Eilinį sykį „paneigtas“ tamsiosios materijos egzistavimas

Čia jau ne visai astronaujiena, nes straipsnis arXiv.org pasirodė prieš tris savaites, o pranešimai žiniasklaidoje sekė netrukus po to. Vienas iš tokių pranešimų buvo išverstas ir portale technologijos.lt. Ten komentaruose išsakiau keletą minčių, kuriomis pasidalinsiu ir čia.

Pirmiausia trumpai, apie ką visas šitas reikalas. Kažkoks italas matematikas A. Karatis, pasinaudodamas savo paties prieš keletą metų išvestais skaičiavimais apie tolimos (galaktiniais masteliais) materijos poveikį lokaliam gravitaciniam laukui, nustatė, jog to poveikio pakanka paaiškinti bent kai kurių galaktikų sukimosi kreivėms. Sukimosi kreivės (tiksliau sakant, jų neatitikimas teoriniams apskaičiavimams) buvo bene pirmasis tvirtas tamsiosios materijos egzistavimo įrodymas. Taigi jei galaktikų sukimosi kreives galima paaiškinti neįvedant tamsiosios materijos, tai ir visa problema išgaruoja, ar ne?

Ne, toli gražu. Apie tai, kodėl problema išlieka (ir galbūt netgi padidėja), jei šitie skaičiavimai yra teisingi, truputį žemiau, o pirma pakomentuosiu šį darbą. Visų pirma apie toli esančios materijos poveikį, kaip pačią idėją. Tradicinėje žvaigždžių judėjimo galaktikose analizėje paprastai daroma prielaida, jog konkrečios žvaigždės orbitai svarbi beveik vien tik materija, esanti tos orbitos viduje. Niutono (klasikinėje) mechanikoje galioja dėsnis, jog kūnas, esantis sferos viduje, tos sferos gravitacijos nejunta; paprasčiausiai sferos trauka visomis kryptimis kopensuojasi. Ir nereikia būti sferos centre, užtenka būti bet kur jos viduje. Taigi jei žvaigždės išorėje materija pasiskirsčiusi sferiškai simetriškai, jos poveikis kompensuojasi ir tikrai galima į jį nekreipti dėmesio. Aišku, galaktikos nėra sferiškai simetriškos, todėl galaktikos diske judančiai žvaigždei reikia skaičiuoti korekcijas dėl orbitos išorėje esančios materijos, bet tą padaryti įmanoma (ir paprastai padaroma). Ir vis tiek gravitacinis potencialas gaunasi pernelyg silpnas; vienas iš problemos sprendimo būdų – įvesti tamsiąją materiją.

Karačio analizė remiasi prielaidos apie išorinės materijos poveikio nykstamumą atmetimu. Kodėl taip galima padaryti? Čia pasireiškia vienas iš esminių skirtumų tarp klasikinės ir reliatyvistinės mechanikos. Reliatyvumo teorijoje dalelės judėjimas priklauso nuo aplinkinio erdvėlaikio struktūros, o ji iš principo priklauso nuo visos materijos pasiskirstymo. Ir panagrinėję reikalą suprantame, kad aukščiau minėtas dėsnis realityvumo teorijoje nebegalioja. Taigi iš principo, kokybiškai (ne kiekybiškai) galvojant, tolima materija turėtų turėti poveikį žvaigždės orbitai.

Aišku, tarp kokybės ir kiekybės yra nemažas skirtumas, ir užsirašius pagrindinę Einšteino lauko lygtį, kuri susieja erdvėlaikio iškreiptumą su ervėlaikį veikiančia materija (įtempimo-energijos tenzoriumi), paaiškėja, kad taip sau imti ir ją išspręsti nelabai įmanoma. Tenka naudoti įvairius artinius. Paprasčiausias artinys randamas pasinaudojus tiesinių perturbacijų metodika: randamas sprendinys kažkokiam paprastam materijos išsidėstymui ir padaroma prielaida, kad realaus išsidėstymo poveikis sukuria tik nedidelę perturbaciją, kurią galima apskaičiuoti iš rastojo sprendinio „elgesio“ nežymiai keičiant parametrus. Tai skamba turbūt labai protingai ir sudėtingai, bet iš tikro ypatingai sunku nėra: tereikia suskaičiuoti keletą priklausomybių ir jų išvestinių, ir atsakymas randamas.

Tačiau reliatyvumo teorijoje su linijinėmis perturbacijomis yra bėda. Mat reliatyvumas yra labai nelinijinis dalykas, taigi erdvėlaikio metrikos pokyčiai priklauso ne tik nuo pirmos, bet ir nuo antros, trečios ir t.t. išvestinės pagal įvairius parametrus, o jas suskaičiuoti kuo toliau, tuo sunkiau. Taigi nors linijines perturbacijas skaičiuoti niekas nedraudžia, jų teisingumas toli gražu nėra garantuotas. Pakeitus koordinačių sistemą, linijinių perturbacijų poveikis pasidaro kitoks arba gali netgi visiškai pranykti; tai rodo skaičiavimų neteisingumą.

Tarsi suprasdamas šitą problemą, Karatis kiek vėliau staiga pareiškia, kad išvestoje judėjimo lygtyje esančių narių, kurių vidurkis lygus nuliui, poveikio dydį nusako jų standartiniai nuokrypiai. Tai yra tiesa nelinijinėje teorijoje, tačiau skaičiavimai buvo atlikti darant prielaidas apie linijiškumą! Tokia klaida neįrodo skaičiavimų neteisingumo, bet mažų mažiausiai verčia jais abejoti. Tuo labiau, kad linijinė ekspansija daryta apie erdvėlaikio sprendinį, atitinkantį visišką vakuumą (Minkovskio erdvėlaikis), o ne didelio mastelio Visatos dinamiką paaiškinantį FLRW sprendinį.

Pasižiūrėjus į autoriaus prielaidas apie materijos pasiskirstymą Visatoje, situacija nelabai geresnė. Visų pirma, jis teigia, jog Visata yra fraktališka (t.y. turi struktūrą) visais masteliais iki pačių didžiausių. Tačiau jau seniai žinoma, jog didžiausios struktūros Visatoje yra maždaug 300 megaparsekų, o didesniais masteliais Visata yra tolygi. Nežinau, kiek atsižvelgimas į šituos duomenis pakeistų rezultatus, bet vėlgi jų ignoravimas verčia abejoti autoriaus nuoširdumu.

Kita, didesnė, problema – materijos pasiskirstymo „koreliacijos ilgis“, kuris įeina į judėjimo lygtį ir neva nusako, nuo kokio mažiausio mastelio materijos pasiskirstymas tampa netolygus. Tai yra vienas iš modelio parametrų, skirtingoms galaktikoms gaunamas vis skirtingas (kodėl? Juk kalbama apie tolimos materijos pasiskirstymą, kuris neturėtų priklausyti nuo konkrečios nagrinėjamos galaktikos), bet jo vertė visada yra maždaug keletas kiloparsekų. Bet keletas kiloparsekų, kalbant apie galaktikų pasiskirstymą, yra niekuo neypatingas mažytis atstumas. Atstumai tarp galaktikų matuojami šimtais kiloparsekų, pačių galaktikų skersmenys – dešimtimis. Taigi sunku suprasti, kodėl būtent vieno kiloparseko atstumu turėtų smarkiai pasikeisti tolimos materijos poveikio pobūdis. Taip pat šis teiginys neatlaiko kritikos ir iš kitos pusės: pasižiūrėkite į dangų naktį; matote žvaigždes? Žvaigždžių dydžiai gerokai mažesni, nei kiloparsekas, taigi materija tokiais masteliais yra ypatingai netolygi.

Pabaigai dar viena ne kritika, o pastebėjimas. Yra tokia teorija MOND (MOdified Newtonian Dynamics), viena iš alternatyvų tamsiajai materijai. Vienas iš jos esminių elementų – kritinis pagreitis; jei kūnas juda su mažesniu pagreičiu (tai galioja toli nuo galaktikos centro esančioms žvaigždėms), jį veikianti jėga yra didesnė, nei būtų klasikinėje mechanikoje. Taip galima paaiškinti galaktikų sukimosi kreives. To pagreičio vertė yra maždaug c*H_0, t.y. šviesos greitis, padaugintas iš Hablo parametro dabartinės vertės. Karačio gaunama korekcija yra tokio pat eilės dydžio. Taigi galima manyti, jog Karačio straipsnyje siūlomas fizikinis pagrindimas MOND daromai korekcijai.

Na o dabar – žadėtas paaiškinimas, kodėl šis straipsnis, net jei yra teisingas (o greičiausiai toks nėra, kaip aiškinau aukščiau), problemos ne tik neišsprendžia, bet ją galbūt dar labiau pagilina. Reikalas čia tas, kad daugelis neastrofizikų apie tamsiąją materiją galvoja tik per galaktikų sukimosi kreives. Tačiau astrofizikai apie jas pamiršo jau prieš keletą dešimtmečių. Tamsiosios materijos teorija paaiškina daugybę kitų Visatos savybių: geometriją (t.y. plokštumą); struktūros augimo spartą, amplitudes ir mastelius; galaktikų spiečių dinamiką; gravitacinio lęšiavimo signalus; žvaigždėdaros intensyvumą; besiliejančių galaktikų morfologiją; ir taip toliau. Jokia alternatyvi teorija visų šitų dalykų taip gerai paaiškinti negali. Taigi jei paaiškėtų, kad galaktikų sukimosi kreivėms paaiškinti tamsioji materija nereikalinga, vadinasi tamsiosios materijos negali būti tiek daug, kiek „reikia“ TM teorijai, arba ji pasiskirsčiusi yra visai kitaip. Taigi didelė paaiškinimų dalis nueina šuniui ant uodegos, bet alternatyvių paaiškinimų nėra. Problema tik padidėja.

Taigi nors straipsnis ir įdomus, bet su realybe greičiausiai turi nedaug ką bendro. Ką gi, teks laukti kitų proveržių :)

Laiqualasse

16 comments

  1. Trūksta paveiksliuko… :) Čia rašau dėl to, kad visi pamintijimai susiję su skaičiavimais labai greitai išskysta ir išsisklaido tarsi koks bezdalas mano galvoje ir ką perskaičiau/supratau, tai jog kažkoks karatistas parašė, jog galaktikų kreivėms nebūtina tamsioji materija, nors skaičiavimai jo išskydę taip pat kaip ir tas bezdalas, o jei tas bezdalas pasirodytų beesąs kažkuo daugiau, tai taip ir gautųsi – šūdų daugiau… :)

    1. :D Nu įdomiai susukai, beveik kaip kokią Merkinės piramidę :D
      Paprastai stengiuosi pridėti paveiksliukų, bet šita tema neradau nieko labai tinkamo, tai palikau gryną tekstą.

  2. „verčia abejoti autoriaus nuoširdumu“
    na, tokio lygio argumentai devalvuoja ir jus (verčia manyti, kad ir kiti jūsų argumentai gali būti tokio lygio)… manau to reiktų vengti…

    1. Jei padarau panašių klaidų ir vėliau jas pastebiu – pasitaisau ir atkreipiu galimų skaitytojų dėmesį :) Taigi nelabai suprantu, kokį čia ryšį įžvelgiate.

      1. Tai ir esu galimas skaitytojas :)
        O ryšys čia toks, kad yra tyrinėjamas objektas ir tyrinėtojai. Ir juos net labai nesunku atskirti, o jei jau jie maišomi – tada tai jau greičiau ne atsitiktinumas, o kažkoks gilesnis sisteminis defektas.

        1. Jei jau taip žvelgsime, tai reikia nepamiršti, kad tyrinėjamas objektas neklysta, klystame tik mes, bandydami jį suvokti, išnagrinėti ir aprašyti. Ir bet kokiame tyrime pasireiškia ir jo autorius, visiško objektyvumo nebūna ir tikėtis neverta.

          Taigi taip, išsakiau nuomonę apie tyrimą, kartu ir apie jo autorių. Ar ta nuomonė kažką pasako apie mane? Taip, pasako. Ar tai reiškia, kad mano teiginiais reikia abejoti taip pat, kaip ir Karačio? Iš dalies taip – mano teiginiais abejoti (ir juos sutikrinti su kitais šaltiniais) reikia, tačiau tai visai nepriklauso nuo mano teiginių apie Karatį ar bet kokį kitą mokslininką. Ar reikėtų vengti nuomonių apie galimą mokslininkų subjektyvumą? Nemanau.

          Nesu tikrai, ar teisingai supratau jūsų teiginį. Jei suklydau – pasakykit, pabandysiu suprasti iš naujo :)

    2. Na, Laquasse’as čia kaip ir tikriausiai turi omenyje karatisto norą tiesiog pasiškandalyti.

      Antra vertus, ar tas pasiškandalinimas negalėtų būti prielaidomis išjudinančiomis nusistovėjusį mąstymą ir bandant surasti „out of the box“ ką nors? T.y. galbūt net vien tik pasiškandalinimas yra nauda.

        1. Be aistrų pasaulis darosi pilkas :)

          O šiaip tai nematau jokių čia aistrų – normali diskusija. Va jei kas nors ką nors imtų siuntinėti įvairiais trumpais adresais, tai jau būtų aistros :)

      1. Skirtumai, išmok mano slapyvardį rašyti, ką? Bo pradėsiu dalmeniu vadinti :p

        Dėl pasiškandalijimo – ne, to neturiu omeny. Bet manau, kad autorius visgi paskubėjo, gavęs „įdomų“ atsakymą, jį publikuoti, nepasidomėjęs esama literatūra ir nepakankamai kritiškai pažvelgęs į savo skaičiavimus.

        Kad „vien pasiškandalijimas“ gali būti nauda – taip, sutinku. Bet tik teoriškai; praktikoje nedažnai taip būna.

    3. Tiesa, dabar galvoju, kad turbūt neteisingą žodį panaudojau. Vietoje „nuoširdumo“ būtų geriau tikęs „nuoseklumas“.

  3. „Jokia alternatyvi teorija visų šitų dalykų taip gerai paaiškinti negali“
    O ar kas nors tas alternatyvas kaip nors klasifikavo? Turiu minty technologines alternatyvas, o ne šiaip visai iš piršto laužtas.

    1. Rimčiausios alternatyvos yra dvi – MOND (MOdified Newtonian Dynamics), vėliau išplėsta į teoriją, pavadintą TeVeS (Tensor-Vector-Scalar gravity), ir MOG (MOdified Gravity), vėliau vėlgi išplėsta į STVG (Scalar-Tensor-Vector Gravity). Ne, tai ne ta pati teorija, nors pavadinimai ir panašūs.

      Klasifikuoti jų niekas neklasifikuoja, tiesiog kol kas visų alternatyvių teorijų šalininkai patys pripažįsta, kad jų teorijos gali paaiškinti tik dalį reiškinių. Tai nereiškia, kad jų neverta tyrinėti ir nagrinėti toliau, ir jose netgi gali būti tiesos grūdas, bet tamsmaterijos jos (pilnai) nepakeičia.

      1. Ar teisingai spėju, kad minėtos alternatyvos eina esmėje kaip „reliatyvumo teorijos dukterinės įmonės“. Įdomu, tamsiosios medžiagos kontekste, ar yra tech. alternatyvų – „prieš“ reliatyvumo teoriją, ar „greta“ jos?

        1. Nesu tikras, bet man atrodo, kad ir MOND, ir MOG (tiksliau jų aukštesnės pakopos TeVeS ir STVG) yra ne visai reliatyvistinės teorijos. T.y. jų principiniai teiginiai kažkuo skiriasi nuo reliatyvumo; kitaip ir negali būti, nes reliatyvumo teorija yra Niutono mechanikos apibendrinimas, o MOND ir MOG pakeičia būtent Niutono mechaniką, taigi jų vediniai negali būti reliatyvistiniai. Tik nežinau, kiek smarkiai skiriasi.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *