Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Trudno wyobrazić sobie ciemną materię i ciemną energię, ale jeszcze trudniej dziś wyobrazić sobie Wszechświat bez nich - tak wiele współczesnej astrofizyki oparte jest na tych hipotetycznych założeniach. Nowe badania próbują jednak podważyć istnienie tej ciemnej strony rzeczywistości. I chociaż wielu krytyków nowej koncepcji twierdzi, że nie jest ona do utrzymania, to warto się jej przyjrzeć i przy tej okazji przybliżyć nieco sam temat ciemnej materii, który zwykle pojawia się w mediach tylko w postaci robiącego wrażenie, ale w gruncie rzeczy niewiele mówiącego diagramu (obok).

Choć pierwsze sugestie co do istnienia ciemnej materii pojawiły się już we wczesnych latach 30. XX wieku, to za jej właściwe rozpoznanie uznajemy rok 1978, kiedy astrofizyk Vera Rubin pokazała, że obserwowalna przez nas materia po prostu nie byłaby w stanie sama utrzymać się w tak spójnej formie. Musi istnieć – twierdziła Rubin – inna, niedostrzegalna przez nas siła, która wywiera wystarczający efekt grawitacyjny, bo inaczej galaktyki i ich gromady po prostu „rozbiegłyby się” we wszystkich kierunkach.

Od tego czasu teoria ciemnej materii, najpierw przyjęta dość chłodno, stopniowo zaczęła zdobywać uznanie. I choć do dziś – po mimo licznych prób stworzenia odpowiedniej aparatury – nie udało się wykryć bezpośredniego istnienia ciemnej materii, to jest to zdecydowanie najpowszechniej przyjęta dziś odpowiedź na kłopoty z grawitacją. Pozostaje jednak nadal tylko hipotezą.

Ciemna energia jest kolejnym hipotetycznym elementem rzeczywistości. Historia tej hipotezy sięga czasów Einsteina i jego koncepcji stałej kosmologicznej. Co prawda pojęcia Einsteina miało służyć opisowi Wszechświata statycznego – a więc takiego, który się nie rozszerza – ale zyskało nowe życie, kiedy w latach 90-tych odkryto, że Wszechświat rozszerza się zupełnie inaczej niż przypuszczano.

Badania nad supernowymi przeprowadzone w tamtym czasie doprowadziły do wniosku, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, a nie coraz wolniej, jak dotąd przypuszczano. Ustalony model rzeczywistości, uwzględniający ciemną materię, nie był wstanie wyjaśnić tego zjawiska. Najlepszym – jak dotąd – wyjaśnieniem okazała się hipoteza o istnieniu ciemnej energii, która wypełnia całą przestrzeń i stanowi przeciwwagę dla siły grawitacji.

Należy pamiętać, że nie chodzi tu o niewielkie uzupełnienie wcześniejszego modelu kosmologicznego. Gra toczy się właściwie o całość. Według różnych szacunków ciemna energia stanowić ma od 68 do 73 procent masy Wszechświata, a wraz z ciemną materią może obejmować nawet 96 procent całości.

Chociaż więc ciemna materia i ciemna energia są najczęściej przyjmowanymi dziś wyjaśnieniami, to dość zrozumiały jest opór przed przyjęciem, że niemal cała nasza rzeczywistość jest dla nas poznawczo niedostępna. Dopuszczamy przekonanie, że świat przekracza nasze pojęcie, ponieważ jest zbyt wielki i nasze możliwości poznawcze nie są dla niego wystarczające – w końcu to, że żyjemy zbyt krótko jest dla nas trudnym, ale oczywistym tematem. Znacznie trudniej pogodzić się z myślą, że świat jest po prostu czymś innym.

Naukowcy rozważają więc alternatywy dla „ciemnej koncepcji”. Być może grawitacja i ogólna teoria względności działają jednak inaczej niż dotąd zakładaliśmy? Może w posukiwaniach popełniliśmy jakieś błędy albo coś przeoczyliśmy? A może po prostu są one tylko uproszczonym, lokalnym sposobem działania jakiegoś ogólniejszego prawa? Tak już przecież było raz z koncepcją Newtona...

Nowe badania opublikowane przez André Maedera, profesora astronomii na Uniwersytecie w Genewie, koncentrują się wokół pojęcia niezmienności skali (ang. scale invariance”). Oznacza ono uznanie, że właściwości praw fizycznych (albo fizycznych przedmiotów) nie zmieniają się, nawet jeśli zwielokrotnimy ich wielkość lub ilość przykładanej doń energii. Są takie same, niezależnie od skali. Doskonałym przykładem tego jest fraktal – niezależnie od tego, jak będziemy go przybliżać lub oddalać – jego kształtym będą identyczne. Znamy to na przykład z obserwacji płatków śniegu.

Zdaniem Maedera to pojęcie znajduje zastosowanie dla pustej przestrzeni. Niezależnie od tego w jakiej skali będziemy się jej przyglądać, jej cechy pozostaną takie same. Jeśli przyłożymy pojęcie niezmienności skali do pustej przestrzeni „wypełniającej” przestrzeń międzygwiezdną, to nie będzie już konieczności wprowadzania ciemnej materii i ciemnej energii.

– Wprowadzenie niezmienności skali do równań opisujących grawitację pozwoliło na zauważenie pewnej niewielkiej siły, opozycyjnej do grawitacji – wyjaśnia naukowiec. Na Ziemi, a więc w skali mikro, jej działanie byłoby niezauważalne. Ale w skali galaktycznej jest to siła wystarczająca do utrzymania rotacji bez założonego istnienia ciemnej materii.

Maedera w swoich badaniach opublikowanych w „The Astrophysical Journal” przedstawia swoje obliczenia, które na przykładzie kilku przebadanych galaktyk, mają dowodzić jego racji. Dowodzi także, że jego koncepcja jest wytarczająca do wyjaśnienia przyspieszającego rozszerzania się Wszechświata.

Świat fizyki i astrofizyki pozostaje jednak dość sceptyczny. Nie przekreślając tej teorii (zbyt wiele dobrych teorii przekreślono już zbyt pospiesznie), stawia jedną podstawową wątpliwość. Kocepcja Maedery nie tyle podważa, co pomija konsekwencje wypływające z ogólnej teorii względności Einsteina, która na wielu polach i w wielu przypadkach przetrwała próby falsyfikacji.

W swoich teza szwajcarskich badacz zastąpił wyprowadzaną z teorii Einsteina koncepcję ciemnej materii tylko w pewnych zakresach. Tymaczasem, każdy model, który chciałby zastąpić obowiązujący, powinien zmierzyć się z tymi problemami, który ten uznany już rozwiązał.

Dla przykładu, ciemna materia jest ważnym elementem opisu zjawiska zwanego mikrofalowym promieniowaniem tła (ang. cosmic microwave background, CMB), które jest obserwowaną pozostałością po Wielkim Wybuchu. Stawienie czoła tym i innym zagadnieniom, dla których ciemna materia i ciemna energia okazały się skutecznym wyjaśnieniem, może przynieść konpcecji Maedery szybki upadek lub długotrwałą chwałę.

 

Publikacja źródłowa: Andre Maeder: Dynamical Effects of the Scale Invariance of the Empty Space: The Fall of Dark Matter? "The Astrophysical Journal" 10th Nov. 2017

Opracowano na podstawie różnych źródeł, m.in. artykułów: Study suggests that 'dark matter' and 'dark energy' may not exist after all (Dailyaccord.com) i Does Dark Matter Exist? Bold New Study Offers Alternative Model (Space.com).