Astrofizika aklavietėje: arba Paukščių Takas jau patyrė neįmanomą susidūrimą, arba reikia keisti visą gravitacijos koncepciją

Galaktinių šrap­ne­lių ba­lis­ti­ka ro­do, kad Pauk­ščių Ta­kas jau bu­vo su­si­dū­ręs su sa­vo gi­gan­tiš­ką­ja kai­my­ne An­dro­me­da – bet jei tai tie­sa, ta­da klys­ta fi­zi­kai.

Paukščių Tako dienos jau suskaitytos ir bus pažymėtos fejerverkais. Po maždaug 4 milijardų metų naktinį dangų nušvies šimtai milijardų žvaigždžių, kai užslinks gretima Andromedos galaktika. Dvi dangaus milžinės taps viena ir titaniškos gravitacijos jėgos į tarpgalaktinę erdvę svaidys žvaigždes, planetas bei dujų debesis. Išlikusios žvaigždės ir planetos susirinks į sujauktą debesį naujų žvaigždžių – skriejančių tolyn į ateitį ne Paukščių Take, ne Andromedoje, bet gigantiškoje „Paukšdromedos“ galaktikoje.

Toks yra gerai nustatytas mūsų galaktikos kataklizminės ateities paveikslas. Kas ne taip vienareikšmiška – tai gali būti ir mūsų praeities vaizdas.

Stebėjimai rodo, kad šalia Galaktikos skrieja buvusio dviejų gigantų susitikimo liekanos. Negalimi palydovinių galaktikų išsirikiavimai, kamuoliniai spiečiai ir iš Galaktikos nutįsę žvaigždžių srautai rodo, kad mūsų lokalią kosminę istoriją reikia perrašyti. Ir ne tik: norint paaiškinti, ką rodo teleskopai, gali tekti permąstyti paslaptingiausią medžiagą, tamsiąją materiją, o kad jau taip, tai gal net ir visą gravitacijos koncepciją.

Kaip ir daugelis didelių problemų, šioji prasidėjo nuo smulkmenos: keistos mažutėlaičių nykštukinių galaktikų, supančių Paukščių Taką, konfigūracijos. 2012 metais astronomas Marcel Pawlowski, tada dirbęs Bonos universitete Vokietijoje, pavadino tai „didele poline struktūra“. Toks pavadinimas kilo dėl nykštukių išsirikiavimo ratu, su Paukščių Tako pagrindine plokštuma – kurioje mūsų Saulė ir visa kita – sudarančiu statų kampą.

Bet jis toli gražu nebuvo pirmasis, tai pastebėjęs. Ši garbė tenka Donaldui Lyndon-Bellui iš Kembridžo universiteto, kuris 1976 metais parodė, kad Paukščių Taką supančios palydovinės galaktikos nėra išsibarsčiusios kaip pakliuvo, bet panašu, lyg jas kas būtų taip išdėliojęs. „Jie manė, kad tai gali būti didesnės galaktikos atplaiša, sudaranti savotišką nuolaužų srautą, – sako Pawlowskis. – Tuomet vyko atvira diskusija, bet netrukus tema prarado populiarumą.“

Tema prarado populiarumą dėl tamsiosios materijos iškilimo. Tamsioji materija aštuntajame dešimtmetyje tapo glaistu, užtaisiusiu žiojintį neatitikimą tarp standartinių kosmologinių modelių, besiremiančių Niutono ir Einšteino gravitacijos paveikslu, bei realybės stebėjimų. Kai astronomai išmatavo tolimų galaktikų sukimąsi, paaiškėjo, kad šie dangaus kūnai sukasi taip greitai, kad jei galaktikų struktūrą laikytų tik regimosios materijos gravitacija, jos turėtų išsitaškyti į šalis. Tokį nutrūktgalvišką sukimąsi būtų galima paaiškinti, jei galaktikose būtų daugiau materijos, nei matome – jei didžioji jų materijos dalis būtų sudaryta ne iš įprastų atomų, bet iš dalelių, nesąveikaujančių su šviesa, taigi, neregimų.

Tamsioji materija atitiko tarp fizikų, tyrinėjusių visatos siautulinguosius pirmuosius metus, – iki žvaigždžių ir galaktikų susiformavimo – sklandžiusias idėjas. Šiame liepsnojančiame pasaulyje radosi naujos dalelės, pernešančios sąveiką ir energiją. Visatai plečiantis ir vėstant, šios dalelės prarastų savo galią ir taptų inertiška, nematoma sriuba.

Globėjiškieji halai

Niekas niekada nėra aptikęs ar sukūręs nė vienos tamsiosios materijos dalelės, tačiau jos populiarumas vis augo. Dabartiniame standartiniame kosmologiniame modelyje jos yra penkis kartus daugiau, nei įprastos materijos. Tokie tamsiosios materijos kiekiai ne tik paaiškina galaktikų sukimąsi, bet, panašu, nulemia tokių galaktikų, kaip Paukščių Takas, formavimąsi. Dėl mažų tamsiosios materijos pradinio tankio netolygumų, veikiant vien gravitacijai, susiformavo jos sankaupos. Jos traukė įprastą materiją, kuri sudarė plokščius besisukančius materijos diskus – galaktikas.

Tokio proceso simuliacijos idealiai atkuria regimas galaktikų formas. Karštos ir šaltos kosminio mikrobangų fono, – šviesos, pasklidusios kosmose, kai šiam tebuvo 380 000 metų – dėmės interpretuojamos, kaip šio proceso sėklos. Tad, manoma, kad dabar galaktikas supa jaukus tamsiosios materijos „halas“, kuriantis gravitaciją ir laikantis viską krūvoje.

Tos pačios simuliacijos rodo, kaip tamsiajai materijai formuojant galaktikos halą, jos dalys fragmentuojasi, suskyla, įkalina krentančią normalią materiją ir suformuoja tuntą nykštukinių galaktikų, netvarkingai išsibarsčiusių apie didesnę pagrindinę galaktiką. Tuo tarpu Paukščių Tako nykštukinės galaktikos anaiptol nėra išsibarsčiusios netvarkingai. Problema.

Dėl triuškinančios tamsiosios materijos modelio sėkmės daugelis astronomų į šį nediduką nepatogumą buvo linkę žvelgti pro pirštus: gal paprasčiausiai dar nematėme visų Paukščių Tako palydovinių galaktikų. Bet 2005 metais Pavel Kroupa, taip pat iš Bonno universiteto, iš naujo išanalizavęs palydovinių galaktikų duomenis, patvirtino stulbinamą neatitikimą su tamsiosios materijos teorija.

Pawlowskis, Kroupa'o doktorantas, ėjo dar toliau. Jis tyrinėjo išsidėstymą kitų Paukščių Tako hale esančių objektų – daug mažesnių už nykštukines galaktikas sferinių žvaigždžių grupių, vadinamų kamuolinių spiečių ir ilgų plonų žvaigždžių gijų, manoma, susiformavusias iš yrančių nykštukinių galaktikų.

Siekdamas tai paaiškinti, Pawlowskis prisiminė Lyndon-Bello idėją, kad tai gali būti galaktikų susidūrimo liekanos ir pažiūrėjo, kokios būtų tokio susidūrimo pasekmės. Jis tyrė, ar nykštukinės galaktikos išties galėjo susiformuoti iš dviejų galaktikų susidūrimo liekanų. Astronomai visatoje mato ne vieną tokį galaktinį šokį, iš kurio driekiasi didžiulės žvaigždžių ir dujų uodegos. Pawlowskio simuliacijos patvirtino, kad Paukščių Tako nykštukinės galaktikos iš tiesų galėjo susiformuoti po tokio susidūrimo. Bet kas buvo to šokio partneris?

Akivaizdaus kandidato nebuvo iki 2013 m., kai Rodrigo Ibata iš Strasbourgo observatorijos Prancūzijoje su kolegomis publikavo stebėjimus, rodančius, kad panaši polinė nykštukinių galaktikų struktūra supa ir Andromedą, artimiausią mūsų galaktinę kaimynę už 2,5 milijonų šviesmečių. Virš Andromedos plokštumos esančios nykštukinės galaktikos juda tolyn nuo mūsų, tuo tarpu esančios po plokštumą – artėja. Tai įtikimas įrodymas, kad diskas nėra atsitiktinis darinys, o vientisa, besisukanti struktūra. Andromedos palydovų diskas sukasi taip pat, kaip ir mūsiškis, bei rodo į Paukščių Taką, nors ir su nedideliu 35 laipsnių nuokrypiu nuo mūsų galaktikos polinės struktūros. Būtent to galima tikėtis, jei dvi galaktikos praeityje sąveikavo.

Išskyrus smulkmeną – to padaryti jos negalėjo. Netgi įskaičiuojant numanomus tamsiosios materijos halus, Andromedos ir Paukščių Tako masės, tad ir tarpusavio traukos, nepakanka, kad jos būtų spėjusios susidurti per laiką, praėjusį nuo Didžiojo sprogimo.

Taigi, patas. Nebent, aišku, ko nors nežinome apie gravitaciją. Niutono ir Einšteino teorijose daroma prielaida, kad gravitacija yra jėga, kurios stiprumas atvirkščiai proporcingas atstumo tarp dviejų masyvių objektų kvadratui. Tai tikrai tinka mūsų planetų sistemų masteliu – kūnų, esančių taip toli, kaip Plutonas, orbitos lūkesčius atitinka. Tačiau tai yra prielaida, kurios patikrinti didesniu masteliu niekada negalėjome.

Eretiškoji idėja, kad gravitacijos stiprumas nėra visur vienodas, buvo iškelta devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, kaip alternatyva tamsiajai materijai. Vadinamosios MOND – „modifikuotos Niutono dinamikos“, – idėją iškėlė Mordechai Milgrom, tada dirbęs Princetono universitete Niu Džersyje. Jis išsiaiškino, kad galaktikų sukimąsi praktiškai idealiai galima būtų aprašyti, jei gravitacinis laukas santykinai silpnas, o jo stipris ne atvirkščiai proporcingas atstumo kvadratui, bet „plokščias“. Tokioje aplinkoje, pavyzdžiui, galaktikų pakraščiuose, gravitacija būtų stipresnė, nei tikimasi.

2014 metais, Hongsheng Zhao iš St Andrews universiteto, JK, dirbdamas su Kroupa ir kitais, parodė, kad toks subtilus pokytis būtų leidęs Paukščių Takui ir Andromedai sąveikauti prieš 7–11 milijardus metų. „Paprastai kalbant, MOND dinamikai reikia, kad šios dvi galaktikos praeityje jau būtų sąveikavusios,“ paaiškina Pawlowskis.

Supertakus nušvitimas

Bet MOND nėra mėgiamiausia fizikų idėja. Nors gravitacijos stiprumas labai silpnuose laukuose niekada nebuvo tikrintas, pati idėja, kad gamtos jėga taip paprastai gali keisti savo stiprį, daugumai nėra priimtina. O MOND susiduria su problemomis itin dideliuose masteliuose. Galaktikų spiečiuose, kad viskas laikytųsi drauge, tamsiosios materijos vis vien reikia. O be kokios nors formos tamsiosios materijos, padedančios įprastai materijai sulipti į galaktikas, tas karštas ir šaltas KMF dėmes labai sunku paaiškinti.

Visa tai suteikė Pawlowskiui stimulą apsvarstyti, ar pati MOND idėja galėtų būti modifikuota taip, kad ne tik paaiškintų Paukščių Tako ir Andromedos susidūrimą, bet ir atitiktų kitus stebėjimus. „Gal MOND mums kažką sako apie gravitaciją, – sako jis. – O gal ką byloja apie tamsiąją materiją.“

Sutikite Justiną Khoury, keliantį tokį pat klausimą ir gal turintį atsakymą. Fizikos teoretikas iš Pensilvanijos universiteto Filadelfijoje, Khoury'is seniai žavėjosi MOND galimybe aprašyti kosminę dinamiką galaktikų masteliu – ir negebėjimu aprašyti ką didesnio. „Reikia komponento, keičiančio gravitaciją galaktikų masteliu, bet nepasireiškiančio kosmologiniu masteliu, – sako jis. – Kaip tai suderinti?“ Jo atsakymas: supertakumas.

Khoury'io idėja susijusi su supertakia būsena, vadinamuoju Bose-Einstein kondensatu, pasireiškiančiu tarp kai kurių įprastos materijos atomų, kai šie atšąla žemiau tam tikros temperatūros. Šios būsenos medžiagos dalelės ima elgtis kaip viena, koherentiška, neturinti klampumo masė, tekanti be trinties. Kai temperatūra pakyla, dalelės grįžta į normalią, klampią, skysčio būseną.

Jei tamsioji materija galėtų įgyti Bose-Einšteino kondensato būseną, ji tam tikru masteliu galėtų atkartoti MOND, o kitu atveju – įprastinę tamsiąją materiją. Santykinai silpnuose galaktikų gravitaciniuose laukuose tamsioji materija judėtų lėtai ir jos efektinė temperatūra būtų žema. Ji pereitų į Bose-Einšteino būseną, kurios energija tolygiai pasiskirstytų visame tūryje ir kurtų papildomą, panašią į MOND, gravitacinę jėgą. Tačiau stipresniuose gravitaciniuose laukuose, kokie būna galaktikų spiečiuose, toks koherentumas sutriktų ir materija elgtųsi kaip paprasčiausia tamsioji materija, prisidedanti prie gravitacijos mažutėlaičiu atskiru kiekvienos dalelės indėliu.

Tai paaiškintų, kodėl MONDiško elgesio neregime savo planetų sistemos masteliu. Saulė yra labai stiprus lokalus gravitacijos šaltinis, tad kondensatas šiame vietiniame lygyje suyra. Tas pats pasakytina apie kiekvieną Paukščių Tako žvaigždę, kurios elgiasi kaip kondensato nešvarumai. Tačiau kadangi mūsų galaktikos, kaip ir visos galaktikų, didžiąją dalį sudaro tuščia erdvė, žvelgiant bendrai, galaktinis kondensatas dominuoja.

Khoury'is nėra pirmasis, pasiūlęs mintį, kad tamsiosios materijos dinamika natūraliai pamėgdžiotų Bose-Einšteino kondensatą, tačiau jis pirmasis pastebėjo, kad dėl to kyla panašios į MOND gravitacijos variacijos, taip apjungdamas du modelius, anksčiau laikytus nesuderinamai priešingais. Kad šis hibridinis modelis veiktų, remiantis jo skaičiavimais, pati tamsioji materija yra milijardą kartų lengvesnė, nei rodo dabartiniai modeliai.

Ryškus neatitikimas

Khoury'is dabar kuria kompiuterinius modelius, siekdamas išvysti, kaip supertakūs tamsiosios materijos halai paveikia galaktikų susijungimus, ir ar kokiais nors stebėjimais jis galėtų patikrinti savo idėją. Jis taip pat bendradarbiauja su Pensilvanijos universiteto kolega kondensuotos materijos fiziku, Tomu Lubensky'iu, siekdamas išsiaiškinti, ar kokie nors žinomi superšalti atominiai skysčiai sukuria būtent tokius numatytus efektus. Jei taip, tada galbūt galime panaudoti šaltas atomines dujas galaktikų ir jų susiliejimų simuliavimui laboratorijoje“, – svarsto jis.

Kai kam kalbos apie gravitaciją modifikuojančią supertakią tamsiąją materiją atrodo kaip bereikalinga ir nepageidaujama komplikacija – daug sumaišties, stengiantis paaiškinti santykinai nedidelę keistai išsirikiavusių nykštukinių galaktikų problemą. Tarkime, Edas Shaya iš Merilendo universiteto College Parke, mano, kad šis neatitikimas tarp simuliacijų ir nykštukinių galaktikų tikrovės kyla dėl kompiuterių skaičiavimo pajėgumų trūkumo, ribojančio simuliacijos raišką. Jis įsitikinęs, kad problemą galima išspręsti įprasta fizika ir įprasta tamsiąja materija. „Dar ne metas atmesti standartinį modelį“, – sako jis.

Atstumas tarp simuliacijos ir realybės kol kas ryškus. Didelės polinės struktūros žiedo skersmuo yra ~500 000 š. m., tačiau plotis ne didesnis, nei 50 000 š. m. Nors kai kurios standartinio galaktikų formavimosi simuliacijos gali būti suderintos taip, kad išsirikiavimas būtų panašus, tačiau jos niekada nepateikia žiedų, siauresnių nei milijonas šviesmečių. Pawlowskiui šis neatitikimas atrodo labai svarbus. „Yra daug problemų, kylančių standartiniame modelyje galaktikų masteliu, tačiau ši – didžiausia.“

Niekas iš šių dalykų nepakeis mūsų lemties, ramiai skriejant link didžiųjų fejerverkų galaktikos pabaigoje. Bet ar tas kvapą gniaužiantis reginys bus jau antras dublis? Kas žino – jei teks pakeisti supratimą apie gravitaciją ir tamsiąją materiją, negalėsime užtikrintai įrašyti kitos dienos savo dienoraščiuose. Fejerverkai iš mugės gali išvažiuoti kiek anksčiau, nei tikimės.