Strona głównaPytania → Czy ciemna materia rzeczywiście istnieje?

Czy ciemna materia rzeczywiście istnieje?

Pytanie

Pyta Mirek

Odkryto, że prędkość rotacji gwiazd w galaktykach jest za duża w stosunku do masy tych galaktyk nazywając to niedoborem masy. Odkryto, że w gromadzie galaktyk Pocisk, obok miejsca zderzenia dwóch gromad galaktyk znajdują się obszary soczewkujące grawitacyjnie, w których nie znajdują się gwiazdy ani gaz. Na tej podstawie wysnuto wniosek, że zawierają one prawdopodobnie materię nieoddziałującą ze zwykłą materią, która nie została wyhamowana w czasie zderzenia. Wszystko to razem ochrzczono mianem „ciemnej materii”.

Jednocześnie mechanika kwantowa i teoria względności nie przewidują istnienia ciemnej materii, określenie więc, czym ona tak naprawdę jest, mogłoby być równoważne stworzeniu bardziej kompleksowej teorii Wszechświata. Wydaje mi się to mnożeniem bytów wyjaśniając niezrozumiałe czymś niewyjaśnionym. Rozumiem, że masa powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, a krzywizna czasoprzestrzeni powoduje efekt zwany grawitacją i w związku z tym postuluje się istnienie ciemnej materii, ale co stoi na przeszkodzie przeprowadzić rozumowanie odwrotne, czyli: obserwowana grawitacja jest efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni? Tylko tyle, i bez konieczności powoływania do „życia” ciemnej materii. Czy jest możliwe, że czasoprzestrzeń jest/może być zakrzywiona bez względu na istnienie materii, i czy jest to sprzeczne z teoriami Einsteina? Czy były jakieś próby symulacji dopasowania krzywizny czasoprzestrzeni do obserwowanych efektów grawitacyjnych w galaktykach i gromadach galaktyk?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Odnoszę się do poszczególnych fragmentów pytania:

„Jednocześnie mechanika kwantowa i teoria względności nie przewidują istnienia ciemnej materii.”

To nie jest poprawne sformułowanie. Te dwie teorie mówią nam jakie są prawa rządzące materią, ale nie określają jakie cząstki/pola występują w przyrodzie. Pełen model fizyczny (kwantową teorię pola) definiujemy postulując jakie występują w nim pola, i jakie są symetrie teorii. W Modelu Standardowym występuje bardzo wiele pól kwantowych, i praktycznie na pewno istnieją w przyrodzie inne pola odpowiadające nieodkrytym jeszcze cząstkom. Jeśli którakolwiek z tych cząstek jest stabilna (dlaczego nie?) to może być dobrym kandydatem na ciemną materię.

Innymi słowy, dlaczego mamy zakładać, że wszystkie występujące w przyrodzie stabilne cząstki muszą koniecznie oddziaływać z „naszymi” inaczej niż grawitacyjnie? Nie ma żadnych podstaw aby to zakładać. Oczywiście powinniśmy starać się konstruować możliwie najprostszą teorię, która opisuje obserwacje. Obserwacje jednak właśnie wskazują na istnienie ciemnej materii. Dodanie jednego dodatkowego pola do modelu zawierającego wiele innych pól ma niewielki wpływ na prostotę tego modelu lub jej brak.

„Czy jest możliwe, że czasoprzestrzeń jest/może być zakrzywiona bez względu na istnienie materii”

Tak, może być, ale tylko w pewien konkretny sposób wynikający z rozwiązań równań Einsteina. Przykładem może być rozwiązanie de Sittera gdzie jedynym źródłem zakrzywienia czasoprzestrzeni jest gęstość energii próżni. W realnym Wszechświecie obserwujemy ruch materii w czasoprzestrzeni i wnioskujemy o jej krzywiźnie, a następnie staramy się znaleźć najprostszą możliwą przyczynę tego zakrzywienia, która zgodna byłaby z równaniami Einsteina. W przypadku rotacji galaktyk oraz rozszerzania się Wszechświata zapostulowanie istnienia ciemnej materii jest najprostszym możliwym rozwiązaniem. Danych obserwacyjnych jest bardzo dużo. Naprawdę trudno jest zapostulować cokolwiek innego bez utraty zdolności do wykonywania przewidywań ilościowych lub uczynienia teorii arbitralną i dużo bardziej skomplikowaną.

„Czy były jakieś próby symulacji dopasowania krzywizny czasoprzestrzeni do obserwowanych efektów grawitacyjnych w galaktykach i gromadach galaktyk?”

Porównywano obserwacje z obliczeniami lub symulacjami wykonywanymi w ramach teorii Einsteina (z ciemną materią lub bez), a także w ramach innych alternatywnych (i bardziej skomplikowanych) teorii. Jak dotąd teoria Einsteina z ciemną materią i ciemną energią jest zdecydowania najprostszym rozwiązaniem.