Är mörk materia bara universums gravitation på sig själv?
Linas JuozėnasDela
Tänk om mörk materia bara är hela universums ömsesidiga gravitationella dragningskraft?
En utförlig undersökning av en fascinerande tanke
Mörk materia är en av de största gåtorna inom modern kosmologi och astrofysik. Observationer som omfattar galaxernas rotationskurvor, gravitationslinsning och bildandet av storskaliga strukturer visar att det finns en form av materia i universum som inte växelverkar med ljus - och därför har den kallats "mörk". Enligt Newtons och Einsteins syn på gravitation utgör synlig, "vanlig" materia (protoner, neutroner och elektroner) endast omkring 5 % av universums totala balans av energi och materia, medan mörk materia utgör omkring 27 % (resten utgörs av mörk energi).
Men tänk om denna saknade massa inte alls finns? Kanske är det bara resultatet av hela universums ömsesidiga gravitation: små bidrag från gravitationen hos alla stjärnor, planeter och gaspartiklar, som tillsammans skapar de fenomen vi tolkar som "mörk materia". Det är en fascinerande tanke: skulle vi kunna överge begreppet mörk materia som en separat komponent och förklara allt enbart genom den samlade gravitationseffekten från synlig materia i enorma skalor?
I den här artikeln ska vi undersöka denna idé i detalj - vi ska gå igenom bevisen för mörk materias existens, vetenskapliga försök att förklara fenomenet och varför tanken att "det bara är gravitationen från allt som existerar" både är tilltalande och, tyvärr, otillräcklig när man granskar detaljerade observationsdata.
1. Bevis för mörk materias existens
1.1 Galaxernas rotationskurvor
Ett av de första tydliga bevisen på mörk materias existens är mätningar av omloppshastigheten hos stjärnor i galaxernas utkanter. Enligt Newtons mekanik borde stjärnornas omloppshastighet i galaxernas utkanter minska när avståndet från centrum ökar - på liknande sätt som planeternas hastighet i vårt solsystem minskar när de avlägsnar sig från solen.
Astronomer har dock lagt märke till att stjärnor i spiralgalaxernas yttersta områden rör sig mycket snabbare än vad vanliga beräkningar förutsäger. Detta fenomen, som kallas "flata rotationskurvor", visar att det finns betydligt mer massa än vad vi kan fastställa utifrån elektromagnetisk strålning (ljus vid olika våglängder). Om en galax enbart bestod av synlig materia (stjärnor, gas och stoft) borde de avlägsna stjärnornas omloppsbanor vara långsammare. Den enklaste förklaringen är därför att det finns ett lager av ytterligare, osynlig massa, det vill säga mörk materia.
1.2 Gravitationslinsning
Gravitationslinsning är massiva objekts förmåga att böja ljus, som beskrivs i Einsteins allmänna relativitetsteori. När man observerar galaxhopar ser man att deras påverkan på bilden av mer avlägsna galaxer (linsning) är betydligt starkare än vad som kan förklaras enbart av synlig materia. För att förklara denna effekt krävs ytterligare massa - återigen pekar detta på mörk materia.
Ett berömt exempel är den så kallade Bullet Cluster-kollisionen, där två galaxhopar passerade rakt igenom varandra. Den heta gasen (synlig i röntgenområdet) bromsades på grund av växelverkan, medan den starkaste gravitationella påverkan fortsatte längre bort. Detta tyder på att en del av massan nästan inte växelverkar elektromagnetiskt (det vill säga inte fastnar i varandra som vanlig gas), men ändå har en betydande gravitationell påverkan.
1.3 Kosmologiska observationer och strukturbildning
När forskare studerar den kosmiska bakgrundsstrålningen i mikrovågsområdet (eng. Cosmic Microwave Background, CMB) - ”återskenet” från Big Bang - observerar de ojämnheter i densiteten. Det var just dessa ojämnheter som med tiden växte till de galaxer och galaxhopar vi ser i dag. Datorsimuleringar av universums struktur- och bildningsprocess visar att utvecklingen av sådana ”frön” till dagens storlek utan mörk materia skulle vara ytterst svår att förklara eller till och med omöjlig. Utan mörk materia skulle det ta alldeles för lång tid för mycket ojämna materiestrukturer (galaxer och galaxhopar) att bildas ur det nästan homogena tidiga universum.
2. Den föreslagna idén: all materias samlade dragningskraft
Tanken ”tänk om mörk materia bara är den inbördes gravitationsattraktionen mellan allt som existerar” verkar vid första anblicken tilltalande. Gravitationen verkar ju på obegränsade avstånd; vilka två objekt i universum som helst drar fortfarande i varandra, oavsett hur långt ifrån varandra de befinner sig. Om vi föreställer oss ett oräkneligt antal stjärnor och galaxer, kanske deras samlade dragningskraft skulle kunna förklara den extra massan.
2.1 Intuitiv attraktionskraft
1. En enhetlig förklaring av gravitationen: Delvis framstår detta som en förenande idé. I stället för att införa en ny typ av materia skulle vi kunna hävda att vi endast observerar den kollektiva effekten av den materia vi känner till.
2. Enkelhet: För många är det tilltalande att tänka sig att det bara finns baryonisk (vanlig) materia och inget annat. Kanske har vi hittills helt enkelt underskattat den samlade gravitationen från all denna materia, särskilt på stora skalor.
Denna hypotes möter dock allvarliga utmaningar när den tillämpas på exakta observationsdata och väl beprövade fysikteorier. Låt oss se var problemen blir tydliga.
3. Varför enbart den kända materiens inbördes gravitation inte räcker
3.1 Vanlig kontra modifierad gravitation
Försök att förklara kosmiska fenomen utan mörk materia hamnar ofta inom teorier om ”modifierad gravitation”. I stället för att införa en ny typ av materia föreslås att gravitationslagarna korrigeras på universums skala. Ett av de mest kända exemplen är MOND (eng. Modified Newtonian Dynamics). MOND hävdar att gravitationen fungerar annorlunda i områden med extremt små accelerationer (till exempel i galaxernas utkanter) än vad Newton eller Einstein förutsäger.
Om den samlade gravitationen från all materia i universum vore den kraft som vi felaktigt kallar mörk materia, skulle den i praktiken behöva fungera som någon form av modifierad gravitation. Förespråkare för MOND och liknande teorier försöker förklara galaxernas rotationskurvor och andra fenomen. MOND kan visserligen stämma överens med vissa observationer (till exempel galaxernas rotationskurvor), men är svår att förena med andra fakta (till exempel data om gravitationslinsning från Bullet Cluster).
Därför skulle varje teori som hävdar att ”mörk materia” enbart orsakas av den samlade gravitationen från vanlig materia behöva förklara inte bara galaxernas rotationskurvor, utan också gravitationslinsning, kollisioner mellan galaxhopar och bildandet av storskaliga strukturer. Hittills har ingen alternativ teori helt ersatt hypotesen om mörk materia på ett sätt som stämmer överens med alla observationer.
3.2 Den omvända kvadratlagen och kosmiska skalor
Gravitationskraften avtar med kvadraten på avståndet enligt Newtons universella gravitationslag. På kosmiska skalor finns en verklig, om än svag, dragningskraft från avlägsna galaxer, galaxhopar och filament, men denna kraft minskar ganska snabbt med avståndet. Observationer visar att den synliga (baryoniska) materien ensam inte räcker till och inte är fördelad på ett sådant sätt att den skapar de gravitationseffekter som tillskrivs mörk materia.
Om vi försökte lägga ihop all synlig materia i universum och beräkna dess gravitationella påverkan på olika kosmiska skalor, skulle det visa sig att vi ändå inte kan återskapa de verkliga galaxernas rotationskurvor, linsningseffekter eller hastigheten för strukturbildningen. Enkelt uttryckt skulle gravitationskraften i ett universum som endast bestod av baryonisk materia vara för svag för att förklara den observerade effekten.
3.3 Bullet Cluster och fördelningen av den ”saknade” massan
Bullet Cluster är ett särskilt tydligt exempel. När två galaxhopar kolliderade bromsades den vanliga materien (främst het gas) genom växelverkan, medan den andra - nästan icke-växelverkande - masskomponenten (som antas vara mörk materia) lyckades tränga igenom kollisionen utan att bromsas. Data från gravitationslinser visar att majoriteten av massan ”drog vidare”, medan den lysande gasen släpade efter.
Om vi förklarade den saknade massan som helt enkelt all materia i universum, skulle man förvänta sig att massans fördelning stämde bättre överens med den synliga materien (som bromsats av gasen). Det observerade gapet mellan den synliga gasen och den gravitationellt aktiva massan visar dock att det finns ytterligare materia som inte växelverkar elektromagnetiskt - mörk materia.
4. ”All materias gravitation” och kosmologi
4.1 Begränsningar från Big Bang-nukleosyntesen
I det tidiga universum bildades de lättaste kemiska grundämnena – väte, helium och lite litium. Denna process kallas Big Bang-nukleosyntes (eng. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Halterna av lätta grundämnen beror känsligt på densiteten hos all baryonisk (vanlig) materia. Observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och analyser av förhållandena mellan dessa grundämnen visar att det inte kan finnas för mycket baryonisk materia i universum – annars skulle man behöva motsäga de observerade mängderna helium eller deuterium. Kort sagt visar BBN att vanlig materia utgör omkring 5 % av universums energi- och materiahalt.
4.2 Mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen
Högupplösta data från satelliter som COBE, WMAP och Planck har gjort det möjligt för kosmologer att bestämma temperaturfluktuationerna i CMB med enastående precision. Fluktuationernas karaktär, särskilt deras vinklade effektspektrum, gör det möjligt att uppskatta densiteten hos olika komponenter (mörk materia, mörk energi och baryonisk materia). Dessa mätningar stämmer mycket väl överens med den kosmologiska modell där mörk materia är en separat, icke-baryonisk komponent. Om den gravitationseffekt som vi för närvarande tillskriver mörk materia bara vore den samlade dragningskraften från synlig materia, skulle CMB:s effektspektrum se helt annorlunda ut.
5. Finns det något annat sätt att säga att mörk materia bara är ”gravitation”?
Tanken ”tänk om mörk materia egentligen bara är en brist i gravitationslagarna?” har gett upphov till olika teorier om modifierad gravitation. De föreslår att Einsteins allmänna relativitetsteori eller Newtons dynamik ska korrigeras på galaktisk och större skala, ibland genom att lägga fram en tämligen komplex matematisk grund. Sådana teorier försöker förklara galaxernas rotationskurvor och linseffekter i galaxhopar utan ytterligare, osynliga partiklar.
De viktigaste utmaningarna för teorier om modifierad gravitation:
- Anpassning: Gravitationen måste justeras på galaktisk skala, samtidigt som man förblir förenlig med observationer av solsystemet och den allmänna relativitetsteorin, som redan har bekräftats med mycket hög precision av många experiment.
- Strukturbildning: Teorier måste förklara inte bara galaxernas rotationskurvor, utan också hur strukturer i universum bildas från den tidiga historien fram till i dag, i överensstämmelse med observationer från olika epoker.
- Relativistiska effekter: När gravitationslagen ändras måste man ta hänsyn till fenomen som gravitationslinsning och data från Bullet Cluster.
Även om ”Lambda kall mörk materia” (eng. ΛCDM) – den nuvarande standardmodellen för kosmologin, där både mörk materia och mörk energi (Λ) existerar – har vissa brister, har ingen teori om modifierad gravitation hittills lyckats förklara alla observationer lika framgångsrikt som ΛCDM.
6. Slutsats
Idén att mörk materia helt enkelt skulle kunna vara all materia i universums ömsesidiga gravitationsattraktion är intressant. Den överensstämmer med strävan efter en enklare förklaring som inte kräver ett nytt koncept med osynlig materia. I grunden ligger detta i linje med den gamla vetenskapliga och filosofiska uppfattningen att man med Ockhams rakkniv bör göra sig av med onödiga hypoteser.
Men årtionden av astronomiska och kosmologiska observationer visar att den sammanlagda mängden känd materia inte ensam förklarar problemet med den ”saknade massan”. Galaxernas rotationskurvor, data från gravitationslinser, takten för bildandet av storskaliga strukturer, mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen i mikrovågsområdet och begränsningarna från Big Bang-nukleosyntesen – allt detta tyder på att det finns en typ av materia som existerar utöver och i tillägg till den materia vi känner till. Dessutom visar Bullet Cluster och liknande observationer att den osynliga massan beter sig annorlunda än vanlig materia (till exempel genom att i liten utsträckning delta i andra, icke-gravitationella växelverkningar).
Kosmologin är dock ett vetenskapligt område i ständig utveckling. Nya observationer – från gravitationsvågor till mer precisa kartor över galaxernas fördelning och ännu bättre analyser av CMB – förbättrar ständigt vår förståelse. Hittills visar de flesta observationsdata att mörk materia verkligen existerar som en separat, icke-baryonisk form av materia. Samtidigt är ett öppet sinne och uppmärksamhet på oväntade data fortfarande mycket viktigt – vetenskapen går trots allt framåt när hypoteser testas och ändras när de inte stämmer överens med nya fakta.
För närvarande stöder observationerna starkast idén att mörk materia är en verklig, fysisk komponent. Att ändå fråga ”men tänk om det faktiskt finns ett alternativ?” är att värna den vetenskapliga nyfikenhetens anda, som är särskilt viktig när vi försöker förstå universums mysterier.
Vidare läsning
- Mörk materia i universum – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet Cluster som bevis mot modifierad gravitation – observationspublikationer av många författare, till exempel Clowe med flera.
- Testning av MOND:s förutsägelser – olika studier av galaxers rotationskurvor (till exempel arbeten av Stacy McGaugh och medförfattare).
- Observationer av kosmologiska parametrar – data från uppdragen Planck, WMAP och COBE.