Timp de aproape un secol oamenii de știință au căutat “materia întunecată“, o substanță necunoscută și invizibilă despre care se presupune că reprezintă marea majoritate a materiei din Univers.

Motivul îl reprezintă faptul că materia întunecată este necesară pentru a explica mişcarea galaxiilor care, aparent, nu respectă legile fundamentale ale fizicii. Cu toate acestea, până în prezent căutările privind materia întunecată nu au furnizat vreo dovadă privind existenţa acesteia.

În decursul timpului au fost propuse și alte explicaţii pentru mişcarea neobişnuită a galaxiilor.

Astfel, într-un studiu recent, publicat în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, am arătat că prin modificarea legii gravitației la scara galaxiilor este posibil să nu mai avem nevoie de materia întunecată.

Existenţa materiei întunecate a fost teoretizată, pentru prima dată, de către Fritz Zwicky în anii ’30 pentru a putea explica mișcarea clusterelor de galaxii.

Vera Rubin în anii ’60 și ’70 a calculat că galaxiile se rotesc mai repede decât ar trebui pe baza materiei observate în interiorul acestora şi că nu şi-ar putea menţine forma şi stabilitatea în lipsa materiei întunecate.

Un fenomen similar a fost constatat studiind mișcarea stelelor de la marginile cele mai îndepărtate ale galaxiei Andromeda.

Vitezele celor mai îndepărtate stele faţă de centrul galaxiei ar trebui să scadă, deoarece forța gravitațională exercitată asupra lor este mai mică. Conform celei de-a doua legi a mișcării a lui Newton, forța gravitațională asupra materiei aflată în rotaţie poate fi echivalată cu produsul dintre masă și accelerație, care depinde de viteză.

Curba de rotație a galaxiilor

Curba de rotație a galaxiei spirale M33 (punctele de culoare galbenă și albastră) determinată pe baza hidrogenului neutru (linia spectrală corespunzatoare unei lungimi de undă de 21 cm) și curba de rotație care rezultă pe baza materiei vizibile (linia albă). Pentru explicarea diferenței dintre cele două curbe s-a presupus existența unui halou de materie întunecată ce înconjoară galaxia. Credit: Wikipedia

Cu toate acestea, în urma măsurătorilor nu s-a constatat o astfel de scădere a vitezelor în funcţie de distanța faţă de centrul galaxiei. Din acest motiv oamenii de știință au presupus că trebuie să existe o materie invizibilă al cărei efect gravitaţional provoacă o mișcare mai rapidă a stelelor de la marginea galaxiilor.

O alternativă la materia întunecată

Ce este de fapt materia întunecată rămâne cea mai mare provocare a fizicii fundamentale moderne.

Întrebarea principală este dacă materia întunecată reprezintă într-adevăr un nou tip de materie sau dacă legea gravitației este, pur și simplu diferită, la scara galaxiilor.

Deşi prima opțiune este tentantă, până în prezent nu s-a descoperit vreo dovadă privind existenţa materiei întunecate. De asemenea, chiar dacă legile gravitației au fost testate în cadrul Sistemului Solar, trebuie să fim atenți atunci când le extrapolăm la o scară dimensională de cel puțin un miliard de ori mai mare.

O alternativă la materia întunecată a fost furnizată de teoria MOND (Modified Newtonian Dynamics) care sugerează că a doua lege a mişcării a lui Newton trebuie modificată atunci când atracţia gravitațională este foarte slabă, aşa cum se întâmplă la periferia galaxiilor.

Deși reușită în multe privințe, această teorie nu a trecut testele la care a fost supusă de comunitatea ştiinţifică precum actualul model cosmologic care include materia întunecată.

Principala problemă este că teoria MOND nu poate explica masa lipsă în galaxii și grupurile de galaxii în același timp. Un alt argument foarte puternic împotriva teoriei MOND se bazează pe observaţiile asupra clusterelor galactice care se ciocnesc, atunci când stelele galaxiilor trec unele printre altele, dar nu şi norii de gaz care rămân în urmă.

Un exemplu celebru este clusterul Bullet, care este format din două clustere galactice care se ciocnesc. Observațiile sugerează că materia întunecată urmează stelele, care au o masă totală mai mică decât cea a norului de gaze. Teoria MOND nu poate explica această constatare.

În teoria noastră ne-am propus să modificăm legile gravitației într-un mod diferit. Abordarea noastră presupune existenţa unui fenomen cunoscut sub numele de ecranare (screening) Vainshtein. Acesta sugerează că fiecare obiect suficient de dens și compact din spațiu generează o sferă invizibilă în jurul său care determină modul cum variază legile fizicii în funcţie de distanța faţă de centrul sferei.

Această sferă este doar un concept teoretic care ne ajută să înțelegem diferența dintre scările dimensionale mici și mari.

Conform teoriei noastre, în această sferă din jurul unui obiect masiv legea gravitației newtoniene pe care o constatăm în Sistemul Solar depind de obiectele care interacționează cu obiectul masiv din centru. În afara sferei, teoria sugerează că atracţia gravitațională a obiectului central poate fi semnificativ mai mare decât cea care rezultă pe baza legii gravitaţiei newtoniene, chiar dacă nu există mai multă masă.

Dimensiunea sferei ar fi proporțională cu masa obiectului central. Dacă, de exemplu, într-o galaxie această sferă are o rază de câteva mii de ani-lumină, o distanță tipică la care efectele materiei întunecate ar fi observabile, sfera corespunzătoare Soarelui ar avea o rază de 50.000 unități astronomice (o unitate astronomică este distanța dintre Soare și Pământ).

Cu toate acestea, marginea Sistemului Solar se află la o distanţă de numai 50 unități astronomice.

Cu alte cuvinte, nu există obiecte atât de îndepărtate de Soare pe care să le observăm pentru a testa dacă Soarele exercită o atracție gravitațională diferită asupra lor faţă de cea exercitată la o distanţă mult mai mică, cum ar fi cea corespunzătoare orbitelor planetelor Sistemului Solar. Numai prin observarea unor sisteme galactice foarte îndepărtate putem verifica existenţa unui astfel de efect gravitaţional.

Surprinzător este faptul că mărimea sferei crește odată cu masa centrală într-un mod particular. Aceasta înseamnă că legea gravitației se modifică în funcţie de scara dimensională și, prin urmare, această teorie poate explica simultan materia întunecată aparentă în galaxii și grupuri de galaxii, ceea ce teoria MOND nu poate explica.

În plus, teoria este în concordanță cu observațiile asupra clusterului Bullet. Norii de gaz care rămân în urma ciocnirii galaxiilor nu sunt suficient de compacţi pentru a genera o sferă în jurul lor, ceea ce înseamnă că materia întunecată aparentă este notabilă doar în jurul stelelor compacte.

Teoria MOND nu face distincţie între stele și nori de gaze.

Surprinzător, teoria noastră ne-a permis să explicăm vitezele stelare din galaxii mult mai bine decât cu ajutorul relativităţii generale a lui Einstein.

Lentila gravitatională

Lentila gravitaţională din jurul unei galaxii. Credit: NASA

Vom cerceta în continuare acest fenomen interesant. El ar putea fi, de asemenea, responsabil pentru variabilitatea mare a mișcărilor galactice, pentru care există tot mai multe dovezi.

Orice obiect masiv curbează sau deformează continuumul spaţiu-timp din jurul lui, potrivit relativității generale. Prin urmare, razele de lumină sunt deviate în jurul obiectelor masive, în loc să călătorească în linie dreaptă, efect denumit lentilă gravitațională.

Un test extrem de interesant al teoriei noastre ar fi observarea unei devieri gravitaţionale precise a luminii de către galaxiile individuale, ceea ce este o măsurătoare dificilă.

Teoria noastră prezice o deviere mai puternică a luminii în cazul galaxiilor foarte compacte, astfel încât aşteptăm cu interes dacă ea va fi confirmată sau infirmată de o astfel de măsurătoare.

Traducere şi adaptare după Dark matter may not actually exist – and our alternative theory can be put to the test