Czy Ciemna Materia to po prostu Uniwersalna Grawitacja?
Udostępnij
A co jeśli ciemna materia to po prostu grawitacyjne przyciąganie całego Wszechświata na siebie?
Kompleksowe zgłębienie intrygującego pomysłu
Ciemna materia jest jedną z wielkich tajemnic współczesnej kosmologii i astrofizyki. Obserwacje obejmujące krzywe rotacji galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne i formowanie struktur na dużą skalę silnie sugerują, że we Wszechświecie istnieje forma materii, która nie oddziałuje ze światłem — stąd nazwa „ciemna”. Tradycyjne obliczenia oparte na grawitacji newtonowskiej i einsteinowskiej wskazują, że widzialna, „normalna” materia (protony, neutrony, elektrony) stanowi tylko około 5% całkowitej gęstości energii Wszechświata, podczas gdy ciemna materia stanowi około 27% (resztę stanowi ciemna energia).
A co jeśli ta brakująca masa to iluzja? Być może jest to po prostu wynik grawitacyjnego przyciągania całego Wszechświata — drobne wkłady każdej gwiazdy, planety i cząstki gazu w kosmosie sumujące się, by wywołać efekty, które interpretujemy jako „ciemną materię”. To fascynujący eksperyment myślowy: czy moglibyśmy zrezygnować z ciemnej materii jako oddzielnego składnika i po prostu przypisać jej efekty łącznemu przyciąganiu grawitacyjnemu całej widzialnej materii na ogromnych odległościach?
W tym artykule zgłębiamy ten pomysł — analizując obserwowane dowody na istnienie ciemnej materii, sposoby, w jakie naukowcy próbowali to wyjaśnić, oraz dlaczego stwierdzenie „to po prostu grawitacja wszystkiego innego” zawiera pewne prawdy, ale ostatecznie nie wytrzymuje bliższej analizy.
1. Dowody na istnienie ciemnej materii
1.1 Krzywe rotacji galaktyk
Jednym z pierwszych mocnych dowodów na istnienie ciemnej materii były pomiary, jak gwiazdy krążą wokół centrów galaktyk. Zgodnie z mechaniką newtonowską prędkość orbitalna gwiazd na obrzeżach galaktyki powinna maleć wraz z oddalaniem się od centrum galaktyki — podobnie jak planety w Układzie Słonecznym poruszają się wolniej, im dalej są od Słońca.
Jednak astronomowie odkryli, że gwiazdy w zewnętrznych rejonach galaktyk spiralnych poruszały się znacznie szybciej, niż się spodziewano. To zjawisko — znane jako „płaskie krzywe rotacji” — sugeruje, że obecna jest znacznie większa masa niż ta, którą możemy wykryć za pomocą promieniowania elektromagnetycznego (światła o wszystkich długościach fal). Gdyby jedyną masą były widoczne gwiazdy, gaz i pył, te zewnętrzne gwiazdy powinny krążyć wolniej. Najprostsze wyjaśnienie ich niespodziewanie wysokich prędkości to obecność dodatkowej, niewidocznej masy — ciemnej materii.
1.2 Soczewkowanie grawitacyjne
Soczewkowanie grawitacyjne to zaginanie światła przez masywne obiekty, zgodnie z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności Einsteina. Gdy astronomowie obserwują gromady galaktyk, widzą efekty soczewkowania na galaktykach tła, które są znacznie silniejsze niż można by wyjaśnić samą widoczną materią. Ilość zagięcia wymaga dodatkowej masy — co ponownie wskazuje na ciemną materię.
W niektórych znanych przypadkach, takich jak Gromada Pocisku, astronomowie zaobserwowali rozdzielenie między widoczną masą a „masą soczewkującą”. W tym zderzeniu dwóch gromad galaktyk gorący gaz (widoczny na zdjęciach rentgenowskich) jest oddzielony od miejsca, gdzie widoczny jest najsilniejszy efekt grawitacyjny. Sugeruje to formę masy, która nie oddziałuje elektromagnetycznie (tzn. nie zderza się i nie zwalnia tak jak gaz), a mimo to ma potężny wpływ grawitacyjny.
1.3 Obserwacje kosmologiczne i formowanie struktur
Kiedy patrzymy na kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) — „blask po Wielkim Wybuchu” — widzimy wzory fluktuacji gęstości. Te fluktuacje ostatecznie rozwinęły się w galaktyki i gromady, które widzimy dzisiaj. Symulacje komputerowe formowania struktur pokazują, że ciemna materia jest niezbędna, aby wyjaśnić, jak te początkowe „nasiona” struktur rosły wystarczająco szybko, by uformować obserwowane we Wszechświecie duże układy galaktyk. Bez ciemnej materii byłoby niezwykle trudno (jeśli nie niemożliwe) przejść od niemal jednorodnego wczesnego Wszechświata do silnie skupionego rozkładu materii, który widzimy teraz.
2. Proponowany pomysł: skumulowana grawitacja całej materii
Pojęcie, że „może ciemna materia to po prostu wszystko przyciągające wszystko inne”, ma pewien urok. W końcu grawitacja działa na nieskończone odległości; bez względu na to, jak daleko od siebie są dwie masy, nadal wywierają na siebie siłę grawitacyjną. Jeśli wyobrazisz sobie niemal nieskończoną liczbę gwiazd i galaktyk we Wszechświecie, które wzajemnie na siebie oddziałują, być może to może wywołać dodatkowy efekt grawitacyjny wystarczająco duży, by wyjaśnić brakującą masę.
2.1 Intuicyjna atrakcyjność
1. Jedność efektów grawitacyjnych: W pewnym sensie to jednoczy problem. Zamiast wprowadzać nowy rodzaj materii, moglibyśmy założyć, że po prostu obserwujemy skutki znanej materii we Wszechświecie na dużą skalę.
2. Prostota: Wydaje się to prostsze — jest tylko materia barionowa (ta, którą znamy) i nic więcej. Może przeoczyliśmy skumulowany wkład grawitacyjny, który staje się istotny na dużych skalach.
Jednak choć na pierwszy rzut oka prosta, ta propozycja napotyka poważne wyzwania, gdy zestawimy ją z precyzyjnymi obserwacjami i dobrze przetestowanymi teoriami fizycznymi. Przyjrzyjmy się, gdzie leżą trudności.
3. Dlaczego całkowite przyciąganie grawitacyjne znanej materii prawdopodobnie nie wystarcza
3.1 Standardowe a zmodyfikowane podejścia do grawitacji
Próby wyjaśnienia zjawisk kosmicznych bez ciemnej materii często mieszczą się w ramach „zmodyfikowanej grawitacji”. Zamiast postulować nowy rodzaj materii, niektórzy naukowcy proponują zmiany w naszym rozumieniu praw grawitacji na skalach kosmicznych. Znanym przykładem jest MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND zakłada, że przy bardzo niskich przyspieszeniach (jak na obrzeżach galaktyk) grawitacja zachowuje się inaczej niż przewidują standardowe modele Newtona czy Einsteina.
Gdyby pomysł, że cała materia Wszechświata łącznie wytwarza silniejszą grawitację, był prawdziwy, mógłby należeć do kategorii przypominającej model zmodyfikowanej grawitacji. Zwolennicy MOND i pokrewnych teorii nadal poszukują sposobów wyjaśnienia krzywych rotacji galaktyk i innych zjawisk. Choć MOND potrafi dopasować niektóre obserwacje (szczególnie krzywe rotacji galaktyk), ma trudności z wyjaśnieniem innych (jak rozkład masy soczewkowania grawitacyjnego Gromady Pocisku).
W związku z tym każda teoria „grawitacyjnego przyciągania całej materii” musiałaby uwzględniać nie tylko krzywe rotacji, ale także zjawiska soczewkowania, zderzenia gromad i formowanie struktur na dużą skalę. Jak dotąd nie udało się opracować jednej kompleksowej zmodyfikowanej teorii, która całkowicie zastąpiłaby ciemną materię, wyjaśniając jednocześnie wszystkie obserwacje.
3.2 Prawo odwrotności kwadratu i skale kosmiczne
Grawitacja słabnie wraz z kwadratem odległości między dwoma masami (zgodnie z prawem grawitacji Newtona). Na skalach kosmicznych rzeczywiście istnieje przyciąganie ze strony odległych galaktyk, gromad i włókien materii, ale znacznie maleje wraz z odległością. Dane obserwacyjne sugerują, że masa, którą możemy zobaczyć (materia barionowa), nie jest wystarczająco liczna — i nie jest rozmieszczona w odpowiedni sposób — aby wywołać efekty grawitacyjne przypisywane ciemnej materii.
Gdyby cała widzialna materia we Wszechświecie została zebrana razem i użyta do obliczenia pól grawitacyjnych na różnych skalach kosmicznych, uzyskane wyniki nadal nie odpowiadałyby obserwowanym krzywym rotacji, siłom soczewkowania czy tempom wzrostu struktury. Zasadniczo, gdyby Wszechświat zawierał tylko materię barionową, widzielibyśmy efekty grawitacyjne znacznie słabsze niż te, które obserwujemy.
3.3 Gromada Pocisku i „Zaginiony” Rozkład Masy
Gromada Pocisku jest szczególnie uderzającym dowodem. W zderzeniu dwóch gromad galaktyk normalna materia (głównie w postaci gorącego gazu) jest spowalniana i ciągnięta przez tarcie, podczas gdy komponent bezkolizyjny (interpretowany jako ciemna materia) przechodzi z minimalną interakcją. Pomiary soczewkowania grawitacyjnego pokazują, że większość masy grawitacyjnej przesunęła się dalej, przed świetlisty gaz.
Gdyby brakująca masa była jedynie sumarycznym przyciąganiem grawitacyjnym całej zwykłej materii we Wszechświecie, spodziewalibyśmy się, że rozkład tej masy nadal pokrywa się z widoczną materią (która jest skutecznie spowolniona przez zderzenia). Zamiast tego rozdzielenie widocznego gazu i „masy grawitacyjnej” silnie sugeruje istnienie dodatkowego, bezkolizyjnego składnika — ciemnej materii.
4. Testowanie „Grawitacji całej materii” w kontekście kosmologii
4.1 Ograniczenia syntezy nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu
Wczesny Wszechświat wytworzył najlżejsze pierwiastki — wodór, hel i śladowe ilości litu — w procesie znanym jako synteza nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu (BBN). Obfitość tych pierwiastków jest wrażliwa na całkowitą gęstość materii barionowej (normalnej). Obserwacje kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) oraz obfitości pierwiastków pokazują, że Wszechświat nie może mieć więcej niż określoną ilość materii barionowej bez sprzeczności z pomiarami helu i deuteru. Gdyby ciemna materia była po prostu większą ilością normalnej materii, mielibyśmy nadprodukcję (lub niedobór) tych lekkich pierwiastków w porównaniu z obserwacjami. Krótko mówiąc, BBN mówi nam, że materia barionowa musi stanowić tylko niewielką część (około 5%) całkowitego budżetu gęstości energii.
4.2 Pomiary kosmicznego mikrofalowego tła
Dane o wysokiej precyzji z satelitów takich jak COBE, WMAP i Planck pozwoliły kosmologom zmierzyć fluktuacje temperatury w kosmicznym mikrofalowym tle z niezwykłą dokładnością. Wzór tych fluktuacji — a konkretnie ich kątowy widm mocy — daje nam możliwość określenia gęstości różnych składników Wszechświata (ciemnej materii, ciemnej energii i materii barionowej). Te pomiary doskonale zgadzają się z modelem kosmologicznym, w którym ciemna materia jest odrębnym składnikiem niebarionowym. Gdyby wpływy grawitacyjne przypisywane ciemnej materii pochodziły po prostu od całej normalnej materii we wszechświecie, widmo mocy CMB wyglądałoby zupełnie inaczej.
5. Czy ciemna materia mogłaby być „po prostu grawitacją” w inny sposób?
Koncepcja stojąca za pytaniem — „Co jeśli ciemna materia jest artefaktem samej grawitacji?” — doprowadziła do klasy teorii ogólnie określanych jako „teorie zmodyfikowanej grawitacji”. Te teorie proponują modyfikacje Ogólnej Teorii Względności Einsteina lub dynamiki Newtona na skalach galaktycznych lub większych, czasem z użyciem skomplikowanej matematyki. Mają na celu wyjaśnienie zjawisk takich jak krzywe rotacji galaktyk i soczewkowanie gromad bez wprowadzania dodatkowych niewidocznych cząstek.
Niektóre kluczowe punkty i wyzwania związane z teoriami zmodyfikowanej grawitacji obejmują:
- Precyzyjne dostrojenie: Dostosowanie grawitacji na skalach galaktycznych bez wpływu na fizykę Układu Słonecznego lub sprzeczności z niezwykle dokładnymi testami Ogólnej Teorii Względności może być bardzo delikatne.
- Formowanie struktur: Teorie zmodyfikowanej grawitacji muszą nie tylko wyjaśniać rotację galaktyk, ale także to, jak galaktyki powstają i ewoluują, odpowiadając obserwacjom z wielu epok Wszechświata.
- Efekty relatywistyczne: Zjawiska takie jak soczewkowanie grawitacyjne i dane z Gromady Bullet muszą nadal mieć sens, jeśli zmodyfikujemy prawo grawitacji.
Do tej pory żadna teoria zmodyfikowanej grawitacji nie powtórzyła w pełni sukcesów paradygmatu „Lambda Cold Dark Matter” (ΛCDM), obecnego standardowego modelu kosmologii, który uwzględnia niebaryoniczny składnik materii ciemnej oraz ciemną energię (stałą kosmologiczną Λ).
6. Wnioski
Pomysł, że materia ciemna może być po prostu sumarycznym przyciąganiem grawitacyjnym całej materii we Wszechświecie – a nie odrębną i tajemniczą substancją – jest intrygujący. Odwołuje się do naszej intuicji poszukiwania prostszych wyjaśnień, które minimalizują potrzebę nowych, niewidocznych bytów. Rzeczywiście, rezonuje to z odwiecznym upodobaniem naukowców i filozofów do brzytwy Ockhama – nie wprowadzania zbędnych komplikacji.
Jednak dekady obserwacji astrofizycznych i kosmologicznych pokazują, że problem „brakującej masy” nie rozwiązuje się przez zwykłe zsumowanie grawitacji znanej materii. Krzywe rotacji galaktyk, obserwacje soczewkowania grawitacyjnego, formowanie struktur na dużą skalę, pomiary mikrofalowego promieniowania tła oraz ograniczenia nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu wskazują na formę materii oddzielną i dodatkową względem baryonicznej materii, którą widzimy. Co więcej, Gromada Bullet i podobne obserwacje silnie sugerują, że ta niewidoczna masa zachowuje się inaczej podczas zderzeń niż zwykła materia, co potwierdza hipotezę, że ma bardzo słabe (jeśli w ogóle) interakcje niegrawitacyjne.
Mimo to kosmologia to dziedzina ciągle się rozwijająca. Nowe obserwacje, takie jak ulepszone detekcje fal grawitacyjnych oraz dokładniejsze pomiary rozkładu galaktyk i mikrofalowego promieniowania tła, nadal udoskonalają nasze rozumienie. Choć najprostszy wniosek z obecnych danych mówi, że materia ciemna to nowa, niebaryoniczna forma materii, otwarta ciekawość pozostaje sercem postępu naukowego. Najlepsze teorie są przecież nieustannie testowane na podstawie nowych dowodów i udoskonalane – lub zastępowane – gdy zawiodą.
Na razie waga dowodów zdecydowanie przemawia za faktycznym, fizycznie odrębnym składnikiem materii ciemnej. Jednak rozważając pomysły takie jak „A co jeśli to po prostu grawitacja całej materii?” zachowujemy elastyczność perspektyw i otwartość umysłu – to kluczowe podejście przy rozwiązywaniu najtrwalszych tajemnic Wszechświata.
Dalsza lektura
- Materia ciemna we Wszechświecie autorstwa Bahcall, N. A. – Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Gromada Bullet jako dowód przeciwko zmodyfikowanej grawitacji – Liczne prace obserwacyjne, np. Clowe i in.
- Testowanie przewidywań MOND – Różne badania krzywych rotacji galaktyk (np. Stacy McGaugh i współpracownicy).
- Obserwacje parametrów kosmologicznych – Dane z misji Planck, WMAP i COBE.