Symulacje ewolucji Wszechświata i ciemnej materii

Pytanie

Pyta Adam B.

W jakimś popularnonaukowy programie o powstaniu kosmosu, zaprezentowano superkomputer symulujący powstanie Wszechświata w Wielkim Wybuchu. W symulacjach używano różnych „przepisów” na wszechświat podobny do naszego. Okazało się, że bez tzw. ciemnej materii w symulacjach nie tworzą się galaktyki i gromady, co jest pośrednim dowodem na istnienie tej formy materii. Mam tu jednak pytanie, jakie własności ciemnej materii były użyte do symulacji, by uniknąć zapadania się tej materii do wnętrza czarnych dziur, które musiałoby następować, gdyby prędkości tej materii były małe, a jej wartość podlegałaby ograniczeniom do prędkości światła. Inną sprawą jest też pytanie dlaczego np. Ziemia nie czuje obecności ciemnej materii, bo takiego efektu w przypadku jednorodnego przemieszczania się tej materii (np. w ruchu obrotowym w kierunku przeciwnym lub zgodnym jak nasza galaktyka) można by się spodziewać. Ciemna materia powinna wtedy przyspieszać lub zwalniać orbitalny obieg Ziemi wokół Słońca, tak samo jak robi to np. Jowisz. Gdyby zaś ciemna materia była nieruchomo przyklejona do Ziemi, to de facto zmieniałaby tylko mierzalną stałą grawitacji i zachowywałaby się jak bozony Higgsa. Czy jedynym racjonalnym wytłumaczeniem dla tej materii jest bezładny wszechkierunkowy ruch i to z prędkościami co najmniej podświetlanymi? A co też wtedy zrobić z energią kinetyczna tej materii; czy np. należy uznać ją za ciemną energię?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Zwykle w symulacjach badających tworzenie się galaktyk zakładamy, że ciemna materia składa się z masywnych cząstek, dla których jedynie oddziaływania grawitacyjne nie są zaniedbywalne. Przyjmujemy również, że w momencie odprzęgnięcia się promieniowania (około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu) rozkład gęstości ciemnej materii był bardzo bliski jednorodnemu, jedynie z takimi odchyleniami, które nie są sprzeczne z obserwowaną jednorodnością mikrofalowego promieniowania tła. Cząstki ciemnej materii (albo przynajmniej znaczna ich część) w tym momencie są zimne, tj. ich średnie prędkości są znacznie mniejsze od prędkości światła. Inaczej nie mogłyby „pomóc” w formowaniu się galaktyk. Zupełnie nieznana jest natomiast masa tych cząstek. Nawet gdybyśmy wiedzieli, że są np. 1000 razy cięższe od protonu, to i tak w symulacji całej galaktyki musimy posłużyć się obiektami o wiele cięższymi od Słońca, gdyż na rozważanie obiektów mikroskopowych nie wystarcza moc nawet najpotężniejszych komputerów. Pamiętajmy, że w naszej galaktyce jest około 100 miliardów gwiazd, więc traktowanie w tej skali również gwiazd jako gazu cząstek jest całkiem dobrym przybliżeniem.

W centrach wielu galaktyk znajdują się czarne dziury, i pewna część ciemnej materii jest przez nie wychwytywana. Tak samo pewna część gwiazd lub obłoków wodoru jest wychwytywana przez czarne dziury. Jednak większość materii galaktycznej (zwykłej i ciemnej) bezpiecznie orbituje w dużej odległości od centralnej czarnej dziury.

O ile ciemna materia wpływa wyraźnie na ruch gwiazd wokół centrów galaktyk, to jej wpływ na ruch planet w Układzie Słonecznym jest bardzo niewielki. W tym ostatnim przypadku ciemna materia daje bardzo mały wkład do masy całego grawitującego układu — kilkanaście rzędów wielkości mniejszy od wkładu Słońca. Jednocześnie prędkość ciemnej materii względem Słońca jest prawdopodobnie na tyle duża, że nie ma tendencji do gromadzenia się jej wokół Słońca, ani tym bardziej wokół Ziemi. W tym ostatnim przypadku napisałem „prawdopodobnie”, gdyż wyciągamy ten wniosek jedynie na podstawie znajomości prędkości ruchu Słońca wokół centrum Drogi Mlecznej (około $240~\rm{km/s}$), oraz znajomości tzw. prędkości ucieczek (np. poniżej $50~\rm{km/s}$ w przypadku ucieczki z orbity wokółsłonecznej, po której porusza się Ziemia). Wiemy też, że nasze obliczenia ruchu planet bez uwzględnienia ciemnej materii bardzo dobrze zgadzają się z obserwacjami.

Ciemna materia nie jest więc „przyklejona” do żadnego obiektu, a jedynie (w pewnej swojej części) związana grawitacyjnie z galaktykami. Wytwarzane przez nią pole grawitacyjne jest podobne do wytwarzanego przez obłoki pyłu międzygwiezdnego. Nie można takiego pola opisać poprzez przeskalowanie stałej grawitacyjnej, ani tym bardziej nie jest ono podobne do pola wytwarzanego przez ciemną energię. Pył daje wkład tylko do gęstości energii, w przeciwieństwie do promieniowania, które generuje pole grawitacyjne również przez swoje ciśnienie. Ciemna energia generuje takie pole, jak promieniowanie o ujemnym ciśnieniu. Jej związek z polem Higgsa jest zagadkowy, gdyż samo pole Higgsa wydaje się dawać o wiele rzędów wielkości za duży wkład do ciemnej energii. Bozony Higgsa to cząstki będące wzbudzeniami pola Higgsa, które żyją bardzo krótko, i w naturalnych warunkach praktycznie się nie produkują. Nagromadzenie nieporozumień w końcowym fragmencie pytania rozpoczynającym się od słowa „przyklejona” jest bardzo duże.

Cząstki ciemnej materii poruszają się, ale być może nie całkiem bezładnie, gdyż prędkości ich ruchu termicznego i orbitalnego mogą być porównywalne. Skoro ciemna materia w swojej większości jest zimna (a na to wskazują symulacje), to prędkości jej cząstek są znacznie mniejsze od prędkości światła. W takim przypadku wpływ ciśnienia (a także energii kinetycznej) ciemnej materii na pole grawitacyjne jest znikomy. Tylko masa cząstek i ich rozkład w czasoprzestrzeni grają rolę.

Dalszą dyskusję na ten temat znaleźć można w pytaniu „Tensor energii-pędu i ciśnienie promieniowania w kosmologii”.