvorí približne 27 % (zvyšok tvorí temná energia).
Ale čo ak táto chýbajúca hmota vôbec neexistuje? Možno ide len o účinok vzájomnej príťažlivosti samotného vesmíru: malé gravitačné príspevky všetkých hviezd, planét a častíc plynu, ktoré spolu vytvárajú javy vysvetľované ako „temná hmota“. Je to fascinujúca myšlienka: mohli by sme sa vzdať pojmu temnej hmoty ako samostatnej zložky a všetko vysvetliť iba spoločným gravitačným pôsobením viditeľnej hmoty vo veľkých mierkach?
V tomto článku sa budeme podrobne zaoberať touto myšlienkou - preskúmame dôkazy existencie temnej hmoty, vedecké pokusy vysvetliť tento jav a to, prečo je myšlienka „je to len gravitácia všetkého, čo existuje“ zároveň príťažlivá a, žiaľ, nedostatočná, keď sa na ňu pozrieme z hľadiska podrobných pozorovacích údajov.
1. Dôkazy existencie temnej hmoty
1.1 Rotačné krivky galaxií
Jedným z prvých presvedčivých dôkazov existencie temnej hmoty boli merania rýchlosti obežných dráh hviezd na okrajoch galaxií. Podľa Newtonovej mechaniky by sa rýchlosť obežných dráh hviezd na okrajoch galaxií mala so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od stredu znižovať - podobne ako sa rýchlosť planét v našej Slnečnej sústave znižuje so vzďaľovaním od Slnka.
Astronómovia si však všimli, že hviezdy v špirálových galaxiách v najvzdialenejších oblastiach sa pohybujú oveľa rýchlejšie, než by predpovedali bežné výpočty. Tento jav, nazývaný „ploché rotačné krivky“, ukazuje, že existuje oveľa viac hmoty, než dokážeme určiť z elektromagnetického žiarenia (svetla s rôznymi vlnovými dĺžkami). Keby v galaxii existovala iba viditeľná hmota (hviezdy, plyn, prach), obežné dráhy vzdialených hviezd by mali byť pomalšie. Najjednoduchším vysvetlením teda je, že existuje dodatočná, neviditeľná vrstva hmoty, teda temná hmota.
1.2 Gravitacionálne šošovkovanie
Gravitacionálne šošovkovanie je schopnosť masívnych objektov ohýbať svetlo, ako to opisuje Einsteinova všeobecná teória relativity. Pri pozorovaní kôp galaxií vidíme, že ich vplyv na obraz vzdialenejších galaxií (šošovkovanie) je oveľa silnejší, než možno vysvetliť samotnou viditeľnou hmotou. Na vysvetlenie tohto javu je potrebná dodatočná hmota - opäť to poukazuje na temnú hmotu.
Slávnym príkladom je takzvaná zrážka Bullet Cluster, pri ktorej dva zhluky galaxií preleteli jeden cez druhý. Horúci plyn (viditeľný v röntgenovej oblasti) sa v dôsledku interakcií spomalil, zatiaľ čo najsilnejší gravitačný vplyv sa presunul ďalej. To naznačuje, že časť hmoty takmer elektromagneticky neinteraguje (t. j. nezachytáva sa navzájom ako bežný plyn), no má významný gravitačný účinok.
1.3 Kozmologické pozorovania a formovanie štruktúr
Pri pozorovaní kozmického mikrovlnného pozadia (angl. Cosmic Microwave Background, CMB) - „odrazu“ veľkého tresku - vedci sledujú nerovnomernosti hustoty. Práve z týchto nerovnomerností postupne vyrástli galaxie a zhluky, ktoré dnes vidíme. Počítačové simulácie formovania štruktúry vesmíru ukazujú, že bez temnej hmoty by sa vývoj takýchto „semien“ hustoty do dnešných rozmerov vysvetľoval mimoriadne ťažko alebo by bol dokonca nemožný. Bez temnej hmoty by vznik výrazne nerovnomernej štruktúry hmoty (galaxií a zhlukov galaxií) z takmer homogénneho raného vesmíru trval príliš dlho.
2. Navrhovaná myšlienka: všeobecná príťažlivosť všetkej hmoty
Myšlienka „čo ak je temná hmota iba vzájomná gravitačná príťažlivosť všetkého, čo existuje“ pôsobí na prvý pohľad lákavo. Veď gravitácia pôsobí na neobmedzené vzdialenosti; nech sú akékoľvek dva objekty vo vesmíre akokoľvek ďaleko, stále sa navzájom priťahujú. Ak si predstavíme nespočítateľné množstvo hviezd a galaxií, možno by ich celkový gravitačný účinok mohol vysvetliť tú dodatočnú hmotnosť.
2.1 Intuitívna príťažlivosť
1. Jednotné vysvetlenie gravitácie: Do istej miery to pôsobí ako zjednocujúca myšlienka. Namiesto zavedenia nového typu hmoty by sme mohli tvrdiť, že pozorujeme iba kolektívny účinok hmoty, ktorú poznáme.
2. Jednoduchosť: Pre mnohých je lákavé myslieť si, že existuje iba baryonická (bežná) hmota a nič viac. Možno sme doteraz jednoducho nezohľadnili celkovú gravitáciu všetkej tejto hmoty, najmä vo veľkých mierkach.
Táto hypotéza však naráža na vážne výzvy, keď ju aplikujeme na presné pozorovacie údaje a dobre overené fyzikálne teórie. Pozrime sa, kde sa problémy prejavujú.
3. Prečo samotná gravitácia medzi známou hmotou nestačí
3.1 Bežná verzus modifikovaná gravitácia
Pokusy vysvetliť kozmické javy bez temnej hmoty často spadajú do oblasti teórií „modifikovanej gravitácie“. Namiesto zavedenia nového druhu hmoty sa navrhuje upraviť zákony gravitácie v kozmologických mierkach. Jedným z najznámejších príkladov je MOND (angl. Modified Newtonian Dynamics). MOND tvrdí, že v oblastiach s mimoriadne malými zrýchleniami (napríklad na okrajoch galaxií) sa gravitácia správa inak, než predpovedá Newton alebo Einstein.
Ak by celková gravitácia všetkej hmoty vesmíru bola silou, ktorú mylne nazývame temnou hmotou, v podstate by musela fungovať ako určitá verzia modifikovanej gravitácie. Zástancovia MOND a podobných teórií sa snažia vysvetliť rotačné krivky galaxií a ďalšie javy. MOND však, hoci môže zodpovedať niektorým pozorovaniam (napríklad rotačným krivkám galaxií), sa len ťažko zhoduje s inými faktami (napríklad s údajmi o gravitačnom šošovkovaní Bullet Clusteru).
Preto každá teória, ktorá tvrdí, že „temnú hmotu“ spôsobuje iba celková gravitácia bežnej hmoty, by musela úspešne vysvetliť nielen rotačné krivky galaxií, ale aj šošovkovanie, zrážky kôp a formovanie veľkorozmernej štruktúry. Zatiaľ žiadna alternatívna teória úplne nenahradila hypotézu temnej hmoty tak, aby bola v súlade so všetkými pozorovaniami.
3.2 Zákon inverzného štvorca a kozmické mierky
Gravitačná sila so zväčšujúcou sa vzdialenosťou slabne podľa jej druhej mocniny (podľa Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie). V kozmických mierkach existuje skutočná, hoci slabá príťažlivosť vzdialených galaxií, kôp a filamentov, no táto sila so vzdialenosťou pomerne rýchlo klesá. Pozorovacie údaje ukazujú, že samotná viditeľná (baryonická) hmota nestačí a nie je rozmiestnená tak, aby vytvárala gravitačné efekty pripisované temnej hmote.
Ak by sme spočítali všetku viditeľnú hmotu vesmíru a vypočítali jej gravitačný vplyv v rôznych kozmických mierkach, ukázalo by sa, že stále nedokážeme reprodukovať skutočné rotačné krivky galaxií, šošovkové efekty ani rýchlosť formovania štruktúr. Jednoducho povedané, vo vesmíre, v ktorom by existovala iba baryonická hmota, by bola gravitačná sila príliš slabá na vysvetlenie pozorovaného javu.
3.3 Bullet Cluster a rozloženie „chýbajúcej“ hmoty
Bullet Cluster je mimoriadne názorným príkladom. Keď sa zrazili dve kopy galaxií, bežná hmota (najmä horúci plyn) sa v dôsledku interakcie spomalila, zatiaľ čo druhá, takmer neinteragujúca časť hmoty (predpokladá sa, že ide o temnú hmotu) úspešne prenikla zrážkou bez spomalenia. Údaje o gravitačnom šošovkovaní ukazujú, že väčšina hmoty sa „posunula“ ďalej a žiarivý plyn zaostával.
Ak by sme chýbajúcu hmotu vysvetľovali jednoducho celou hmotou vesmíru, dalo by sa očakávať, že rozloženie hmoty bude viac zodpovedať viditeľnej hmote (spomalenej plynom). Pozorovaný rozdiel medzi viditeľným plynom a gravitačne aktívnou hmotou však naznačuje existenciu ďalšej hmoty, ktorá neinteraguje elektromagneticky - temnej hmoty.
4. „Gravitácia všetkej hmoty“ a kozmológia
4.1 Obmedzenia vyplývajúce z nukleosyntézy Veľkého tresku
V ranom vesmíre vznikli najľahšie chemické prvky - vodík, hélium a trochu lítia. Tento proces sa nazýva nukleosyntéza Veľkého tresku (angl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Zastúpenie ľahkých prvkov citlivo závisí od hustoty všetkej baryónovej (bežnej) hmoty. Pozorovania kozmického mikrovlnného pozadia a skúmanie pomerov týchto prvkov ukazujú, že vo vesmíre nemôže byť priveľa baryónovej hmoty - inak by to bolo v rozpore s pozorovaným množstvom hélia alebo deutéria. Stručne povedané, BBN ukazuje, že bežná hmota tvorí približne 5 % energetickej a hmotnostnej bilancie vesmíru.
4.2 Merania kozmického mikrovlnného pozadia
Údaje s vysokým rozlíšením získané zo satelitov, ako sú COBE, WMAP a Planck, umožnili kozmológom s mimoriadnou presnosťou určiť teplotné fluktuácie CMB. Charakter týchto fluktuácií, najmä ich uhlové výkonové spektrum, umožňuje odhadnúť hustotu rôznych zložiek (temnej hmoty, temnej energie a baryónovej hmoty). Tieto merania veľmi dobre súhlasia s kozmologickým modelom, v ktorom je temná hmota samostatnou nebaryónovou zložkou. Ak by gravitačný účinok, ktorý v súčasnosti pripisujeme temnej hmote, bol iba celkovou príťažlivosťou viditeľnej hmoty, výkonové spektrum CMB by vyzeralo úplne inak.
5. Dá sa inak povedať, že temná hmota je iba „gravitácia“?
Myšlienka „čo ak je temná hmota v skutočnosti iba nedokonalosť gravitačných zákonov?“ podnietila vznik rôznych teórií modifikovanej gravitácie. Navrhujú upraviť Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity alebo Newtonovu dynamiku v galaktickej a väčšej mierke, pričom niekedy ponúkajú pomerne zložitý matematický základ. Takéto teórie sa pokúšajú vysvetliť rotačné krivky galaxií a šošovkovanie kôp bez dodatočných, neviditeľných častíc.
Hlavné výzvy pre teórie modifikovanej gravitácie:
- Zosúladenie: Gravitáciu treba upraviť v mierke galaxií, no zároveň zostať v súlade s pozorovaniami Slnečnej sústavy a všeobecnou teóriou relativity, ktorú už množstvo experimentov potvrdilo s mimoriadnou presnosťou.
- Formovanie štruktúr: Teórie musia vysvetliť nielen rotačné krivky galaxií, ale aj formovanie štruktúr vo vesmíre od raných období až po súčasnosť v súlade s pozorovaniami z rôznych epoch.
- Relativistické efekty: Pri zmene gravitačného zákona je nevyhnutné, aby nebol v rozpore s javmi, ako je gravitačné šošovkovanie, ani s údajmi o Bullet Cluster.
Hoci „Lambda chladná temná hmota“ (angl. ΛCDM) - súčasný štandardný kozmologický model, v ktorom existuje temná hmota aj temná energia (Λ), má určité nedostatky, zatiaľ sa žiadnej teórii modifikovanej gravitácie nepodarilo tak úspešne vysvetliť všetky pozorovania ako ΛCDM.
6. Záver
Myšlienka, že temná hmota by mohla byť jednoducho vzájomnou gravitačnou príťažlivosťou všetkej hmoty vo vesmíre, je zaujímavá. Zhoduje sa so snahou hľadať jednoduchšie vysvetlenie, ktoré nevyžaduje koncepciu novej, neviditeľnej hmoty. V podstate rezonuje so starou vedeckou a filozofickou zásadou, že pomocou Occamovej britvy by sme sa mali zbaviť zbytočných hypotéz.
Desaťročia astronomických a kozmologických pozorovaní však ukazujú, že samotné celkové množstvo známej hmoty nevysvetľuje problém „chýbajúcej hmoty“. Rotačné krivky galaxií, údaje o gravitačnom šošovkovaní, tempo formovania veľkorozmernej štruktúry, merania kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia a obmedzenia nukleosyntézy Veľkého tresku - všetky naznačujú, že existuje druh hmoty, ktorý sa nachádza okrem a dodatočne k hmote, ktorú bežne poznáme. Navyše, Kopa Bullet a podobné pozorovania ukazujú, že neviditeľná hmota sa správa inak než bežná hmota (napríklad sa len slabo zúčastňuje na iných než gravitačných interakciách).
Kozmológia je však neustále sa rozvíjajúcou vedeckou oblasťou. Nové pozorovania - od gravitačných vĺn po presnejšie mapy rozloženia galaxií a ešte lepšiu analýzu CMB - neustále zdokonaľujú naše chápanie. Zatiaľ väčšina pozorovacích údajov ukazuje, že temná hmota skutočne existuje ako samostatný, nebaryónový druh hmoty. Otvorené myslenie a pozornosť voči neočakávaným údajom však zostávajú veľmi dôležité - veď veda napreduje, keď sa hypotézy testujú a menia, ak nezodpovedajú novým faktom.
V súčasnosti pozorovania najviac podporujú myšlienku, že temná hmota je skutočnou fyzikálnou zložkou. Pýtať sa však „a čo ak predsa len existuje alternatíva?“ znamená zachovávať ducha vedeckej zvedavosti, ktorý je obzvlášť potrebný pri snahe pochopiť tajomstvá vesmíru.
Ďalšie čítanie
- Temná hmota vo vesmíre – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Kopa Bullet ako dôkaz proti modifikovanej gravitácii – pozorovacie publikácie mnohých autorov, napr. Clowe a kol.
- Testovanie predpovedí MOND – rôzne štúdie rotačných kriviek galaxií (napríklad práce Stacyho McGaugha a spoluautorov).
- Pozorovania kozmologických parametrov – údaje misií Planck, WMAP a COBE.