Test galaktyczny, który wyjaśni istnienie ciemnej materii
Naukowcy z Uniwersytetu w Bonn oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine wykorzystali wyrafinowane symulacje komputerowe do opracowania testu, który mógłby odpowiedzieć na palące pytanie z dziedziny astrofizyki: czy ciemna materia naprawdę istnieje? Czy prawo grawitacyjne Newtona należy zmodyfikować? Nowe badanie pokazuje, że odpowiedź ukryta jest w ruchu gwiazd w małych galaktykach satelitarnych krążących wokół Drogi Mlecznej.
Korzystając z jednego z najszybszych superkomputerów na świecie, naukowcy symulowali rozkład materii tzw. satelitarnych galaktyk karłowatych. Są to małe galaktyki, które otaczają na przykład Drogę Mleczną czy galaktykę Andromedy.
Naukowcy skupili się na związku zwanym „relacja przyspieszenia radialnego” (RAR – radial acceleration relation). W dyskach galaktyk gwiazdy poruszają się po kołowych orbitach wokół galaktycznego centrum. Przyspieszenie, które zmusza je do ciągłej zmiany kierunku, spowodowane jest przyciąganiem materii w galaktyce. RAR opisuje zależność między tym przyspieszeniem a tym, które spowodowane jest tylko materią widzialną. Pozwala to na wgląd w strukturę galaktyk oraz rozkład ich materii.
Astronomowie po raz pierwszy wykonali symulacje RAR galaktyk karłowatych przy założeniu obecności ciemnej materii. Okazało się, że zachowują się one jak zmniejszone wersje dużych galaktyk. Ale co, jeżeli okaże się, że nie ma ciemnej materii a grawitacja „działa” inaczej, niż przewidywał Newton? W tym przypadku RAR galaktyk karłowatych silnie zależy od odległości od ich macierzystej galaktyki, co nie miałoby miejsca, gdyby ciemna materia istniała.
Ta różnica sprawia, że galaktyki satelitarne są odpowiednimi próbnikami do testowania, czy ciemna materia naprawdę istnieje. Sonda kosmiczna Gaia, która została zaprojektowana do badania gwiazd Drogi Mlecznej i galaktykach satelitarnych w niespotykanych dotąd szczegółach i zebrała dużą ilość danych, może już udzielić odpowiedzi.
Jednakże rozwiązanie tej zagadki zajmie wiele lat. Pojedyncze pomiary nie wystarczą, aby przetestować niewielkie różnice, które znaleziono w symulacjach. Jednak wielokrotne uważne przyglądanie się tym samym gwiazdom za każdym razem poprawia wyniki. Wcześniej czy później powinno być możliwe ustalenie, czy galaktyki karłowate zachowują się tak, jakby znajdowały się we Wszechświecie z ciemną materią czy też nie.
Jest to najbardziej palący problem współczesnej kosmologii. Istnienie ciemnej materii zasugerował już ponad 80 lat temu szwajcarski astronom Fritz Zwicky, który zdał sobie sprawę, że galaktyki w gromadach poruszają się tak szybko, że w rzeczywistości powinny się od siebie oddalać. Postulował więc obecność niewidocznej ciemnej materii, która ze względu nas swoją masę wywiera wystarczający wpływ grawitacyjny, aby utrzymać galaktyki na obserwowanych orbitach. W latach ‘70 ubiegłego stulecia, jego amerykańska koleżanka, Vera Rubin, odkryła podobne zjawisko w galaktykach spiralnych, takich jak np. Droga Mleczna: rotują one tak szybko, że siła odśrodkowa powinna je rozerwać, jeżeli istniałaby jedynie widoczna materia.
Dzisiaj większość fizyków jest przekonana, że ciemna materia stanowi około 80% masy Wszechświata. Ponieważ nie wchodzi ona w interakcje ze światłem, jest niewidoczna dla teleskopów. Jednak, zakładając, że istnieje, doskonale pasuje do szeregu innych obserwacji – takich, jak rozkład promieniowania tła, poświata Wielkiego Wybuchu. Ciemna materia dostarcza również dobrego wyjaśnienia rozmieszczenia i formacji galaktyk we Wszechświecie. Jednak pomimo licznych prób eksperymentalnych nie ma bezpośredniego dowodu na istnienie ciemnej materii. Doprowadziło to astronomów do hipotezy, że sama grawitacja może zachowywać się inaczej, niż dotąd sądzono. Zgodnie z teorią MOND (MOdified Newtonian Dynamics) przyciąganie pomiędzy dwiema masami jest zgodne z prawem Newtona tylko do pewnego punktu. Przy bardzo małych przyspieszeniach, takich, jak te panujące w galaktykach, grawitacja staje się znacznie silniejsza. Dlatego galaktyki nie rozrywają się ze względu swoją prędkość rotacji, a teoria MOND może zrezygnować z tajemniczego gwiezdnego spoiwa.
Nowe badania otwierają przed astronomami możliwość przetestowania obu tych hipotez w niespotykany dotąd sposób.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
