Mums gali tekti perrašyti savo supratimą apie gravitaciją

Matuojant galaktikų masę dviem būdais, rezultatai nesutampa. Šį neatitikimą gali išspręsti tamsioji materija, bet galima ir perrašant gravitacijos dėsnius, tvirtina Chanda Prescod-Weinstein.

Pastaruoju metu daug kartų kalbėjau apie savo tyrimą įvairioms mokslo auditorijoms. Klausytojų spektras platus – nuo studentų iki mano srities specialistų – kitaip tariant, žmonės, kurie irgi ieško bei bando suprasti tamsiosios materijos elgseną.

Beveik visus tokius susirinkimus pradedu nuo galaktikų stebėjimų, kuriuos atliko Vera Rubin ir Kent Ford, paaiškinimo. Stebėjimai parodė, kad yra neatitikimas tarp jų galaktikų masės skaičiavimų ir to, ko būtų galima tikėtis, jei masė remtųsi žvaigždžių skaičiumi galaktikose. Tuomet stengiuosi itin pabrėžti, kad šį neatitikimą galima išspręsti dviem būdais: arba tose galaktikose yra daugiau materijos, nei matome, arba turimus duomenis neteisingai interpretuojame – trumpiau tariant, kad mūsų gravitacijos teorija yra neteisinga.

Netrukus darosi akivaizdu, kad likusį kalbos laiką dėmesį sutelksiu į idėją, kad galaktikose yra daugiau materijos, ir ji yra vadinamoji tamsioji materija. Bet stengiuosi pažymėti, kad modifikuota gravitacija – peržiūrėta mūsų gravitacijos teorija, kuri paaiškintų neatitinkančius duomenis – irgi yra aktyvių tyrimų sritis.

Norint geriau suprasti, kaip šios idėjos iš viso radosi, verta daugiau laiko skirti suprasti pirmus įtikimus įrodymus, kad išvis yra sprendimo reikalaujanti problema.

O būtent, Rubin ir Fordas atrado, kad žvaigždės apie savo galaktikų centrus skrieja greičiau, nei būtų galima tikėtis, atsižvelgiant į galaktikų masės skaičiavimus, jei skaičiuojamos tik žvaigždžių masės.

Tuo metu astronomai galaktikų mases skaičiavo, apjungdami stebėjimus. Iš pradžių jie ieškodavo tipinio galaktikos žvaigždžių šviesio ir iš to vertindavo kiekvienos žvaigždės masę. Tai įmanoma atlikti, nes šviesis parodo, kiek kuro turi žvaigždė, o tai tiesiogiai koreliuoja su jos mase. Tuomet, sudėję visų žvaigždžių mases, astronomai suskaičiavo galaktikos masę.

Tuo tarpu Rubin naudojo Fordo sukurtą instrumentą išbandyti alternatyviam galaktikų masės skaičiavimo būdui. Stebėdama žvaigždžių greičius ir jų atstumus nuo galaktikos centro, apjungė juos Niutono gravitacijos lygtimis, iš kurių galima suskaičiuoti masę. Beje, šios lygties JAV mokomi pirmakursiai – ir netgi vidurinių mokyklų mokiniai.

„Turime problemą: du galaktikos masės įvertinimo būdai, paremti skirtingomis fizikos dalimis, pateikia skirtingus atsakymus”

Tačiau kyla problema: šiais būdais, paremtais skirtingomis fizikos dalimis, išmatuotos galaktikų masės skiriasi.

Fizikas iš Izraelio Mordehai Milgrom praėjusio amžiaus devintojo dešimtmečio pradžioje pasiūlė Rubin ir Fordo stebėjimo duomenis paaiškinančią „modifikuotą Niutono dinamiką“ (MOND). Jis iškėlė idėją, kad gal greičiai ir spinduliai tiesiog rašomi į klaidingą lygtį. Ar tokie jo teiginiai pagrįsti?

Žinoma, tai nebuvo pirmasis spėjimas, kad Niutono gravitacijos teorija gali būti klaidinga: žinome, kad kai kuriais atvejais reikia naudoti Alberto Einšteino reliatyvumo teoriją.

Tačiau, beveik po 40 metų, hipotezė, kad galaktikose yra tamsioji materija – tokia medžiaga, kurios negalime matyti – tebelieka daug populiaresniu šio neatitikimo sprendimu. Tamsiąją materiją pirmasis pasiūlė astronomas Fritz Zwicky 1933 metais, o vėlesni Rubin ir Fordo darbai suteikė daugiau užtikrintumo šia teorija.

Chandra teleskopu gautas rentgeno spindulių atvaizdas (rožinis) virš galaktikų spiečiaus 1E 0657-56, geriau žinomo, kaip Kulkos spiečius, regimosios šviesos vaizdas, darytas Magellan ir Hubble kosminiais teleskopais, o masės pasiskirstymas suskaičiuotas iš gravitacinio lęšiavimo (mėlyna). Mastelis Scale: visas vaizdas 7,5 arcmin pločio, 5,4 arcmin aukščio.
©NASA/CXC/M. Weiss - Chandra X-Ray Observatory: 1E 0657-56

Dabar ši idėja dominuoja iš dalies dėl to, kad pastaraisiais dešimtmečiais atliktus stebėjimus tamsiąja materija pagrįsti modeliai paaiškina geriau, nei MOND. Žymiausias pavyzdys yra susiduriančių galaktikų Kulkos spiečius. Jo stebėjimo duomenys labiau atitinka tamsiosios materijos buvimą, nei modifikuotos gravitacijos modelį.

Be to, nauji kosminio mikrobangų fono (KMF) spinduliavimo stebėjimai tspo stipriausiu tamsiosios materijos egzistavimo įrodymu.

KMF yra visą visatą persmelkiantis spinduliavimas, kurio temperatūra yra apie 2,73 kelvinus (-270,4°C). Jame įvairiu mastu yra mažų fluktuacijų, kurios yra ankstesnių laikų atspaudai, kuomet visata nebuvo skaidri. Kad mūsų KMF modeliai atitiktų empirinius duomenis, būtina atsižvelgti ir į tamsiosios materijos poveikį. MOND paprasčiausiai tai nepavyksta.

Dėl to mano kalbos tęsiamos, laikantis prielaidos, kad kalbame apie tamsiosios materijos problemą. Bet kol kas tiesiogiai tamsiosios materijos neaptikome, ir tai reiškia, kad MOND tebelieka – kai kuriems tyrėjams – patrauklia tolesnio darbo sritimi. Tai nėra mano darbo sritis, bet džiugu, kad kažkas kitas tuo užsiima.

Šaltinis: technologijos.lt

Chanda Prescod-Weinstein
www.newscientist.com

Parengta pagal:

• We may have to rewrite our understanding of gravity