Vad om mörk materia bara är universums inbördes gravitationella dragning?
En grundlig undersökning av denna fascinerande tanke
Mörk materia är en av de största mysterierna inom modern kosmologi och astrofysik. Observationer som omfattar galaxers rotationskurvor, gravitationell linsning och bildandet av storskaliga strukturer visar att det finns en form av materia i universum som inte interagerar med ljus – därav namnet "mörk". Baserat på Newtons och Einsteins gravitationsbegrepp utgör synlig, "vanlig" materia (protoner, neutroner, elektroner) bara cirka 5 % av universums totala energi- och massabalans, medan mörk materia utgör cirka 27 % (resten är mörk energi).
Men vad om denna saknade massa inte alls finns? Kanske är det bara universums egen gravitationseffekt: små gravitationsbidrag från alla stjärnor, planeter och gaspartiklar som tillsammans skapar 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 med den gemensamma gravitationen från synlig materia i stor skala?
I denna artikel kommer vi att undersöka denna idé i detalj – vi kommer att gå igenom bevisen för mörk materias existens, vetenskapliga försök att förklara detta fenomen och varför tanken "det är bara gravitation från allt som finns" är både tilltalande och tyvärr otillräcklig när man ser på detaljerade observationsdata.
1. Bevis för mörk materias existens
1.1 Galaxers rotationskurvor
Ett av de första tydliga bevisen för mörk materias existens är mätningar av stjärnornas banhastigheter i galaxernas utkanter. Enligt Newtons mekanik borde stjärnornas banhastighet i galaxens utkant minska med avståndet från centrum – ungefär som planeterna i vårt solsystem rör sig långsammare ju längre bort de är från solen.
Astronomer har dock observerat att stjärnorna i spiralgalaxernas mest avlägsna regioner rör sig mycket snabbare än vad vanliga beräkningar förutspår. Detta fenomen, kallat "platta rotationskurvor", visar att det finns mycket mer massa än vad vi kan bestämma från elektromagnetisk strålning (ljus i olika våglängder). Om galaxen bara bestod av synlig materia (stjärnor, gas, damm) borde de avlägsna stjärnornas banor vara långsammare. Den enklaste förklaringen är därför att det finns ett extra lager av 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 galaxkluster ser man att deras påverkan på bilden av mer avlägsna galaxer (linsning) är mycket starkare än vad som kan förklaras med bara synlig materia. För att förklara denna effekt krävs extra massa – vilket återigen pekar på mörk materia.
Ett känt exempel är den så kallade Bullet Cluster-kollisionen, där två galaxkluster passerade genom varandra. De varma gaserna (synliga i röntgenområdet) bromsades upp på grund av interaktioner, medan den starkaste gravitationseffekten förflyttades längre bort. Detta tyder på att en del av massan nästan inte interagerar elektromagnetiskt (dvs. fastnar inte som vanlig gas), men har en betydande gravitationell påverkan.
1.3 Kosmologiska observationer och strukturformation
När man tittar på den kosmiska bakgrundsstrålningen (eng. Cosmic Microwave Background, CMB) – "efterskuggan" av Big Bang – observerar forskare täthetsvariationer. Det är just dessa variationer som med tiden växte till de galaxer och kluster vi ser idag. Datorsimuleringar av universums strukturformation visar att utan mörk materia skulle utvecklingen av sådana täthets"frön" till dagens storlekar vara extremt svår att förklara eller till och med omöjlig. Utan mörk materia skulle det vara alltför långsamt för en mycket ojämn materiestruktur (galaxer, galaxkluster) att bildas från det nästan homogena tidiga universum.
2. Föreslagen idé: den gemensamma gravitationen av all materia
Tanken "att mörk materia kanske bara är den ömsesidiga gravitationen mellan allt som existerar" verkar vid första anblicken tilltalande. Gravitation verkar ju över obegränsade avstånd; oavsett hur långt ifrån varandra två objekt i universum är, drar de ändå i varandra. Om vi föreställer oss ett oräkneligt antal stjärnor och galaxer, skulle deras samlade attraktionskraft kanske kunna förklara den extra massan.
2.1 Intuitiv attraktionskraft
1. Enhetlig förklaring av gravitation: Det verkar delvis vara en enande idé. Istället för att införa en ny typ av materia kan vi hävda att vi bara observerar den kollektiva effekten av den materia vi känner till.
2. Enkelhet: Många tycker det är tilltalande att tro att det bara finns baryonisk (vanlig) materia och inget mer. Kanske har vi hittills helt enkelt underskattat den totala gravitationen från all denna materia, särskilt i stora skalor.
Men denna hypotes möter allvarliga utmaningar när den tillämpas på exakta observationsdata och väl beprövade fysikteorier. Låt oss se var problemen uppstår.
3. Varför enbart känd materiell gravitation inte räcker
3.1 Vanlig gravitation kontra modifierad gravitation
Försök att förklara kosmiska fenomen utan mörk materia hamnar ofta inom området för "modifierade gravitationsteorier". Istället för att införa en ny typ av materia föreslås att gravitationslagarna justeras på universums skala. Ett av de mest kända exemplen är MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND hävdar att gravitationen fungerar annorlunda i områden med mycket låga accelerationer (till exempel i galaxers utkanter) än vad Newton eller Einstein förutspår.
Om den totala gravitationen från all materia i universum var den kraft vi felaktigt kallar mörk materia, skulle den i princip fungera som en form av modifierad gravitation. Förespråkare för MOND och liknande teorier försöker förklara galaxers rotationskurvor och andra fenomen. Dock passar MOND, även om den kan förklara vissa observationer (till exempel galaxers rotationskurvor), dåligt ihop med andra fakta (till exempel gravitationslinsningsdata från Bullet Cluster).
Därför måste varje teori som hävdar att "mörk materia" beror enbart på den vanliga materians gravitation framgångsrikt förklara inte bara galaxers rotationskurvor utan också linsning, kollisioner mellan hopar och bildandet av stora strukturer. Hittills har ingen alternativ teori helt ersatt hypotesen om mörk materia så att den överensstämmer med alla observationer.
3.2 Invers kvadratlag och kosmiska skalor
Gravitationskraften avtar med kvadraten på avståndet (enligt Newtons gravitationslag). På kosmiska skalor finns en verklig, om än svag, attraktion mellan avlägsna galaxer, hopar och filament, men denna kraft minskar ganska snabbt med avståndet. Observationsdata visar att enbart synlig (barionisk) materia inte räcker till och inte är fördelad på ett sätt som kan skapa 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 verkliga galaxers rotationskurvor, linsningseffekter eller hastigheten för strukturformation. Enkelt uttryckt, i ett universum bestående endast av barionisk materia skulle gravitationskraften vara för svag för att förklara de observerade effekterna.
3.3 Bullet Cluster och fördelningen av "försvunnen" massa
Bullet Cluster är ett särskilt tydligt exempel. När två galaxhopar kolliderar bromsas den vanliga materian (främst het gas) upp på grund av interaktion, medan den andra – nästan icke-interagerande – massandelen (antagligen mörk materia) framgångsrikt tränger igenom kollisionen utan att sakta ner. Data från gravitationslinsning visar att majoriteten av massan "flyttade sig" längre bort, efter den lysande gasen.
Om den saknade massan förklarades helt av all materia i universum, skulle man förvänta sig att massfördelningen överensstämde bättre med den synliga materian (gasen). Men den observerade skillnaden mellan synlig gas och gravitationellt aktiv massa visar att det finns ytterligare materia som inte interagerar elektromagnetiskt – mörk materia.
4. "All materias gravitation" och kosmologi
4.1 Begränsningar för Big Bang-nukleosyntesen
I det tidiga universum bildades de lättaste kemiska elementen – väte, helium och lite litium. Denna process kallas Big Bang-nukleosyntes (eng. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Mängden lätta element är känsligt beroende av den totala tätheten av barionisk (vanlig) materia. Genom att observera den kosmiska bakgrundsstrålningen och studera förhållandena mellan dessa element kan man se att det inte kan finnas för mycket barionisk materia i universum – annars skulle det strida mot de observerade mängderna helium och deuterium. Kort sagt visar BBN att vanlig materia utgör cirka 5% av universums energi- och materiebalans.
4.2 Mätningar av kosmisk bakgrundsstrålning i mikrovågsområdet
Högupplösta data från satelliter som COBE, WMAP och Planck har gjort det möjligt för kosmologer att mycket exakt bestämma fluktuationerna i CMB-temperaturen. Karaktären hos dessa fluktuationer, särskilt deras vinkelspektrum, ger möjlighet att uppskatta tätheten av olika komponenter (mörk materia, mörk energi och barionisk materia). Dessa mätningar stämmer mycket väl överens med en kosmologisk modell där mörk materia är en separat, icke-barionisk komponent. Om gravitationseffekten som vi för närvarande tillskriver mörk materia bara var den gemensamma attraktionskraften från synlig materia, skulle CMB:s spektrum se helt annorlunda ut.
5. Finns det ett annat sätt att säga att mörk materia bara är "gravitation"?
Idén "tänk om mörk materia egentligen bara är en ofullkomlighet i gravitationslagarna?" har lett till olika modifierade gravitationsteorier. De föreslår att korrigera Einsteins allmänna relativitetsteori eller Newtons dynamik på galax- och större skala, ibland med ganska komplex matematisk grund. Sådana teorier försöker förklara galaxers rotationskurvor och klustrens linsning utan extra, osynliga partiklar.
Huvudsakliga utmaningar för modifierade gravitationsteorier:
- Anpassning: Gravitationskraften måste justeras på galaxskala, men samtidigt förbli förenlig med observationer i solsystemet och den allmänna relativitetsteorin, som många experiment redan har bekräftat med hög precision.
- Strukturens bildning: Teorier måste förklara inte bara galaxers rotationskurvor utan också bildandet av universums strukturer från tidiga tider till idag, i enlighet med observationer från olika epoker.
- Relativistiska effekter: Vid ändring av gravitationslagen måste man inte motsäga fenomen som gravitationell linsning eller data från Bullet Cluster.
Även om "Lambda Kall Mörk Materia" (eng. ΛCDM) – den nuvarande standardkosmologiska modellen som inkluderar både mörk materia och mörk energi (Λ) – har vissa brister, har ingen modifierad gravitationsteori hittills lyckats förklara alla observationer lika framgångsrikt som ΛCDM.
6. Slutsats
Idén att mörk materia helt enkelt kan vara den ömsesidiga gravitationella attraktionen mellan all materia i universum är intressant. Den sammanfaller med strävan att hitta en enklare förklaring som inte kräver en ny, osynlig materiekoncept. I grunden resonerar detta med den gamla vetenskapliga och filosofiska principen att Occams rakkniv bör användas för att eliminera onödiga hypoteser.
Men årtionden av astronomiska och kosmologiska observationer visar att den kända materians totala mängd inte förklarar "det saknade massproblemet". Galaxers rotationskurvor, data om gravitationell linsning, hastigheten för bildandet av stora strukturer, mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen och begränsningar från Big Bang-nukleosyntesen – alla dessa tyder på att det finns en typ av materia som existerar utöver och tillsammans med den vanliga materian vi känner till. Dessutom visar Bullet Cluster och liknande observationer att den osynliga massan beter sig annorlunda än vanlig materia (till exempel deltar den knappt i andra än gravitationella interaktioner).
Kosmologin är dock ett ständigt utvecklande vetenskapsområde. Nya observationer – från gravitationsvågor till mer exakta kartor över galaxfördelning och ännu bättre analys av CMB – förbättrar ständigt vår förståelse. Hittills visar de flesta observationsdata att mörk materia verkligen existerar som en separat, icke-barionisk form av materia. Men ett öppet sinne och vaksamhet inför oväntade data förblir mycket viktiga – vetenskapen går framåt när hypoteser testas och ändras när de inte stämmer överens med nya fakta.
För närvarande stöder observationerna mest idén att mörk materia är en verklig, fysisk komponent. Att ändå fråga "finns det kanske ett alternativ?" är att upprätthålla en vetenskaplig nyfikenhet som är särskilt viktig för att förstå universums mysterier.
Vidare läsning
- Mörk materia i universum – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- The Bullet Cluster som bevis mot modifierad gravitation – publikationer av observationer från flera författare, t.ex. Clowe med flera.
- Testning av MOND-prediktioner – olika studier av galaxers rotationskurvor (till exempel arbeten av Stacy McGaugh och medförfattare).
- Observationer av de kosmologiska parametrarna – data från Planck, WMAP, COBE-uppdragen.