Що, якщо темна матерія – це лише взаємне гравітаційне тяжіння всієї Всесвіту?
Детальне дослідження інтригуючої ідеї
Темна матерія є однією з найбільших загадок сучасної космології та астрофізики. Спостереження, що охоплюють криві обертання галактик, гравітаційне лінзування та формування великомасштабної структури, свідчать про існування у Всесвіті форми матерії, яка не взаємодіє зі світлом – через це її й назвали «темною». Відповідно до уявлень Ньютона та Ейнштейна про гравітацію, видима, «звичайна» матерія (протони, нейтрони, електрони) становить лише близько 5% загального балансу енергії та матерії у Всесвіті, а темна матерія – близько 27% (решту становить темна енергія).
Але що, якщо цієї відсутньої маси взагалі немає? Можливо, це просто ефект взаємного тяжіння Всесвіту: невеликі внески гравітації всіх зірок, планет і частинок газу, які в сумі створюють явища, які ми пояснюємо як «темну матерію». Це інтригуюча думка: чи могли б ми відмовитися від поняття темної матерії як окремого компонента і пояснити все лише загальним гравітаційним впливом видимої матерії на величезних масштабах?
У цій статті ми детально дослідимо цю ідею – розглянемо докази існування темної матерії, наукові спроби пояснити це явище та чому думка «це просто гравітація від усього, що існує» є одночасно привабливою і, на жаль, недостатньою, з огляду на детальні спостережні дані.
1. Докази існування темної матерії
1.1 Криві обертання галактик
Одним із перших яскравих доказів існування темної матерії є вимірювання швидкості орбіт зірок на краях галактик. За механікою Ньютона швидкість орбіт зірок на краю галактики мала б зменшуватися зі збільшенням відстані від центру – подібно до того, як швидкість планет у нашій Сонячній системі зменшується, віддаляючись від Сонця.
Проте астрономи помітили, що зірки в спіральних галактиках у найвіддаленіших регіонах рухаються значно швидше, ніж передбачали звичайні розрахунки. Це явище, яке називають «плоскими кривими обертання», свідчить про існування набагато більшої маси, ніж ми можемо визначити за електромагнітним випромінюванням (світлом у різних довжинах хвиль). Якби в галактиці існувала лише видима матерія (зірки, газ, пил), орбіти віддалених зірок мали б бути повільнішими. Тож найпростіше пояснення – існує додатковий, невидимий шар маси, тобто темна матерія.
1.2 Гравітаційне лінзування
Гравітаційне лінзування — це здатність масивних об'єктів викривляти світло, як описано в загальній теорії відносності Ейнштейна. Спостерігаючи скупчення галактик, видно, що їхній вплив на зображення віддалених галактик (лінзування) значно сильніший, ніж можна пояснити лише видимою матерією. Щоб пояснити цей ефект, потрібна додаткова маса — знову ж таки вказується на темну матерію.
Відомим прикладом є так зване зіткнення Bullet Cluster, де два скупчення галактик пролетіли одне крізь одне. Гарячі гази (видимі в рентгенівському діапазоні) були уповільнені через взаємодії, а найсильніший гравітаційний вплив змістився далі. Це дозволяє припустити, що частина маси майже не взаємодіє електромагнітно (тобто не заважає одна одній, як звичайні гази), але має значний гравітаційний вплив.
1.3 Космологічні спостереження та формування структури
Дивлячись на космічне мікрохвильове фонове випромінювання (англ. Cosmic Microwave Background, CMB) — «відлуння» Великого вибуху, вчені спостерігають нерівномірності густини. Саме ці нерівномірності з часом переросли у галактики та скупчення, які ми бачимо сьогодні. Комп'ютерні симуляції формування структури Всесвіту показують, що без темної матерії розвиток таких «насінин» густини до сучасних розмірів був би надзвичайно важко пояснити або навіть неможливий. Без темної матерії формування дуже нерівномірної структури матерії (галактик, скупчень галактик) із майже однорідного раннього Всесвіту було б надто повільним.
2. Запропонована ідея: спільне гравітаційне притягання всієї матерії
Ідея «а може, темна матерія — це просто взаємна гравітаційна взаємодія всього, що існує» на перший погляд здається привабливою. Адже гравітація діє на необмежених відстанях; якими б далекими не були два об'єкти у Всесвіті, вони все одно притягують один одного. Якщо уявити незліченну кількість зірок і галактик, можливо, їхній загальний гравітаційний вплив міг би пояснити ту додаткову масу.
2.1 Інтуїтивна привабливість
1. Єдине пояснення гравітації: Частково це виглядає як об'єднуюча ідея. Замість введення нового типу матерії, можна стверджувати, що ми спостерігаємо лише колективний вплив відомої нам матерії.
2. Простота: Багатьом привабливо вважати, що існує лише баріонна (звичайна) матерія і нічого більше. Можливо, досі ми просто недооцінювали загальну гравітацію цієї матерії, особливо на великих масштабах.
Однак ця гіпотеза стикається з серйозними викликами, коли застосовується до точних даних спостережень і добре перевірених фізичних теорій. Розглянемо, де виникають проблеми.
3. Чому лише відомої матерії взаємної гравітації недостатньо
3.1 Звичайна проти модифікованої гравітації
Спроби пояснити космічні явища без темної матерії часто потрапляють у сферу "модифікованих теорій гравітації". Замість введення нового виду матерії пропонується коригувати закони гравітації на масштабах Всесвіту. Один із найвідоміших прикладів – MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics). MOND стверджує, що в областях з дуже малими прискореннями (наприклад, на краях галактик) гравітація діє інакше, ніж передбачають Ньютон чи Ейнштейн.
Якщо загальна гравітація всієї матерії Всесвіту була б тією силою, яку помилково називають темною матерією, вона фактично мала б діяти як певна модифікована версія гравітації. Прихильники MOND та подібних теорій намагаються пояснити криві обертання галактик та інші явища. Проте MOND, хоч і може підходити для деяких спостережень (наприклад, кривих обертання галактик), важко узгоджується з іншими фактами (наприклад, даними гравітаційного лінзування Bullet Cluster).
Тому будь-яка теорія, що стверджує, що "темна матерія" зумовлена лише загальною гравітацією звичайної матерії, повинна успішно пояснювати не лише криві обертання галактик, а й лінзування, зіткнення скупчень та формування великомасштабної структури. Поки що жодна альтернативна теорія повністю не замінила гіпотезу темної матерії так, щоб відповідати всім спостереженням.
3.2 Закон оберненого квадрату і космічні масштаби
Гравітаційна сила слабшає пропорційно квадрату відстані (згідно з законом всесвітнього тяжіння Ньютона). На космічних масштабах існує реальна, хоча й незначна, сила тяжіння далеких галактик, скупчень і філаментів, але ця сила досить швидко зменшується з відстанню. Дані спостережень показують, що лише видимої (баріонної) матерії недостатньо, і вона не розподілена так, щоб створити гравітаційні ефекти, які приписують темній матерії.
Якщо спробувати підсумувати всю видиму матерію Всесвіту і розрахувати її гравітаційний вплив на різних космічних масштабах, виявиться, що все одно не можна відтворити реальні криві обертання галактик, ефекти лінзування чи швидкість формування структури. Простими словами, у Всесвіті, де існувала б лише баріонна матерія, гравітаційна сила була б надто слабкою, щоб пояснити спостережуваний ефект.
3.3 Bullet Cluster і розподіл "зниклої" маси
Bullet Cluster є особливо яскравим прикладом. При зіткненні двох скупчень галактик звичайна матерія (переважно гарячий газ) сповільнювалася через взаємодію, а інша – майже не взаємодіюча – частина маси (вважається, що це темна матерія) успішно пройшла крізь зіткнення без уповільнення. Дані гравітаційного лінзування показують, що більшість маси "відсунулася" далі, відстаючи від світної газової речовини.
Якщо відсутню масу пояснювати просто всією матерією Всесвіту, слід очікувати, що розподіл маси більше відповідатиме видимій матерії (уповільненій газами). Однак спостережуваний розрив між видимим газом і гравітаційно активною масою свідчить про існування додаткової, неелектромагнітно взаємодіючої матерії – темної матерії.
4. «Гравітація всієї матерії» та космологія
4.1 Обмеження нуклеосинтезу Великого вибуху
У ранньому Всесвіті сформувалися найлегші хімічні елементи – водень, гелій і трохи літію. Цей процес називається нуклеосинтезом Великого вибуху (англ. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Кількість легких елементів чутливо залежить від загальної густини баріонної (звичайної) матерії. Спостерігаючи космічне мікрохвильове фонове випромінювання та вивчаючи співвідношення цих елементів, видно, що у Всесвіті не може бути надто багато баріонної матерії – інакше довелося б суперечити спостережуваним кількостям гелію чи дейтерію. Коротко кажучи, BBN показує, що звичайна матерія становить близько 5% енергетичного та матеріального балансу Всесвіту.
4.2 Вимірювання космічного мікрохвильового фонового випромінювання
Дані високої роздільної здатності, отримані з супутників, таких як COBE, WMAP та Planck, дозволили космологам надзвичайно точно визначити флуктуації температури КФМ. Характер цих флуктуацій, особливо їхній кутовий спектр потужності, дає змогу оцінити густину різних компонентів (темної матерії, темної енергії та баріонної матерії). Ці вимірювання дуже добре узгоджуються з космологічною моделлю, в якій темна матерія є окремим, небаріонним компонентом. Якби гравітаційний вплив, який ми наразі приписуємо темній матерії, був лише загальною гравітацією видимої матерії, спектр потужності КФМ виглядав би зовсім інакше.
5. Чи існує інший спосіб сказати, що темна матерія — це «гравітація»?
Ідея «що, якщо темна матерія насправді є лише недосконалістю законів гравітації?» спонукала різні теорії модифікованої гравітації. Вони пропонують виправити загальну теорію відносності Ейнштейна або динаміку Ньютона на галактичному та більших масштабах, іноді пропонуючи досить складну математичну основу. Такі теорії намагаються пояснити криві обертання галактик та лінзування скупчень без додаткових, невидимих частинок.
Основні виклики для теорій модифікованої гравітації:
- Підгонка: Потрібно коригувати гравітацію на масштабі галактик, але водночас залишатися узгодженими зі спостереженнями Сонячної системи та загальною теорією відносності, яку численні експерименти вже підтвердили з високою точністю.
- Формування структури: Теорії мають пояснювати не лише криві обертання галактик, а й формування структур Всесвіту від ранніх часів до сьогодення, відповідно до спостережень у різні епохи.
- Релятивістські ефекти: При зміні закону гравітації необхідно не суперечити явищам, таким як гравітаційне лінзування, або даним Кулястого скупчення.
Хоча «Лямбда холодна темна матерія» (англ. ΛCDM) – сучасна стандартна космологічна модель, в якій існують і темна матерія, і темна енергія (Λ), має певні недоліки, жодна теорія модифікованої гравітації поки не змогла так успішно пояснити всі спостереження, як ΛCDM.
6. Висновок
Ідея, що темна матерія може бути просто взаємним гравітаційним тяжінням усієї матерії у Всесвіті – цікава. Вона збігається з прагненням шукати простіше пояснення, яке не вимагає нової, невидимої матерії. По суті, це резонує зі старою науковою і філософською ідеєю, що лезом Оккама слід позбавлятися від зайвих гіпотез.
Однак десятиліття астрономічних і космологічних спостережень показують, що лише загальна кількість відомої матерії не пояснює проблему «відсутньої маси». Криві обертання галактик, дані гравітаційного лінзування, темпи формування великомасштабної структури, вимірювання космічного мікрохвильового фону та обмеження нуклеосинтезу Великого вибуху – всі вони свідчать про існування типу матерії, що є поза і додатково до звичайної матерії. Більше того, спостереження Кулястого скупчення та подібних показують, що невидима маса поводиться інакше, ніж звичайна матерія (наприклад, мало бере участь в інших, не гравітаційних взаємодіях).
Водночас космологія є постійно розвиваючоюся науковою галуззю. Нові спостереження – від гравітаційних хвиль до точніших карт розподілу галактик і ще кращого аналізу CMB – постійно вдосконалюють наше розуміння. Поки що більшість даних спостережень свідчать, що темна матерія справді існує як окремий, небарионний тип матерії. Однак відкритість мислення і уважність до несподіваних даних залишаються дуже важливими – адже наука рухається вперед, коли гіпотези перевіряються і змінюються, якщо вони не відповідають новим фактам.
Наразі спостереження найбільше підтримують ідею, що темна матерія є реальною, фізичною складовою. Проте ставити питання «а чи існує все ж альтернатива?» – означає підтримувати дух наукової допитливості, який особливо потрібен для розуміння таємниць Всесвіту.
Подальше читання
- Темна матерія у Всесвіті – Бахколл, Н. А., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Кулястий скупчення як доказ проти модифікованої гравітації – публікації спостережень багатьох авторів, наприклад, Клоу та ін.
- Перевірка передбачень MOND – різні дослідження кривих обертання галактик (наприклад, роботи Стейсі МакГаф та співавторів).
- Спостереження космологічних параметрів – дані місій Planck, WMAP, COBE.