Mokslo ir technologijų pasaulis

Ki­lę nau­ji įta­ri­mai ver­čia vėl per­žvelg­ti tam­sio­sios ma­te­ri­jos klau­si­mą ir iš pa­grin­dų per­mąs­ty­ti, re­gis, to­kią pa­žįs­ta­mą jė­gą, lai­kan­čią mū­sų pė­das ant že­mės

Gravitacija turėtų būti patikima. Tai pažįstama jėga, laikanti mūsų pėdas ant žemės ir neleidžianti Žemės atmosferai išlėkti kosmosan. Žvelgiant plačiau, ji formavo visos visatos evoliuciją. Tad itin apmaudu, kai ji kartais nuvilia. Siekdami paaiškinti galaktikų ir galaktikų spiečių sukimąsi savo gravitacijos įsivaizdavimu, turime pasitelkti visiškai naują, niekieno nematytą materijos formą: tamsiąją materiją. O norėdami paaiškinti visatos plėtimosi greitėjimą, turime sukurti ne menkiau paslaptingą tamsiąją energiją.

O ką, jei gravitacijos iš tiesų ir nepažįstame? O ką, jei ten, kur negalime paprastai stebėti, gravitacija nesilaiko taisyklių?

Ši eretiškai skambanti idėja nėra visiškai nauja. Tačiau kruopštesnis galaktikų vertinimas ir kvantų informacijos teorijos pateikiami siurprizai skatina apmąstyti gravitaciją iš naujo. Pasigirsta radikalios idėjos, fundamentaliai transformuojančios mūsų supratimą apie erdvėlaikį – ir kas iš tiesų yra gravitacija. Tokiame pasaulėvaizdyje tamsiajai materijai vietos nėra. O tamsioji energija veikia visai ne prieš gravitaciją, o gali būti jos sudedamoji dalis.

Praktiškai visas žinias apie gravitaciją gavome iš I. Niutono ir A. Einšteino. Niutonas sakė, kad objektų keliama trauka atvirkščiai proporcingai atstumo kvadratui, o Einšteinas gravitaciją paaiškino kaip masyvaus kūno sukeliamą erdvėlaikio iškreipimą.

Niutono atvirkštinio kvadrato dėsnis teigia, kad toli nuo galaktikos centro esančias žvaigždes turėtų veikti silpnesnė gravitacija, tad, jos turėtų skrieti lėčiau, nei žvaigždės, esančios arti galaktikos centro. Bet praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje astronomai, tarp kurių buvo ir Vera Rubin, pastebėjo, kad atokiau nuo centrinio pūpsnio esančių žvaigždžių greitis nemažėja taip, kaip prognozuota. Jie liko praktiškai tokie pat – šį reiškinį buvo galima paaiškinti tik galaktiką supančia ir papildomą gravitaciją suteikiančia neregima materijos forma. Nuo tada šios tamsiosios materijos visi ir ieško.

Apeinant taisykles

Na, ne visi. Devintajame dešimtmetyje, Mordehai Milgrom, tada dirbęs Princetono universitete, tada parodė, kad keistąjį tolimųjų žvaigždžių sukimąsi galima paaiškinti ir be tamsiosios materijos. Tam tereikia atsikratyti idėjos, kad net ir silpdama gravitacija paklūsta Niutono ir Einšteino nustatytiems dėsniams. Milgromo teorijoje, dar žinomoje kaip MOND (MOdifikuota Niutono Dinamika), daroma prielaida, kad gravitacija silpnėja lėčiau, nei numatė Niutonas. Kai objekto gravitacinis pagreitis susilpnėja iki tam tikro lygio, 82 milijardus kartų silpnesnio nei mes patiriame Žemėje (9,81m/s²), gravitacija staiga persijungia į šį naują režimą.

Milgromas sėkmingai savo teoriją pritaikė spiralinėms galaktikoms, bet MOND niekada taip ir neįsigalėjo. Visų pirma, ji negalėjo paaiškinti galaktikų spiečių, kurie negalėtų laikytis drauge be tamsiosios materijos ar gravitacijos pakeitimų, kurių MOND nenumato. Be to, ši teorija atrodė įtartinai ad hoc, laužta iš piršto. Kodėl gravitacija staiga turėtų persijungti šiame, atrodytų visiškai atsitikitiniame, taške?

Tačiau MOND niekada taip ir nepasitraukė – čia ne menkiausią vaidmenį suvaidino tamsioji materija – jos niekas taip ir nerado. „Yra dvi galimybės,“ sako John Moffat iš Perimeter teorinės fizikos instituto Waterloo, Kanadoje. Arba randame šį neregimą papildomos gravitacijos šaltinį, ir įsitikiname, kad Niutonas ir Einšteinas visgi buvo teisūs. Arba ne. Šiuo atveju „alternatyva būtų gravitacijos modifikavimas“, sako Moffat.

Gali būti, kad pernai pagaliau pasiekėme lūžio tašką. Stacy McGaugh, astronomas iš Case Western Reserve universiteto Klivlende, Ohajuje, su kolegomis naujai peržvelgė daugiau nei 150 spiralinių galaktikų, panašių į mūsų Paukščių Taką. Palyginę kiekvienos galaktikos gravitacijos numanomą stiprį su jos disko sukimosi greičiu, jie išsiaiškino, kad toliau nuo galaktikos centro esančių žvaigždžių greitis buvo anomaliai didelis.

Na, ir kas? Būtent tai stebėta jau daugybę kartų ir paaiškinta, pridedant galaktikas supančius tamsiosios materijos halus. Bet McGaugh statistiniai tyrimai buvo kruopščiai patikrinti, remiantis kelių šaltinių duomenimis. Atsižvelgdamas į visą regimą visų galaktikų materiją, jis kiekviename taške palygino jos gravitacinę trauką su šalia esančių žvaigždžių orbitų greičiu. Gautas rezultatas parodė stulbinamai glaudžią koreliaciją tarp galaktikų sukimosi greičių ir jose esančios regimosios materijos pasiskirstymo.

Tamsa nusileidžia

Lee Smolin, Perimeter instituto Kanadoje teoretikas buvo suglumęs. Šis ryšys „atitinka gamtos dėsnius“, sako jis – to nebūtų galima tikėtis, jei šiose galaktikose dominuotų kažkas kito, nei regimoji materija.

Dar labiau stebina faktas, kad šis artimas ryšys tarp regimos materijos ir žvaigždžių judėjimo pasitvirtina tarp tiek daug galaktikų, nors nemanoma, kad šiose galaktikose tamsioji materija pasiskirsčiusi identiškai. Tamsioji materija neturėtų nuolankiai sekti įkandin įprastos materijos. Tad, arba ji su regima materija ar savimi sąveikauja labiau, nei rodo paprasti modeliai, arba kabliukas yra pati gravitacija.

Šią eretišką požiūrį prikėlė ne vien McGaugh darbas. Viena iš didžiausių MOND problemų – galaktikų spiečių elgesys. Kaip žvaigždės galaktikų pakraščiuose, taip ir galaktikos jų spiečių išorėje atrodo skriejančios pernelyg greitai – tamsioji materija tai paaiškina. Gravitacinio lęšiavimo – šviesos kelio iškreipimo dėl materijos poveikio erdvėlaikiui – stebėjimai rodo, kad galaktikas drauge laikančios jėgos šaltinis yra kažkur kitur, nei regimojoje materijoje. Be neregimos materijos tiesiog neįmanoma paaiškinti galaktikų spiečių, ar bent jau taip sakoma.

Ryškiausias to pavyzdys yra Kulkos spiečius, taip pavadintas dėl panašumo į sparčia kamera užfiksuotą šaudmenį, kažką sudaužantį į drūzgus (žr. „Didysis dėmesio nukreipimas?“). Daugeliui tamsiosios materijos medžiotojų tai yra puikiausias įrodymas, kad jų grobis privalo egzistuoti. Bet Pavel Kroupa iš Bonnos universiteto Vokietijoje, teigia diametraliai priešingai – šį tarpgalaktinį susidūrimą galima paaiškinti tik naudojant MOND.

„Tai neįtikėtinas viešųjų ryšių stabdis,“ sako jis. Kroupa teigia, kad standartinė gravitacija yra pernelyg silpna, kad per realų laiką galėtų sukurti tokius karštus ir audringus galaktikų susidūrimus kaip Kulkos Spiečius. Tamsioji materija galėjo įgreitinti pirminį susidūrimą, bet būtų prislopinusi kiekvieną vėlesnę sąveiką. „Tamsiosios materijos halas primena voratinklį,“ sako Kroupa. „Jis pačiumpa visas atskriejančias galaktikas.“ Taigi, paaiškinti po susidūrimo tebeskraidančias dideliu greičiu galaktikas darosi išties sunku. „Tai yra didelė didelė standartinio kosmologijos modelio problema,“ pažymi Kroupa. „Bet su modifikuota gravitacija… ši problema neegzistuoja.“

Visa MOND esmė – galaktiniais ir užgalaktiniais atstumais, kur niekaip negalime tiesiogiai patikrinti jos stiprumo, gravitacija yra stipresnė, nei manome. Būtent tai, o ne kažkokia neregima materijos forma būtų paprasčiausias paaiškinimas, kodėl objektai tokiais masteliais atrodo judantys greičiau ir susiduriantys nirčiau, nei prognozavo Niutonas ir Einšteinas.

Tai nereiškia, kad ir pačiai MOND nekyla problemų, aiškinant gravitacinę galaktikų spiečių sąveiką. Kulkos spiečiuje teleskopai rodo du atskirus stipresnio gravitacinio lęšiavimo regionus, taigi, ir didesnę masės koncentraciją, kurie nesutampa su tuo, ko būtų galima tikėtis iš regimos materijos.

Milgrom tvirtina, kad jo modelis toli gražu nėra pažeidžiamas, kaip daugelis teigia. „Tereikia šiek tiek nematomos materijos, kuri gali būti normali, bet dar neaptikta, tarkime, mirusių žvaigždžių ar šaltų dujų debesų materija,“ sako jis.

Bet kadangi tokių stebėjimų nėra, kiti imasi ieškoti naujų teorinių sprendimų. Vienas yra hibridinis modelis, kuriame kinta tamsioji materija – galaktikose ji teka nekliudoma, ir taip kuria panašų į MOND aprašomą papildomą trauką, o galaktikų spiečiuose besielgianti kaip senoji geroji tamsioji materija.

Kita, vėl staiga išpopuliarėjusi galimybė – mofikuoti MOND. Būtent tai Moffat ir daro. Jo versijoje gravitacijos stiprį keičia pridėta atstumiančioji jėga, savo ruožtu kintanti su atstumu – netoli esančių kūnų gravitacijos jėga paklūsta Niutono atvirkštinio kvadrato dėsniui, o galaktikų toliuose išsikvepia. Ten gravitacija stipresnė už Niutono numatytąją, ir elgiasi kaip numato MOND.

Moffat teigia, kad jo teorija paaiškina galaktikų sukimąsi ir anomalųjį Kulkos spiečiaus judėjimą. Bet ypač ji išsiskiria stipresniais gravitaciniais efektais netgi už MOND numatomus šalia juodųjų skylių, o tai gali suteikti progą ją patikrinti.

Žiūrėdami juodąją skylę, matytume tamsų diską, supamą itin galingo gravitacinio lęšiavimo kuriamo šešėlio. 2015 metais Moffat apskaičiavo, kad remiantis jo gravitacijos teorija, supermasyvią juodąją skylę Paukščių Tako centre sups šešėlis, 10 kartų didesnis, nei numato bendrojo reliatyvumo teorija. Pasveikinkite šį balandį turintį pradėti veikti Įvykių horizonto teleskopą (Event Horizon Telescope), pasaulinį radioteleskopų tinklą, galintį pirmą kartą užfiksuoti detalų juodosios skylės vaizdą. Bent jau iš principo, juo turėtų pavykti užfiksuoti ir išsipūtusį šešėlį – jeigu jis ten yra.

Net jei taip, ar žvelgtume į tradicinę MOND ar Moffato modifikuotą gravitaciją, dramblio kambaryje nepastebėti sunku: jas remiančios teorijos vietoje žioji skylė. Kokių galų atsitiktiniu masteliu gravitacija staiga nukrypsta nuo Niutono ir Einšteino išguldytų teorijų? Atsakymas gali glūdėti radikaliame pačios gravitacijos permąstyme.

Pernai Erik Verlinde iš Amsterdamo universiteto Nyderlanduose pateikė naują požiūrį. Gravitacija, pasak jo, iš tiesų yra atsirandantis reiškinys – kvantų informacijos sąveikų tarp susietų bitų pasekmė.

Susietumas yra gilus, tačiau itin neintuityvus kvantų mechanikos ryšys tarp dalelių porų ar jų grupių, kai paveikus vieną, poveikis perduodamas ir kitoms, nors tarp jų gali būti didelis atstumas. Fizikai Einšteino ir Niutono gravitaciją sugebėjo sukurti iš susietų kvantinių bitų tinklų dar praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio gale. Bėda, kad ji veikia tik vadinamajame anti-de-Sitter erdvės visatos modelyje, kuris skiriasi nuo mūsų gyvenamo.

Pagrindinis skirtumas – mūsų visatos vakuumas nėra patogiai ramus. Jame kunkuliuoja tai, ką vadiname tamsiąja energija, paslaptinga medžiaga ar jėga, kuri, kaip manoma, vis labiau plečia erdvėlaikį.

Užuot bandęs išvengti šios problemos, Verlinde patyrinėjo, kaip atsirandanti gravitacija elgtųsi tamsiosios energijos kupinoje visatoje. Rezultatas – naujas gravitacijos paveikslas, kuriame ši užkulisinė energija persunkia kvantinių bitų susietumą savotišku papildomu elastingumu.

„Atrodo, lyg tamsioji energija veiktų kaip elastinga terpė,“ sako Verlinde. „Ir materija pradeda šią terpę deformuoti.“ Šis tamsiosios energijos suteikiamas papildomas elastingumas padidina gravitacijos stiprį dideliais nuotoliais ir sukuria papildomą tolimojo lauko efektą, primenantį Milgromo MOND, priduria jis.

Ar ne pernelyg ištempta?

Verlinde idėjos sukėlė nemenką sujudimą, bet vis dar nėra iki galo aiškios. „Jis pradeda nuo tamsiosios energijos ir sako, kad iš to seka kažkas, kas primena tamsiąją materiją,“ sako Sabine Hossenfelder iš Frankfurto Pažangiųjų tyrimų instituto Vokietijoje. „Jis labai stengiasi įterpti tai į šią pastaraisiais metais itin išpopuliarėjusią didelę erdvėlaikio radimosi iš susietumo idėją. Bet kažin ar tai būtina.“

Nesenas tyrimas parodė, kad Verlinde'ės perdarytoji gravitacija gali paaiškinti gravitacinio lęšiavimo anomalijas greta maždaug 30 000 artimiausių galaktikų. Bet jo teorija puolama dėl jos prognozių, kurios, tiesą sakant, skiriasi nuo MOND. Pavyzdžiui, tyrimas kurio vienas iš autorių yra McGaugh, rodo, kad Verlinde'ės idėjos nepateikia pagrindinės MOND stipriosios pusės – nepaaiškina anomalaus galaktikų sukimosi. Be to, jos prognozuoja planetų judėjimą, kuris nepanašus į tą, kurį stebime Saulės sistemoje.

Tad Smolinas pabandė išgauti į MOND panašią fiziką iš pirmųjų kvantinės gravitacijos principų – ir, kitaip nei Verlinde'ės teorija, ji MOND neprieštarauja. Nors nė vienas iš šių mokslininkų netvirtina turintis išbaigtą gravitacijos teoriją, tačiau aišku, kalbai pakrypus apie keistą gravitacijos veikimą toli nuo namų, teoretikai pradeda pateikti atsakymus.

„Nežinome, kur galutinė teorija mus nuneš, nes kol kas jos dar neturime,“ sako McGaugh. „Tad, prieš randant kelią į priekį, neišvengiamas neužtikrintumo ir klaidžiojimų periodas.“

Mark Anderson
newscientist.com