A është materia e errët thjesht graviteti i universit ndaj vetvetes?
Linas JuozėnasNdaj
Po sikur materia e errët të mos jetë veçse tërheqja gravitacionale e ndërsjellë e të gjithë Universit?
Shqyrtim i hollësishëm i një ideje intriguese
Materia e errët është një nga misteret më të mëdha të kozmologjisë dhe astrofizikës moderne. Vëzhgimet që përfshijnë kthesat e rrotullimit të galaktikave, lëçimin gravitacional dhe formimin e strukturës në shkallë të madhe tregojnë se në Univers ekziston një formë materieje që nuk ndërvepron me dritën - prandaj është quajtur “e errët”. Sipas konceptit të gravitetit të Njutonit dhe Ajnshtajnit, materia e dukshme, “e zakonshme” (protonet, neutronet dhe elektronet), përbën vetëm rreth 5% të bilancit të përgjithshëm të energjisë dhe materies së Universit, ndërsa materia e errët përbën rreth 27% (pjesën e mbetur e përbën energjia e errët).
Por, çfarë nëse kjo masë që mungon nuk ekziston fare? Ndoshta është thjesht efekti i tërheqjes së ndërsjellë të vetë Universit: kontributet e vogla gravitacionale të të gjithë yjeve, planetëve dhe grimcave të gazit, të cilat së bashku krijojnë dukuri që i shpjegojmë si “materie e errët”. Kjo është një ide intriguese: a mund të heqim dorë nga koncepti i materies së errët si një përbërës i veçantë dhe ta shpjegojmë gjithçka vetëm me ndikimin gravitacional të materies së dukshme në shkallë të mëdha?
Në këtë artikull do ta shqyrtojmë në hollësi këtë ide - do të përmbledhim dëshmitë për ekzistencën e materies së errët, përpjekjet shkencore për ta shpjeguar këtë fenomen dhe arsyen pse mendimi “është thjesht graviteti i gjithçkaje që ekziston” është njëkohësisht tërheqës dhe, për fat të keq, i pamjaftueshëm kur shqyrtojmë të dhënat e hollësishme të vëzhgimeve.
1. Dëshmi për ekzistencën e materies së errët
1.1 Kthesat e rrotullimit të galaktikave
Një nga dëshmitë e para të qarta për ekzistencën e materies së errët janë matjet e shpejtësisë orbitale të yjeve në skajet e galaktikave. Sipas mekanikës së Njutonit, shpejtësia orbitale e yjeve në skajet e galaktikës duhet të ulet me rritjen e largësisë nga qendra - ngjashëm me mënyrën se si shpejtësia e planetëve në sistemin tonë diellor ulet me largimin nga Dielli.
Megjithatë, astronomët vunë re se yjet në rajonet më të largëta të galaktikave spirale lëvizin shumë më shpejt nga sa do të parashikonin llogaritjet e zakonshme. Ky fenomen, i quajtur “kthesa të sheshta të rrotullimit”, tregon se ekziston shumë më tepër masë nga sa mund të përcaktojmë përmes rrezatimit elektromagnetik (dritës në gjatësi vale të ndryshme). Nëse në një galaktikë do të ekzistonte vetëm materie e dukshme (yje, gaz dhe pluhur), orbitat e yjeve të largët do të duhej të ishin më të ngadalta. Prandaj, shpjegimi më i thjeshtë është se ekziston një shtresë mase shtesë, e padukshme, pra materia e errët.
1.2 Lëçimi gravitacional
Lęšimi gravitacional është aftësia e objekteve masive për të përkulur dritën, siç përshkruhet në teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. Kur vëzhgohen grumbuj galaktikash, shihet se ndikimi i tyre mbi pamjen e galaktikave më të largëta (lëçimi) është shumë më i fortë nga sa mund të shpjegohet vetëm me materien e dukshme. Për ta shpjeguar këtë efekt nevojitet masë shtesë - sërish, kjo tregon drejt materies së errët.
Një shembull i famshëm i kësaj është përplasja e ashtuquajtur Bullet Cluster, në të cilën dy grumbuj galaktikash kaluan me shpejtësi përmes njëri-tjetrit. Gazrat e nxehta (të dukshme në diapazonin e rrezeve X) u ngadalësuan për shkak të ndërveprimeve, ndërsa ndikimi më i fortë gravitacional vazhdoi më tej. Kjo sugjeron se një pjesë e masës pothuajse nuk ndërvepron elektromagnetikisht (d.m.th., nuk përplaset me njëra-tjetrën si gazrat e zakonshëm), por ka një ndikim të rëndësishëm gravitacional.
1.3 Vëzhgimet kozmologjike dhe formimi i strukturës
Duke vëzhguar rrezatimin kozmik të sfondit mikrovalor (angl. Cosmic Microwave Background, CMB) - «pasqyrimin» e Big Bengut, shkencëtarët vëzhgojnë pabarazi të dendësisë. Pikërisht këto pabarazi u rritën me kalimin e kohës në galaktika dhe grumbuj galaktikash që shohim sot. Simulimet kompjuterike të formimit të strukturës së Universit tregojnë se, pa materie të errët, zhvillimi i këtyre «farave» të dendësisë deri në përmasat e sotme do të ishte jashtëzakonisht i vështirë për t'u shpjeguar, madje edhe i pamundur. Pa materie të errët, formimi i strukturave shumë të pabarabarta të materies (galaktikave, grumbujve të galaktikave) nga Universi i hershëm pothuajse homogjen do të ishte tepër i ngadaltë.
2. Ideja e propozuar: tërheqja e përbashkët e gjithë materies
Mendimi «po sikur materia e errët të jetë thjesht tërheqja gravitacionale e ndërsjellë e gjithçkaje që ekziston» në pamje të parë duket tërheqës. Në fund të fundit, graviteti vepron në distanca të pakufizuara; sado të largëta të jenë dy objekte në Univers, ato gjithsesi tërheqin njëra-tjetrën. Nëse imagjinojmë një numër të pallogaritshëm yjesh dhe galaktikash, ndoshta efekti i përbashkët i tërheqjes së tyre mund të shpjegojë atë masë shtesë.
2.1 Tërheqja intuitive
1. Një shpjegim i unifikuar i gravitetit: Në njëfarë mase, kjo duket si një ide unifikuese. Në vend që të fusim një lloj të ri materieje, mund të pohojmë se vëzhgojmë vetëm efektin kolektiv të materies së njohur për ne.
2. Thjeshtësia: Për shumëkënd është tërheqëse të mendojnë se ekziston vetëm materia barionike (e zakonshme) dhe asgjë tjetër. Ndoshta deri tani thjesht nuk e kemi vlerësuar të gjithë gravitetin e përbashkët të kësaj materie, veçanërisht në shkallë të mëdha.
Megjithatë, kjo hipotezë përballet me sfida serioze kur zbatohet ndaj të dhënave të sakta të vëzhgimeve dhe teorive fizike të testuara mirë. Le të shohim se ku shfaqen problemet.
3. Pse vetëm graviteti i ndërsjellë i materies së njohur nuk mjafton
3.1 Graviteti i zakonshëm kundrejt gravitetit të modifikuar
Përpjekjet për të shpjeguar dukuritë kozmike pa materie të errët shpesh hyjnë në fushën e teorive të «gravitetit të modifikuar». Në vend që të futet një lloj i ri materieje, propozohet të korrigjohen ligjet e gravitetit në shkallën e Universit. Një nga shembujt më të njohur është MOND (angl. Modified Newtonian Dynamics). MOND pohon se në fushat me përshpejtime jashtëzakonisht të vogla (për shembull, në skajet e galaktikave), graviteti vepron ndryshe nga sa parashikojnë Njutoni ose Ajnshtajni.
Jei visos Visatos materijos bendroji gravitacija būtų ta jėga, kurią klaidingai vadiname tamsiąja materija, ji iš esmės turėtų veikti kaip tam tikra modifikuotos gravitacijos versija. MOND ir panašių teorijų šalininkai stengiasi paaiškinti galaktikų sukimosi kreives ir kitus reiškinius. Visgi MOND, nors ir gali tikti kai kuriems stebėjimams (pavyzdžiui, galaktikų sukimosi kreivėms), sunkiai dera su kitais faktais (pavyzdžiui, „Bullet Cluster“ gravitacinio lęšiavimo duomenimis).
Todėl bet kokia teorija, teigianti, kad „tamsiąją materiją“ lemia vien bendroji įprastinės materijos gravitacija, privalėtų sėkmingai aiškinti ne tik galaktikų sukimosi kreives, bet ir lęšiavimą, spiečių susidūrimus bei stambiosios struktūros formavimąsi. Kol kas nė viena alternatyvi teorija visapusiškai nepakeitė tamsiosios materijos hipotezės taip, kad atitiktų visus stebėjimus.
3.2 Atvirkštinio kvadrato dėsnis ir kosminiai masteliai
Gravitacijos jėga silpnėja kvadratu didėjant atstumui (pagal Niutono visuotinės traukos dėsnį). Kosminiais mastais egzistuoja reali, nors ir menka, tolimų galaktikų, spiečių bei filamentų trauka, tačiau ši jėga gana greitai sumažėja su atstumu. Stebėjimų duomenys rodo, kad vien matomos (barioninės) materijos nepakanka ir ji nėra taip išsidėsčiusi, kad sukurtų gravitacinius efektus, priskiriamus tamsiajai materijai.
Jei bandytume sudėti visą matomą Visatos materiją ir apskaičiuoti jos gravitacinį poveikį įvairiais kosminiais mastais, paaiškėtų, kad vis tiek negalime atkurti realių galaktikų sukimosi kreivių, lęšiavimo efektų ar struktūros formavimosi greičio. Paprasčiau tariant, Visatoje, kurioje egzistuotų vien barioninė materija, gravitacinė jėga būtų per silpna, kad paaiškintų stebimą efektą.
3.3 „Bullet Cluster“ ir „dingusios“ masės pasiskirstymas
„Bullet Cluster“ yra ypač ryškus pavyzdys. Susidūrus dviem galaktikų spiečiams, įprastinė materija (daugiausia karštos dujos) buvo sulėtinta dėl sąveikos, o kita – beveik nesąveikaujanti – masės dalis (manoma, kad tai tamsioji materija) sėkmingai prasiskverbė per susidūrimą nesulėtėdama. Gravitacinio lęšiavimo duomenys rodo, kad didžioji masės dalis „pasitraukė“ toliau, atsilikus švytinčiai dujai.
Jei trūkstamą masę aiškintume tiesiog visa Visatos materija, derėtų tikėtis, kad masės pasiskirstymas labiau sutaptų su regimąja materija (sulėtinta dujomis). Tačiau stebimas atotrūkis tarp matomos dujos ir gravitaciškai aktyvios masės rodo, kad egzistuoja papildoma, neelektromagnetiškai sąveikaujanti materija – tamsioji materija.
4. „Visos materijos gravitacija“ ir kosmologija
4.1 Didžiojo sprogimo nukleosintezės apribojimai
Ankstyvojoje Visatoje susiformavo lengviausieji cheminiai elementai – vandenilis, helis ir truputis ličio. Šis procesas vadinamas Didžiojo sprogimo nukleosinteze (angl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Lengvųjų elementų gausa jautriai priklauso nuo visos barioninės (įprastinės) materijos tankio. Stebint kosminę foninę mikrobangę spinduliuotę ir tiriant šių elementų santykius, matyti, kad Visatoje negali būti per daug barioninės materijos – kitaip tektų prieštarauti matomiems helio ar deuterio kiekiams. Trumpai tariant, BBN rodo, kad įprastinė materija sudaro apie 5% Visatos energijos ir materijos balanso.
4.2 Kosminės foninės mikrobangės spinduliuotės matavimai
Aukštos raiškos duomenys, gauti iš palydovų, tokių kaip COBE, WMAP ir Planck, leido kosmologams nepaprastai tiksliai nustatyti CMB temperatūros fluktuacijas. Šių fluktuacijų pobūdis, ypač jų kampinis galios spektras, suteikia galimybę įvertinti įvairių komponentų (tamsiosios materijos, tamsiosios energijos ir barioninės materijos) tankį. Šie matavimai labai gerai sutampa su kosmologiniu modeliu, kuriame tamsioji materija yra atskiras, nebarioninis komponentas. Jei gravitacijos poveikis, kurį šiuo metu priskiriame tamsiajai materijai, būtų tik bendra regimosios materijos trauka, CMB galios spektras atrodytų visiškai kitaip.
5. Ar yra kitoks būdas pasakyti, kad tamsioji materija tėra „gravitacija“?
Mintis „kas, jei tamsioji materija iš tikrųjų tėra gravitacijos dėsnių netobulumas?“ paskatino įvairias modifikuotos gravitacijos teorijas. Jos siūlo taisyti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją ar Niutono dinamiką galaktiniu ir didesniu mastu, kartais pasiūlydamos gana sudėtingą matematinį pagrindą. Tokios teorijos mėgina be papildomų, nematomų dalelių paaiškinti galaktikų sukimosi kreives bei spiečių lęšiavimą.
Pagrindiniai modifikuotos gravitacijos teorijų iššūkiai:
- Suderinamumui: Reikia koreguoti gravitaciją galaktikų mastu, bet tuo pat metu išlikti suderintiems su Saulės sistemos stebėjimais ir bendrąja reliatyvumo teorija, kurią daugybė eksperimentų jau patvirtino itin tiksliai.
- Struktūros formavimuisi: Teorijos turi paaiškinti ne tik galaktikų sukimosi kreives, bet ir Visatos struktūrų formavimąsi nuo ankstyvųjų laikų iki šių dienų, atitinkant stebėjimus įvairiais laikotarpiais.
- Relativistiniams efektams: Keičiant gravitacijos dėsnį, būtina neprieštarauti reiškiniams, tokiems kaip gravitacinis lęšiavimas, ar „Bullet Cluster“ duomenims.
Edhe pse “Lënda e Errët e Ftohtë Lambda” (angl. ΛCDM) - modeli standard aktual i kozmologjisë, në të cilin ekzistojnë si lënda e errët, ashtu edhe energjia e errët (Λ), ka disa mangësi, deri tani asnjë teori e gravitetit të modifikuar nuk ka arritur t'i shpjegojë të gjitha vëzhgimet me aq sukses sa ΛCDM.
6. Përfundim
Ideja se lënda e errët mund të jetë thjesht tërheqja gravitacionale e ndërsjellë e gjithë lëndës së Universit - është interesante. Ajo përputhet me synimin për të kërkuar një shpjegim më të thjeshtë, që nuk kërkon një koncept të ri të lëndës së padukshme. Në thelb, kjo rezonon me qëndrimin e vjetër të shkencës dhe filozofisë se, me briskun e Okamit, duhen hequr hipotezat e panevojshme.
Megjithatë, dekada vëzhgimesh astronomike dhe kozmologjike tregojnë se sasia e përgjithshme e lëndës së njohur nuk e shpjegon problemin e “masës së munguar”. Kurbat e rrotullimit të galaktikave, të dhënat e lentes gravitacionale, ritmet e formimit të strukturës në shkallë të gjerë, matjet e rrezatimit kozmik mikrovalor të sfondit dhe kufizimet e nukleosintezës së Big Bengut - të gjitha sugjerojnë se ekziston një lloj lënde që është përtej dhe përveç lëndës së zakonshme për ne. Për më tepër, Grumbulli Bullet dhe vëzhgime të ngjashme tregojnë se masa e padukshme sillet ndryshe nga lënda e zakonshme (për shembull, duke marrë pjesë pak në ndërveprime të tjera, jogravitacionale).
Megjithatë, kozmologjia është një fushë shkencore në zhvillim të vazhdueshëm. Vëzhgimet e reja - nga valët gravitacionale te hartat më të sakta të shpërndarjes së galaktikave dhe analizat edhe më të mira të CMB-së - përmirësojnë vazhdimisht kuptimin tonë. Deri tani, shumica e të dhënave vëzhguese tregojnë se lënda e errët vërtet ekziston si një lloj i veçantë, jobarionik i lëndës. Megjithatë, mendimi i hapur dhe vëmendja ndaj të dhënave të papritura mbeten shumë të rëndësishme - në fund të fundit, shkenca përparon kur hipotezat testohen dhe ndryshohen kur nuk përputhen me faktet e reja.
Aktualisht, vëzhgimet mbështesin më së shumti idenë se lënda e errët është një përbërës real fizik. Megjithatë, të pyesësh “po sikur të ekzistojë një alternativë?” do të thotë të ruash frymën e kureshtjes shkencore, e cila është veçanërisht e nevojshme për të kuptuar misteret e Universit.
Lexim i mëtejshëm
- Lënda e errët në Univers – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Grumbulli Bullet si dëshmi kundër gravitetit të modifikuar – publikime vëzhgimesh nga autorë të shumtë, p.sh. Clowe etj.
- Testimi i parashikimeve të MOND – studime të ndryshme të kurbave të rrotullimit të galaktikave (për shembull, punimet e Stacy McGaugh dhe bashkëautorëve).
- Cosmological Parameters Observation – Planck, WMAP, COBE të dhëna nga misionet.