Przejdź do treści

Czy ciemna materia może nie istnieć?

"The formation of exponential disk galaxies in MOND" by Nils Wittenburg, Pavel Kroupa and Benoit Famaey

Nowa symulacja komputerowa pokazuje, że galaktyki - do pewnego stopnia - mogą powstawać w Kosmosie bez udziału ciemnej materii. To ciekawy, ale i nie ostateczny argument dla zwolenników kontrowersyjnej teorii i modelu Wszechświata, w który ciemna materia po prostu nie istnieje.

Krzywa rotacji galaktyki to graficzna zależność między średnią odległością gwiazd od środka danej galaktyki spiralnej (oś x) a prędkościami orbitalnymi tych gwiazd (oś y). Na poniższym schemacie linia przerywana ilustruje przewidywane prędkości gwiazd w danej odległości, wynikające z obserwowanego rozkładu materii w galaktyce i z praw dynamiki Newtona. Widać wyraźnie, że wraz ze wzrostem odległości gwiazdy od centrum galaktyki jej  prędkość orbitalna maleje. Linia ciągła przedstawia z kolei rzeczywiste, zaobserwowane prędkości orbitalne tych gwiazd (na przykład w naszej Galaktyce Drodze Mlecznej). Prędkości te wcale nie maleją wraz z odległością od centrum. Mało tego, w pewnej odległości stają się niemal stałe - niezależnie od tej odległości. Aby wyjaśnić tą rozbieżność między przewidywanymi teorii i obserwacjami naukowcy wprowadzili do modelu galaktyk właśnie wpływ ciemnej materii, która gromadziłaby się wokół każdej galaktyki w formie sferycznej otoczki, znacznie większej niż sama galaktyka. Materia ta byłaby niewidoczna, ale mogłaby oddziaływać grawitacyjnie z gwiazdami galaktyki, mając przy tym całkiem sporą, łączną masę. Jej obecność dobrze wyjaśnia wówczas różnice między teorią i tym, co widzimy przez teleskopy.

 

Krzywa rotacji galaktyki

Na ilustracji: Krzywa Rotacji Galaktyk. Źródło: PhilHibbs.

 

Zmodyfikowana dynamika newtonowska (Modified Newtonian Dynamics, MOND) jest z kolei inną hipotezą naukową dotyczącą budowy Wszechświata, w której zasady klasycznej dynamiki Newtona zmodyfikowane są o tzw. nieliniową zależność siły od przyspieszenia. Zabieg ten wprowadzony jest nieco sztucznie, celem nowej propozycji wyjaśnienia niezgodności obserwowanych krzywych rotacji dla galaktyk spiralnych z oczekiwaniami co do sposobu ich rotacji wynikającymi z samej mechaniki newtonowskiej.

Ta interesująca dla astronomów niezgodność jest najczęściej wciąż jednak wyjaśniana przez wprowadzenie do modelu Wszechświata nie zmian w równaniach dynamiki, ale obecności ciemnej materii w galaktykach. Innymi słowy - model MOND, choć ma też swych całkiem poważnych zwolenników, nie zyskał powszechnej akceptacji w świecie nauki. Warto zaznaczyć, że choć zmodyfikowana dynamika newtonowska dość dobrze opisuje dynamikę i obserwacje materii w Kosmosie w skalach galaktycznych, w dużej już mierze zawodzi, gdy zwiększamy tę skalę do gromad galaktyk i włókien Wszechświata.

Z początkiem 2020 ukazała się jednak ciekawa publikacja na ten temat. Zgodnie z nią zespołowi kosmologów po raz pierwszy w historii udało się stworzyć (z pomocą superkomputerów) wirtualne galaktyki, które narodziły się zupełnie bez wkładu pochodzącego od tajemniczej ciemnej materii. Krytycy teorii ciemnej materii postrzegają to jako zwycięstwo modelu MOND. Jednak dla innych to zdecydowanie za mało. Jeden wstępny, pozytywny dla tego modelu wynik prawdopodobnie nie przekona większości astronomów do całkowitego porzucenia wieloletnich prac nad badaniem ciemnej materii i energii.

Wszechświat narodził się najprawdopodobniej w Wielkim Wybuchu, około 13,8 miliarda lat temu. Od samego początku materia nie była w nim równomiernie rozłożona. Niektóre części Kosmosu były w szczególności znacznie gęstsze niż inne. Astronomowie wiedzą o tym, ponieważ najwcześniejsze fluktuacje w gęstości Wszechświata widać już w rozkładzie mikrofalowego promieniowania tła (CMB), czyli dawnym promieniowaniu pozostałym po samym Wielkim Wybuchu. Uważa się, że z czasem grawitacja przyciągała coraz więcej ciemnej materii - niewidzialnego materiału, który spaja Wszechświat - oraz “normalnej”, widocznej materii w te regiony o podwyższonej gęstości dowolnej materii, aż ostatecznie utworzyła się tam ogromna sieć kosmicznych włókien, które teraz wypełniają obserwowany Kosmos. Powstały w nich z czasem pierwsze gwiazdy, a ostatecznie i galaktyki.

Te podstawowe założenia są częścią standardowego modelu Wszechświata, akceptowanego przez większość astronomów. Nazywany jest on modelem Lambda-Cold Dark Matter. Model ten opiera się też na ciemnej energii, która ma w nim wyjaśniać nasz szybko rozszerzający się Wszechświat, i ciemnej materii, której hipotetyczna obecność dokładnie opisuje ruchy ciał kosmicznych w największych skalach, takich jak wirujące wokół swych osi galaktyki. Bez wprowadzenia ciemnej materii astronomowie nie są w nim w stanie wyjaśniać zaburzeń, które ostatecznie prowadzą do powstawania galaktyk.

W ostatnich dziesięcioleciach model standardowy radził sobie całkiem dobrze, wyjaśniając różne procesy, które obserwujemy z pomocą teleskopów. Z kilkoma wyjątkami. Ale z drugiej strony staje on ciągle przed poważnym wyzwaniem: pomimo dziesięcioleci poszukiwań i wielu eksperymentów przeprowadzonych na dużą skalę badacze jak dotąd nie znaleźli żadnych konkretnych fizycznych dowodów na istnienie ciemnej materii. Nie wiedzą też, czym właściwie ona jest.

W dodatku nie wszyscy wciąż zgadzają się co do tego, że w ogóle jest czego szukać. Pewna grupa kosmologów uważa, że ta ciemna materia po prostu nie istnieje. Niektórzy z nich przedstawiają swoje argumenty, badając alternatywne modele Wszechświata przy użyciu symulacji komputerowych.

Pavel Kroupa, astrofizyk z uniwersytetu w Bonn w Niemczech, należy do krytyków modelu standardowego. Według niego ciemna materia stała się niepotrzebnie pewnym dogmatem. Przytacza garść rzeczywistych, obserwowanych właściwości  galaktyk, które nie mają sensu w przypadku obecności w nich ciemnej materii. Kwestionuje także wiele podstawowych i szeroko akceptowanych aspektów współczesnej kosmologii, od idei, że galaktyki mogą się łączyć, aż do tego, że mikrofalowe promieniowania tła jest naprawdę dowodem na istnienie Wielkiego Wybuchu.

Kroupa spędził ostatnie dwie dekady na badaniach i promowaniu modelu MOND, alternatywnej teorii Wszechświata. On i inni naukowcy popierający ten model uważają, że najbardziej zagadkowe aspekty kosmosu - te, które doprowadziły astronomów do odkrycia ciemnej materii i ciemnej energii - można wyjaśnić za pomocą niewielkich modyfikacji praw Newtona opisujących między innymi grawitację. Aby jednak przekonać większą część naukowej społeczności, trzeba jeszcze wykazać, że model MOND może faktycznie odtworzyć cały nasz Wszechświat, wyjaśniając jednocześnie te same zagadki, które początkowo skłoniły astronomów do przyjęcia hipotezy istnienia ciemnej materii. Do tej pory symulacje komputerowe z użyciem reguł modelu MOND nie były w stanie prowadzić do powstawania wirtualnych galaktyk, które wyglądają tak jak te przez nas dziś obserwowane. Teraz jednak się to udało.

Avi Loeb z Uniwersytetu Harvarda nie jest z kolei wcale przekonany. Uważa, że fizyka oparta wyłącznie na “normalnej” materii nie może prowadzić do powstawania wielkoskalowych struktur obserwowanych przez astronomów w mikrofalowym promieniowaniu tła. Promieniowanie łagodziłoby i wygładzało z czasem zaburzenia gęstości pojawiające się tylko w małych skalach i tylko w widocznej materii. Ale ponieważ ciemna materia w ogóle nie wchodzi w interakcje z promieniowaniem, te związane z nią, duże zaburzenia gęstości mogą rosnąć aż do rozmiarów galaktyk.

-Głównym problemem związanym z MOND jest to, że nie wyjaśnia on ewolucji Wszechświata począwszy od jego początkowych warunków, jakie widzimy na przykład w promieniowaniu mikrofalowym do dziś - mówi naukowiec. -Gdyby oprócz CMB istniała tylko zwykła materia i nie byłoby ciemnej materii (która z definicji nie łączy się i nie oddziałuje ze światłem), formowanie się galaktyk w ogóle nie doszłoby do skutku - dodaje.

Ze swojej strony Kroupa przyznaje, że jego symulację wciąż czeka sporo prac, nim będzie ona w stanie w pełni odtworzyć tworzenie się i ewolucję galaktyk. W tej chwili Wszechświat MOND tworzony wewnątrz komputera może uchwycić tylko początkową fazę formowania się galaktyk. Jego zespół zamierza dalej pracować nad swym modelem, dopóki te sztucznie powstałe w jego ramach galaktyki zaczną w nim także rosnąć i ewoluować.

 

Symulacja rozkładu galaktyk (kolor pomarańczowy) i gazu (niebieski) we Wszechświecie
 

Na ilustracji: Symulacja rozkładu galaktyk (kolor pomarańczowy) i gazu (niebieski) we Wszechświecie. Po Wielkim Wybuchu w Kosmosie pozostały rzadkie kieszenie gazu, wciąż "niezanieczyszczone" materiałem pochodzącym z wybuchających gwiazd.
Źródło: TNG COLLABORATION

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: Astronomy.com

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

 

dm symulacja galaktyki

Na ilustracji: Astronomowie przeprowadzili symulację powstawania galaktyk bez uwzględnienia udziału ciemnej materii w tym procesie. Część środowiska naukowego może uznać to za ważny argument na rzecz kontrowersyjnego modelu Wszechświata nazywanego zmodyfikowaną dynamiką newtonowską.
Źródło:
The formation of exponential disk galaxies in MOND by Nils Wittenburg, Pavel Kroupa and Benoit Famaey.