Fizičar prvi put pokazao kako gravitacija može postojati bez mase

JEDAN od najintrigantnijih misterija moderne fizike je tamna tvar - hipotetski oblik materije koji bi, prema postojećoj teoriji, trebao činiti oko 85% ukupne mase svemira.

Znanstvenici smatraju da je ona nevidljiva jer ne emitira, ne apsorbira niti reflektira elektromagnetsko zračenje, zbog čega je ne možemo detektirati konvencionalnim teleskopima. Štoviše, budući da uglavnom ne ulazi u interakcije s vidljivom tvari, osim preko gravitacije, ostala je misteriozna gotovo stotinu godina nakon što je njezino postojanje pretpostavio nizozemski astronom Jan Oort 1932.

Postoje hipoteze da bi mogla imati vrlo slabe interakcije s običnom tvari preko nekih neotkrivenih sila ili čestica, što je predmet intenzivnog istraživanja.

Zašto pretpostavljamo da tamna tvar postoji?

Na njezino postojanje ukazuju gravitacijski efekti koje ne možemo objasniti vidljivom materijom.

Naime, astronomska opažanja pokazala su da bi u galaksijama moralo postojati više materije, odnosno više mase nego što je sadržano u vidljivoj tvari. Kada to ne bi bilo tako, zvijezde bi se zbog brze rotacije galaksija razletjele po svemiru jer gravitacija isključivo vidljive tvari nije dovoljna da ih održi na okupu.

Frustracija neuspjelom potragom za tamnom tvari

Frustriran činjenicom da tamna tvar uporno ostaje izvan dohvata znanstvenih promatranja, astrofizičar dr. Richard Lieu sa Sveučilišta Alabama u Huntsvilleu (UAH) prvi je put u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society predstavio alternativnu mogućnost prema kojoj bi gravitacija mogla postojati i bez mase, što bi moglo eliminirati potrebu za tamnom tvari.

"Moja inspiracija došla je iz moje potrage za drugim rješenjem jednadžbi gravitacijskog polja opće relativnosti - čija je pojednostavljena verzija, primjenjiva na uvjete galaksija i jata galaksija, poznata kao Poissonova jednadžba - koja daje konačnu gravitacijsku silu u nedostatku bilo kakve detektabilne mase", rekao je Lieu.

"Ova je inicijativa pak potaknuta mojom frustracijom statusom quo, odnosno idejom o postojanju tamne tvari unatoč nedostatku bilo kakvog izravnog dokaza tome tijekom cijelog stoljeća", dodao je.

Defekti u svemiru i gravitacija bez mase

Lieu tumači da bi gravitacijski efekti koje pripisujemo tamnoj tvari mogli biti rezultat tzv. topoloških defekata u strukturi svemira. Ti defekti nastaju u kompaktnim područjima svemira s visokom gustoćom materije. Oni često imaju oblik kozmičkih niti, no mogli bi imati i oblik sferičnih ljuski. Lieu smatra da su se takve ljuske mogle formirati tijekom razdoblja kozmičke fazne tranzicije - procesa u kojem cijeli svemir prolazi kroz promjenu stanja materije. To se događa kada se fizički uvjeti u svemiru mijenjaju, uzrokujući da se materija preoblikuje na temeljnoj razini. U kontekstu svemira, fazna tranzicija može značiti prelazak iz jednog oblika energije ili materije u drugi tijekom razdoblja ekstremnih uvjeta, kao što su rani trenuci nakon Velikog praska.

Te bi ljuske trebale imati unutarnji sloj pozitivne mase i vanjski sloj negativne mase, tako da bi ukupna masa iznosila nula. Ipak, objekti koji bi se našli unutar ovih ljuski doživljavali bi snažnu gravitacijsku silu prema središtu ljuski. Ova pojava mogla bi objasniti kako bi gravitacija mogla postojati i bez stvarne mase.

"Trenutno nije jasno koji bi točan oblik faznog prijelaza u svemiru mogao dovesti do topoloških defekata ove vrste", kaže Lieu.

Tradicionalno, tamna tvar je korištena za objašnjenje zašto se galaksije drže zajedno i kako svjetlost skreće oko velikih struktura u svemiru poput zvijezda i galaksija koje djeluju kao gravitacijske leće. Međutim, teorija dr. Lieua sugerira da bi te gravitacijske efekte mogle izazvati i goleme ljuske bez mase. Svjetlost koja prolazi kroz više takvih ljuski skretala bi prema njihovom centru, ponašajući se kao da na nju djeluje gravitacija tamne tvari.

Sličan efekt kao da masa postoji

Budući da gravitacijska sila prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti podrazumijeva savijanje prostor-vremena, ona potiče sve objekte na interakcije bez obzira imaju li masu ili ne. Primjerice, potvrđeno je da fotoni, koji nemaju mase mirovanja, doživljavaju gravitacijske učinke astronomskih objekata – njihova putanja zakreće se u blizini velikih svemirskih tijela kao što su zvijezde ili galaksije jer su ta tijela svojom masom zakrivila prostor-vrijeme. Drugim riječima, prema teoriji opće relativnosti, gravitacija utječe na zakrivljenost prostor-vremena, a fotoni slijede tu zakrivljenost, što dovodi do efekata kao što je gravitacijska leća.

Lieu tumači da gravitacijsko savijanje svjetlosti pod utjecajem koncentričnih pojedinačnih ljuski koje čine galaksiju ili grozd galaksija nastaje zbog toga što je zraka svjetlosti malo skrenuta prema unutra - to jest, prema središtu strukture velikih razmjera ili skupa ljuski - dok prolazi kroz njih.

"Ukupni učinak prolaska kroz mnoge ljuske je konačan i mjerljiv ukupni otklon koji oponaša prisutnost velike količine tamne tvari na gotovo isti način kao i orbitalne brzine zvijezda", kaže Lieu.

Napominje da su skretanje svjetlosti i orbitalne brzine zvijezda jedini parametri na temelju kojih se mjeri jakost gravitacijskog polja u strukturama velikih razmjera, bile to galaksije ili jata galaksija.

"Tvrdnja mojeg rada je da su pretpostavljene ljuske bezmasne te da stoga nema potrebe za tom naizgled beskrajnom potragom za tamnom tvari", tumači.

Kako pronaći potvrdu ovoj hipotezi?

U budućim istraživanjima Lieu i njegovi istomišljenici trebali bi se usredotočiti na pitanje kako se galaksije ili njihova jata formiraju poravnavanjem ovih ljuski, kao i na to kako se odvija evolucija tih struktura.

"Ovaj se rad ne pokušava pozabaviti problemom formiranja struktura. Sporno pitanje je jesu li ljuske u početku bile ravnine ili čak ravne strune, da bi ih kutni moment navio. Također postoji pitanje kako potvrditi ili opovrgnuti predložene ljuske temeljitim promatranjem. Naravno, postojanje drugog rješenja, čak i ako je vrlo sugestivno, nije samo po sebi dovoljno da diskreditira hipotezu o tamnoj tvari - ovo bi u najboljem slučaju moglo biti zanimljiva matematička vježba. No to je prvi dokaz da gravitacija može postojati bez mase", zaključuje Lieu.

" />