Astrofizika aklavietėje: arba Paukščių Takas jau patyrė neįmanomą susidūrimą, arba reikia keisti visą gravitacijos koncepciją

Eretiškoji idėja, kad gravitacijos stiprumas nėra visur vienodas, buvo iškelta devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, kaip alternatyva tamsiajai materijai. Vadinamosios MOND – „modifikuotos Niutono dinamikos“, – idėją iškėlė Mordechai Milgrom, tada dirbęs Princetono universitete Niu Džersyje. Jis išsiaiškino, kad galaktikų sukimąsi praktiškai idealiai galima būtų aprašyti, jei gravitacinis laukas santykinai silpnas, o jo stipris ne atvirkščiai proporcingas atstumo kvadratui, bet „plokščias“. Tokioje aplinkoje, pavyzdžiui, galaktikų pakraščiuose, gravitacija būtų stipresnė, nei tikimasi.

2014 metais, Hongsheng Zhao iš St Andrews universiteto, JK, dirbdamas su Kroupa ir kitais, parodė, kad toks subtilus pokytis būtų leidęs Paukščių Takui ir Andromedai sąveikauti prieš 7 – 11 milijardus metų. „Paprastai kalbant, MOND dinamikai reikia, kad šios dvi galaktikos praeityje jau būtų sąveikavusios,“ paaiškina Pawlowskis.

Supertakus nušvitimas

Bet MOND nėra mėgiamiausia fizikų idėja. Nors gravitacijos stiprumas labai silpnuose laukuose niekada nebuvo tikrintas, pati idėja, kad gamtos jėga taip paprastai gali keisti savo stiprį, daugumai nėra priimtina. O MOND susiduria su problemomis itin dideliuose masteliuose. Galaktikų spiečiuose, kad viskas laikytųsi drauge, tamsiosios materijos vis vien reikia. O be kokios nors formos tamsiosios materijos, padedančios įprastai materijai sulipti į galaktikas, tas karštas ir šaltas KMF dėmes labai sunku paaiškinti.

Visa tai suteikė Pawlowskiui stimulą apsvarstyti, ar pati MOND idėja galėtų būti modifikuota taip, kad ne tik paaiškintų Paukščių Tako ir Andromedos susidūrimą, bet ir atitiktų kitus stebėjimus. „Gal MOND mums kažką sako apie gravitaciją,“ sako jis. „O gal ką byloja apie tamsiąją materiją.“

Sutikite Justiną Khoury, keliantį tokį pat klausimą ir gal turintį atsakymą. Fizikos teoretikas iš Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje, Khoury'is seniai žavėjosi MOND galimybe aprašyti kosminę dinamiką galaktikų masteliu – ir negebėjimu aprašyti ką didesnio. „Reikia komponento, keičiančio gravitaciją galaktikų masteliu, bet nepasireiškiančio kosmologiniu masteliu,“ sako jis. „Kaip tai suderinti?“ Jo atsakymas: supertakumas.

Khoury'io idėja susijusi su supertakia būsena, vadinamuoju Bose-Einstein kondensatu, pasireiškiančiu tarp kai kurių įprastos materijos atomų, kai šie atšąla žemiau tam tikros temperatūros. Šios būsenos medžiagos dalelės ima elgtis kaip viena, koherentiška, neturinti klampumo masė, tekanti be trinties. Kai temperatūra pakyla, dalelės grįžta į normalią, klampią, skysčio būseną.

„Superskystis atkartotų tamsiąją materiją vienu masteliu ir modifikuotą gravitaciją kitu“

Jei tamsioji materija galėtų įgyti Bose-Einšteino kondensato būseną, ji tam tikru masteliu galėtų atkartoti MOND, o kitu atveju – įprastinę tamsiąją materiją. Santykinai silpnuose galaktikų gravitaciniuose laukuose tamsioji materija judėtų lėtai ir jos efektinė temperatūra būtų žema. Ji pereitų į Bose-Einšteino būseną, kurios energija tolygiai pasiskirstytų visame tūryje ir kurtų papildomą, panašią į MOND, gravitacinę jėgą. Tačiau stipresniuose gravitaciniuose laukuose, kokie būna galaktikų spiečiuose, toks koherentumas sutriktų ir materija elgtųsi kaip paprasčiausia tamsioji materija, prisidedanti prie gravitacijos mažutėlaičiu atskiru kiekvienos dalelės indėliu.

Tai paaiškintų, kodėl MONDiško elgesio neregime savo planetų sistemos masteliu. Saulė yra labai stiprus lokalus gravitacijos šaltinis, tad kondensatas šiame vietiniame lygyje suyra. Tas pats pasakytina apie kiekvieną Paukščių Tako žvaigždę, kurios elgiasi kaip kondensato nešvarumai. Tačiau kadangi mūsų galaktikos, kaip ir visos galaktikų, didžiąją dalį sudaro tuščia erdvė, žvelgiant bendrai, galaktinis kondensatas dominuoja.

Khoury'is nėra pirmasis, pasiūlęs mintį, kad tamsiosios materijos dinamika natūraliai pamėgdžiotų Bose-Einšteino kondensatą, tačiau jis pirmasis pastebėjo, kad dėl to kyla panašios į MOND gravitacijos variacijos, taip apjungdamas du modelius, anksčiau laikytus nesuderinamai priešingais. Kad šis hibridinis modelis veiktų, remiantis jo skaičiavimais, pati tamsioji materija yra milijardą kartų lengvesnė, nei rodo dabartiniai modeliai.

Ryškus neatitikimas

Khoury'is dabar kuria kompiuterinius modelius, siekdamas išvysti, kaip supertakūs tamsiosios materijos halai paveikia galaktikų susijungimus, ir ar kokiais nors stebėjimais jis galėtų patikrinti savo idėją. Jis taip pat bendradarbiauja su Pensilvanijos universiteto kolega kondensuotos materijos fiziku, Tomu Lubensky'iu, siekdamas išsiaiškinti, ar kokie nors žinomi superšalti atominiai skysčiai sukuria būtent tokius numatytus efektus. Jei taip, tada galbūt galime panaudoti šaltas atomines dujas galaktikų ir jų susiliejimų simuliavimui laboratorijoje“, svarsto jis.

Kai kam kalbos apie gravitaciją modifikuojančią supertakią tamsiąją materiją atrodo kaip bereikalinga ir nepageidaujama komplikacija – daug sumaišties, stengiantis paaiškinti santykinai nedidelę keistai išsirikiavusių nykštukinių galaktikų problemą. Tarkime, Edas Shaya iš Merilendo universiteto College Parke, mano, kad šis neatitikimas tarp simuliacijų ir nykštukinių galaktikų tikrovės kyla dėl kompiuterių skaičiavimo pajėgumų trūkumo, ribojančio simuliacijos raišką. Jis įsitikinęs, kad problemą galima išspręsti įprasta fizika ir įprasta tamsiąja materija. „Dar ne metas atmesti standartinį modelį,“ sako jis.

Atstumas tarp simuliacijos ir realybės kol kas ryškus. Didelės polinės struktūros žiedo skersmuo yra ~500 000 š.m., tačiau plotis ne didesnis, nei 50 000 š.m. Nors kai kurios standartinio galaktikų formavimosi simuliacijos gali būti suderintos taip, kad išsirikiavimas būtų panašus, tačiau jos niekada nepateikia žiedų, siauresnių nei milijonas šviesmečių. Pawlowskiui šis neatitikimas atrodo labai svarbus. „Yra daug problemų, kylančių standartiniame modelyje galaktikų masteliu, tačiau ši – didžiausia.“

Niekas iš šių dalykų nepakeis mūsų lemties, ramiai skriejant link didžiųjų fejerverkų galaktikos pabaigoje. Bet ar tas kvapą gniaužiantis reginys bus jau antras dublis? Kas žino – jei teks pakeisti supratimą apie gravitaciją ir tamsiąją materiją, negalėsime užtikrintai įrašyti kitos dienos savo dienoraščiuose. Fejerverkai iš mugės gali išvažiuoti kiek anksčiau, nei tikimės.