Priča o tamnoj materiji

Mlečni put snimljen iznad kompleksa teleskopa La Silla Paranal u Čileu

Centar naše galaksije nije vidljiv na optičkim talasnim dužinama, jer ga zaklanjaju brojni oblaci sačinjeni od gasa i prašine. Ipak, ako koristimo radio i infracrveni (IC) deo spektra, posmatranje je moguće, jer na primer znamo (astronomi, a i ostali, nadam se) da infracrveno zračenje može prodreti kroz  prašinu i gas. Tako je došlo i do velike ekspanzije infracrvenih kosmičkih projekata, pokrenutih upravo iz razloga da se naprave što detaljnije mape struktura u Univerzumu. Poznato je da je središte naše galaksije veoma jak izvor IC-zračenja, i da se veoma zgusnute zvezde i gasovita materija kreću ogromnim brzinama oko tog galaktičkog centra.

Mlečni put snimljen u različitim delovima spektra

Rotaciona kriva galaksija

Kao što se planete Sunčevog sistema kreću po orbitama u čijem centru je Sunce, tako i zvezde orbitiraju oko galaktičkog centra. Zvezde u disku spiralne galaksije imaju skoro kružne putanje tako da je njihova rotaciona brzina zavisna od rastojanja od centra galaksije.

Dva su efekta koja utiču na tu brzinu:

• Prvi efekat se odnosi na distribuciju mase (opadanje gravitacione sile sa povećanjem rastojanja). Ovaj efekat je posledica gravitacije i prilično je jasan, manifestujući se u povećanju mase koja se sadrži u  nekoj zvezdanoj orbiti sa povećanjem rastojanja od centra.
• Drugi efekat je nama daleko interesantniji – on predviđa povezanost orbitalne brzine i rastojanja koja je poznata kao rotaciona kriva. Na osnovu Njutnovih zakona bilo je za očekivati da vrednost brzine rotacije kontinualno opada sa povećanjem rastojanja od centra. Međutim, astronomska posmatranja su pokazala da to nije slučaj – rotaciona kriva spiralnih galaksija je skoro ravna, što znači da postoji neki snažan uticaj koji orbitalne brzine održava konstantnim!

Trenutno najprihvatljivije rešenje ovog problema dala je Teorija o tamnoj materiji. Tamna materija predstavlja svaki  oblik materije koji se, trenutno, može pronaći jedino na osnovu svog gravitacionog uticaja na vidljivu materiju. Ona ne emituje detektibilnu svetlost (kao ni druge vrste EM –talasa), kosmičke zrake ili neutrine. Poslednjih godina XX veka utemeljeno je stanovište da je ključni dinamički parametar koji opisuje jednu galaksiju upravo rotaciona brzina spiralnih galaksija. Na donjoj slici se može videti tipična kriva rotacije.

Ovako “ravna” kriva rotacije ne može se usaglasiti ni sa jednom raspodelom gasa i zvezda koje vidimo teleskopima! Zbog toga je ovom teorijom predviđeno postojanje tamne materije u haloima koji okružuju vidljive delove galaksije. Ta tamna materija bi uslovljavala da sve zvezde rotiraju istom brzinom.

Predlog načina za detektovanje tamne materije. (Nature)

MOND teorija – moguće rešenje?

Problemi koji su se pojavili nakon toga bili su vezani za određivanje onoga što izgrađuje tzv. nebarionsku tamnu materiju, koja bi trebalo da reši problem nedostajuće mase u galaksijama i galaktičkim jatima. To je inspirisalo Izraelca Modehaja Milgroma da 1981. godine počne rad na novoj teoriji, a dve godine kasnije, u časopisu Astrophysical Journal i objavi rad  u kojem pokušava da reši problem rotacione krive modifikovanjem II Njutnovog zakona. Teorija je zato i dobila naziv MOND (eng. Modyfied Newtonian Dynamics).

Šta MOND predviđa?

Osnovna ideja MOND-a sastoji se u promeni formulacije II Njutnovog zakona. (Poštedeću vas jednačina i matematike ovog puta :-) )  

Naime, za veoma male vrednosti ubrzanja (manje od milijarditog dela brzine vašeg automobila!), više ne važi jednačina F = ma, koju su čak i “papagaji” naučili. Možda će i oni (uz nas) morati da nauče još jednu...

Teorija MOND uvodi drugačiji rezon :  U ovoj teoriji pojavljuje se nova konstanta prirode koja ima dimenzije ubrzanja. Za vrednosti ubrzanja koja se sreću u našem svakodnevnom okruženju klasični II Njutnov zakon će i dalje važiti. Međutim, za slučaj kada je ubrzanje mnogo manje, zakon kretanja se menja i sila postaje proporcionalna kvadratu ubrzanja ! 

 

Ovako revolucionarna ideja omogućila je da se dosta dobro objasni jedna od najvećih mana Teorije tamne materije – velike razlike izmerene i očekivane mase galaktičkih struktura različite veličine (od patuljastih galaksija do globularnih jata). MOND pretpostavlja pojavu znatno slabije sile, samim tim i znatno manju produkciju mase u oblastima gde su izmerena ubrzanja takva da modifikuju II Njutnov zakon.

Pohvale i kritike

Trenutno, MOND je jedini pravi konkurent tamnoj materiji u utakmici koja će rešiti mnoge kosmološke zagonetke. Pogledajmo sada jedan kratak pregled prednosti i mana ove teorije.

Prednosti MOND teorije: 

- Uspešno objašnjava dinamiku rotacije galaktičkih sistema. Na velikim rastojanjima od centra, orbitalne brzine postaju nezavisne od radijusa putanje.

- Predviđa jednačinu koja povezuje ukupnu luminoznost i cirkularnu brzinu spiralne galaksije (poznatu kao  Tali-Fišerova relacija) 

- Dosta pojednostavljuje problem izgradnje strukture na tzv.malim skalama

Nedostaci :

- U nekim svojim originalnim formama, MOND ne objašnjava najbolje gravitaciona mikrosočiva. Oni predstavljaju efekat koji je direktna posledica Ajnštajnove teorije relativnosti, i koji se najviše koristi pri traganju za tamnom materijom  u okolini naše Galaksije. 

Primer gravitacionog mikrosočiva

-   Mnogi naučnici smatraju da MOND ne može dobro da objašnjava nešto drugo osim galaksija (primer je nedovoljno dobro predviđanje temperature vrelog gasa u galaktičkim jatima).

-   Još jedan od razloga zbog čega se vodi velika debata oko MOND teorije jesu i mnogobrojne pohvale koje je teorija o tamnoj materiji dobila prethodnih godina, naročito zbog uspešnog predviđanja prostorne raspodele međuzvezdanog gasa koja je u skladu sa posmatranjima.

Dakle, MOND ostaje prilično konkurentna teorija – broj njenih pristalica je sve veći. Ako je Opšta teorija relativnosti tačna, a tamna materija postoji, tada i MOND prestaje da važi. Do tada ova teorija ostaje jedan odličan most koji povezuje neke od najnepristupačnijih predela u koje zadiru savremena astronomija i kosmologija.