Ar tamsioji materija – tik visatos gravitacija pačiai sau?

Da li je tamna materija samo gravitacija svemira prema samom sebi?

Šta ako tamna materija nije ništa drugo do uzajamno gravitaciono privlačenje čitave Vasione?

Detaljno istraživanje intrigantne zamisli

Tamna materija je jedna od najvećih misterija savremene kosmologije i astrofizike. Posmatranja koja obuhvataju krive rotacije galaksija, gravitaciono sočivo i formiranje velike strukture pokazuju da u Vasioni postoji oblik materije koji ne stupa u interakciju sa svetlošću - zbog toga je i nazvan „tamnom“. Prema Njutnovom i Ajnštajnovom shvatanju gravitacije, vidljiva, „uobičajena“ materija (protoni, neutroni i elektroni) čini samo oko 5% ukupnog bilansa energije i materije u Vasioni, dok tamna materija čini oko 27% (preostali deo čini tamna energija).

Ali šta ako ta nedostajuća masa uopšte ne postoji? Možda je to samo efekat uzajamnog gravitacionog privlačenja same Vasione: mali doprinosi gravitacije svih zvezda, planeta i čestica gasa, koji zbirno stvaraju pojave koje objašnjavamo kao „tamnu materiju“. To je intrigantna zamisao: da li bismo mogli da se odreknemo pojma tamne materije kao zasebne komponente i sve objasnimo samo zajedničkim gravitacionim uticajem vidljive materije na ogromnim razmerama?

U ovom članku detaljno ćemo istražiti ovu ideju - razmotrićemo dokaze o postojanju tamne materije, naučne pokušaje da se ova pojava objasni i zašto je zamisao „to je samo gravitacija svega što postoji“ istovremeno privlačna i, nažalost, nedovoljna kada se uzmu u obzir detaljni podaci posmatranja.

1. Dokazi o postojanju tamne materije

1.1 Krive rotacije galaksija

Jedan od prvih upečatljivih dokaza postojanja tamne materije jesu merenja brzine orbita zvezda na obodima galaksija. Prema Njutnovoj mehanici, orbitalna brzina zvezda na obodima galaksije trebalo bi da opada sa povećanjem udaljenosti od centra - slično kao što se brzina planeta u našem Sunčevom sistemu smanjuje sa udaljavanjem od Sunca.

Ipak, astronomi su primetili da se zvezde u spiralnim galaksijama, u najudaljenijim oblastima, kreću mnogo brže nego što bi predviđali uobičajeni proračuni. Ova pojava, nazvana „ravne krive rotacije“, ukazuje na to da postoji mnogo više mase nego što možemo utvrditi na osnovu elektromagnetnog zračenja (svetlosti različitih talasnih dužina). Kada bi se u galaksiji nalazila samo vidljiva materija (zvezde, gas i prašina), orbite udaljenih zvezda trebalo bi da budu sporije. Stoga je najjednostavnije objašnjenje da postoji dodatni sloj nevidljive mase, odnosno tamna materija.

1.2 Gravitaciono sočivo

Gravitaciono sočivo je sposobnost masivnih objekata da savijaju svetlost, kako je opisano u Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti. Posmatranjem jata galaksija vidi se da je njihov uticaj na sliku udaljenijih galaksija (sočivo) znatno jači nego što se može objasniti samo vidljivom materijom. Da bi se ovaj efekat objasnio, potrebna je dodatna masa - ponovo se ukazuje na tamnu materiju.

Poznat primer toga je takozvani sudar Bullet Cluster-a, u kojem su dva jata galaksija prošla jedno kroz drugo. Vrući gas (vidljiv u rendgenskom opsegu) usporen je zbog međusobnih interakcija, dok se najjači gravitacioni uticaj pomerio dalje. To ukazuje na to da deo mase gotovo uopšte ne stupa u elektromagnetnu interakciju (odnosno, ne sudara se međusobno kao običan gas), ali ima značajan gravitacioni uticaj.

1.3 Kosmološka posmatranja i formiranje struktura

Posmatrajući kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (engl. Cosmic Microwave Background, CMB) - „odjek“ Velikog praska - naučnici uočavaju neujednačenosti gustine. Upravo su te neujednačenosti vremenom izrasle u galaksije i jata koja danas vidimo. Kompjuterske simulacije formiranja strukture Vasione pokazuju da bi bez tamne materije razvoj takvih „semena“ gustine do današnjih razmera bilo izuzetno teško objasniti ili čak nemoguće. Bez tamne materije, formiranje veoma neujednačene strukture materije (galaksija i jata galaksija) iz gotovo homogene rane Vasione bilo bi presporo.

2. Predložena ideja: ukupno privlačenje sve materije

Pomisliti „a šta ako je tamna materija samo međusobno gravitaciono privlačenje svega što postoji“ na prvi pogled deluje privlačno. Na kraju krajeva, gravitacija deluje na neograničenim udaljenostima; ma koliko bilo udaljeno bilo koje dvoje objekata u Vasioni, oni se i dalje međusobno privlače. Ako zamislimo nebrojeno mnogo zvezda i galaksija, možda bi njihov ukupni privlačni uticaj mogao da objasni tu dodatnu masu.

2.1 Intuitivna privlačnost

1. Jedinstveno objašnjenje gravitacije: Delimično, ovo izgleda kao objedinjujuća ideja. Umesto uvođenja nove vrste materije, mogli bismo tvrditi da posmatramo samo kolektivni uticaj materije koja nam je poznata.
2. Jednostavnost: Mnogima je privlačna pomisao da postoji samo barionska (uobičajena) materija i ništa više. Možda do sada jednostavno nismo uzeli u obzir ukupnu gravitaciju sve te materije, naročito na velikim razmerama.

Međutim, ova hipoteza suočava se s ozbiljnim izazovima kada se primeni na precizne podatke posmatranja i dobro proverene fizičke teorije. Pogledajmo gde problemi postaju očigledni.

3. Zašto međusobna gravitacija samo poznate materije nije dovoljna

3.1 Uobičajena naspram modifikovane gravitacije

Bandymai objasniti kosmičke pojave bez tamne materije često spadaju u oblast teorija „modifikovane gravitacije“. Umesto uvođenja nove vrste materije, predlaže se izmena zakona gravitacije na nivou Vasione. Jedan od najpoznatijih primera je MOND (engl. Modified Newtonian Dynamics). MOND tvrdi da u oblastima izuzetno malih ubrzanja (na primer, na rubovima galaksija) gravitacija deluje drugačije nego što predviđaju Njuton ili Ajnštajn.

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, Kulka klasterio 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 Kulka klasteris ir „dingusios“ masės pasiskirstymas

Kulka klasteris 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, švytinčioms dujoms atsilikus.

Kada trūkstamą masę aiškintume tiesiog visa Visatos materija, derėtų tikėtis, kad masės pasiskirstymas labiau sutaptų su regimąja materija (sulėtinta dujomis). Tačiau stebimas atotrūkis tarp matomų dujų ir gravitaciškai aktyvios masės rodo, kad egzistuoja papildoma, neelektromagnetiškai sąveikaujanti materija - tamsioji materija.

4. „Gravitacija sve materije“ i kosmologija

4.1 Ograničenja nukleosinteze Velikog praska

U ranom Univerzumu formirali su se najlakši hemijski elementi - vodonik, helijum i nešto litijuma. Ovaj proces se naziva nukleosinteza Velikog praska (engl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Obilje lakih elemenata osetljivo zavisi od gustine sve barionske (uobičajene) materije. Posmatranje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i proučavanje odnosa ovih elemenata pokazuju da u Univerzumu ne može biti previše barionske materije - u suprotnom bi to bilo u suprotnosti sa uočenim količinama helijuma ili deuterijuma. Ukratko, BBN pokazuje da uobičajena materija čini oko 5% energetskog i materijalnog bilansa Univerzuma.

4.2 Merenja kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja

Podaci visoke rezolucije dobijeni sa satelita kao što su COBE, WMAP i Planck omogućili su kosmolozima da izuzetno precizno odrede temperaturne fluktuacije CMB-a. Karakter ovih fluktuacija, naročito njihov ugaoni spektar snage, omogućava procenu gustine različitih komponenti (tamne materije, tamne energije i barionske materije). Ova merenja se veoma dobro poklapaju sa kosmološkim modelom u kojem je tamna materija zasebna, nebarionska komponenta. Kada bi gravitacioni uticaj koji trenutno pripisujemo tamnoj materiji bio samo ukupna privlačnost vidljive materije, spektar snage CMB-a izgledao bi potpuno drugačije.

5. Postoji li drugačiji način da se kaže da je tamna materija samo „gravitacija“?

Ideja „šta ako je tamna materija zapravo samo nesavršenost zakona gravitacije?“ podstakla je različite teorije modifikovane gravitacije. One predlažu izmene Ajnštajnove opšte teorije relativnosti ili Njutnove dinamike na galaktičkim i većim skalama, ponekad nudeći prilično složenu matematičku osnovu. Takve teorije pokušavaju da objasne krive rotacije galaksija i gravitaciono sočivo jata bez dodatnih, nevidljivih čestica.

Glavni izazovi za teorije modifikovane gravitacije:

  • Usklađivanje: Potrebno je prilagoditi gravitaciju na galaktičkim razmerama, a istovremeno ostati u skladu sa posmatranjima Sunčevog sistema i opštom teorijom relativnosti, koju su brojni eksperimenti već potvrdili sa izuzetnom preciznošću.
  • Formiranje struktura: Teorije moraju da objasne ne samo krive rotacije galaksija već i formiranje struktura u Univerzumu od ranih vremena do danas, u skladu sa posmatranjima iz različitih epoha.
  • Relativistički efekti: Pri promeni zakona gravitacije neophodno je da se ne protivreči pojavama kao što su gravitaciono sočivo ili podacima o Bullet Clusteru.

Iako „Lambda hladna tamna materija“ (engl. ΛCDM) – sadašnji standardni model kosmologije, u kojem postoje i tamna materija i tamna energija (Λ), ima određene nedostatke, za sada nijedna teorija modifikovane gravitacije nije uspela da tako uspešno objasni sva posmatranja kao ΛCDM.

6. Zaključak

Ideja da bi tamna materija mogla biti jednostavno ukupna međusobna gravitaciona privlačnost sve materije u svemiru – zanimljiva je. Ona se uklapa u težnju ka jednostavnijem objašnjenju, koje ne zahteva novu koncepciju nevidljive materije. U suštini, to je u skladu sa starim naučnim i filozofskim stavom da se Okamovim brijačem treba osloboditi nepotrebnih hipoteza.

Međutim, decenije astronomskih i kosmoloških posmatranja pokazuju da sama ukupna količina poznate materije ne objašnjava problem „nedostajuće mase“. Krive rotacije galaksija, podaci o gravitacionom sočivu, brzine formiranja velikih struktura, merenja kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja i ograničenja nukleosinteze Velikog praska – svi oni ukazuju na to da postoji vrsta materije koja je pored i dodatna u odnosu na materiju koja nam je poznata. Štaviše, Jato metak i slična posmatranja pokazuju da se nevidljiva masa ponaša drugačije od obične materije (na primer, slabo učestvujući u drugim, negravitacionim interakcijama).

Ipak, kosmologija je naučna oblast koja se neprestano razvija. Nova posmatranja – od gravitacionih talasa do preciznijih mapa raspodele galaksija i još bolje analize CMB-a – stalno unapređuju naše razumevanje. Za sada većina posmatračkih podataka ukazuje na to da tamna materija zaista postoji kao zasebna, nebarionska vrsta materije. Međutim, otvorenost uma i pažnja prema neočekivanim podacima i dalje su veoma važni – jer nauka napreduje kada se hipoteze proveravaju i menjaju kada nisu u skladu sa novim činjenicama.

Trenutno posmatranja najviše podržavaju ideju da je tamna materija stvarna, fizička komponenta. Ipak, postaviti pitanje „a šta ako ipak postoji alternativa?“ znači negovati duh naučne radoznalosti, koji je naročito potreban u nastojanju da razumemo tajne svemira.

Dalje čitanje

  • Tamna materija u svemiru – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
  • Jato metak kao dokaz protiv modifikovane gravitacije – publikacije o posmatranjima brojnih autora, npr. Clowea i dr.
  • Testiranje predviđanja MOND-a – različita istraživanja krivih rotacije galaksija (na primer, radovi Stacy McGaugha i njegovih saradnika).
  • Posmatranja kosmoloških parametara – podaci misija Planck, WMAP, COBE.
Grįžti į tinklaraštį