Kość w ciemnej materii

Źródło: Françoise Combes

Grawitacja a obroty galaktyk

Obserwując prędkości obrotowe galaktyk, astronomowie szybko zauważyli rażącą, systematyczną anomalię: galaktyki nie obracały się tak, jak powinny. Obracały się z niemal stałą prędkością, innymi słowy, prędkość obrotowa była zbyt duża na ich peryferiach, niż wynikałoby to z wyliczeń na podstawie uniwersalnych praw grawitacji (zauważmy, że możemy założyć przeciwieństwo: prędkość jest niewystarczająca idąc ku centrum galaktyk).

Sugeruje to istnienie niewidocznej, ciężkiej materii, ciemnej materii, rozmieszczonej w postaci halo wokół galaktyk, zawierające ponad 90% ich masy. Pokazuje to graf powyżej.

Stosowano nawet modyfikacje grawitacji przy małych intensywnościach (MOND).

Na ilustracji powyżej, kropkowana na zielono linia pokazuje prędkość rotacji dysku D, czarna kropkowana linia odpowiada prędkości obrotowej bańki B.

Kombinacja, w postaci czerwonych piktogramów, jest pomiarem prędkości gazu (atomowego wodoru) w pobliżu galaktyki.

Przyznajemy, że gaz faktycznie pasuje do poziomej niebieskiej linii, reprezentującej sumę prędkości wszystkich komponentów Drogi Mlecznej. Używamy tej charakterystyki jako wskazówki, że prędkość gazu jest dobrym przybliżeniem prędkości obrotowej galaktyki. Ale aby wyjaśnić tą płaską krzywą prędkości obrotowej, należy wziąć pod uwagę halo H, reprezentując tajemniczą ciemną materię (brązowe kropki).

Powyżej:

1. Krzywa rotacji zaobserwowana dla NGC 2403 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).
   Źródło: Begeman (1987)
2. Krzywe rotacji zaobserwowana dla NGC 5033 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).
3. Krzywe rotacji zaobserwowana dla NGC 5371 (piktogramy) oraz krzywe rotacji dla poszczególnych elementów (linie).

Jak widać, wydaje się, że we wszystkich galaktykach komponent gazowy zawsze ma krzywą rotacji odmienną od krzywej rotacji dysku.

Ponownie też zauważmy, że wyjaśnienie zawsze wymaga obecności halo z hipotetycznej ciemnej materii.

Pytanie

Dlaczego obserwujemy odmienne prędkości obrotowe dla różnych komponentów galaktyki? A szczególnie odnośnie dysku oraz gazu?

Czy wolno, z punktu widzenia fizyki, dodawać te prędkości i prezentować średnią?

Problem

1. Pierwszym obiektem jest dysk, złożony z masywnych obiektów (gwiazdy, planety, pył, etc.)
2. Drugim jest gaz, złożony z wodoru atomowego o małej gęstości, wykrywalnego tylko dzięki byciu zjonizowanym, oraz częściowo lub mniej, z cząsteczkowego wodoru lub helu.

Źródło: NASA/WMAP

Jaka różnica fizyczna może wyjaśnić różne prędkości obrotowe?

Oba komponenty są wrażliwe na grawitację. Jednak gaz, w przeciwieństwie do dysku, jest niezmiernie rozrzedzony oraz zjonizowany, co czyni go bardzo wrażliwym na pole magnetyczne galaktyki! Owo pole jest bardzo słabe, rzędu 0,8 µG. Obejmuje jednak całą galaktykę oraz okolicę. Zatem w wielkiej skali, jego wpływ na gaz staje się dominujący w porównaniu z grawitacją.

Wnioski:

1. Prędkości obrotowe gazu nie są dobrą miarą prędkości obrotowej galaktyki.
2. Z drugiej strony, prędkość obrotowa gazu jest dobrą wskazówką na istnienie galaktycznego pola magnetycznego.
3. Dodawanie prędkości komponentów galaktyki do postaci średniej jest ciężkim koncepcyjnym błędem. Jest to błąd fizyczny, podobny do sumowania prędkości silnika parowego i dymu z jego paleniska.
   
4. Nie potrzebujemy ciemnej materii do wyjaśnienia prędkości obrotowej galaktyk.

A co z gromadami galaktyk?

Źródło: HST

W każdej gromadzie galaktyk obserwujemy soczewkowanie grawitacyjne. Ujawnia nam ono istnienie odległych obiektów, których światło jest zakrzywiane (w sensie refrakcji) przez masę gromady.

Obliczenia (relatywistyczne) pozwalają nam obliczyć masę gromady. Ale tak obliczona masa jest znacznie większa od masy wynikającej z obserwacji.

Konflikt ten wydaje się dawać rozwiązać istnieniem ciemnej materii, lub ponownie modyfikacją praw grawitacji przy małych intensywnościach w dużej skali (MOND).

Źródło: Chandra

Obserwatorium Rentgenowskie Chandra dało nam wiele zdjęć gromad galaktyk. Abell 1689 jest dobrym przykładem. Widzimy, że ta gromada znajduje się wewnątrz ogromnego obłoku gazu. Jest on wzbudzony światłem galaktyk, a więc zjonizowany.

Czy jest on jednak pod wpływem, jak każdy inny, pola magnetycznego? Tak, istotnie, zgodnie z pewnymi obserwacjami (pole magnetyczne gromady galaktyk). Owe pola magnetyczne mają wartość zwykle ok 1 µG. Ale w tym wypadku ciemna materia, w której obecność w gromadzie niektórzy wierzą, jest tylko błędem w interpretacji.

Potrzebne jest wyjaśnienie, jak powstają soczewki grawitacyjne. Ale czy faktycznie są one grawitacyjne?

Czy nie można rozważyć soczewki optycznej? Czy obłok gazu jest dostatecznie gęsty, aby nas zmylić? Albo, po prostu, czy w tej skali, czy dostateczna jest liczba atomów, które światło napotka na swojej drodze? Albo, czy wciąż sławne pole magnetyczne, za który się rozglądamy, zakrzywia światło?

Źródło: HST

Rdzeń z ciemnej materii bez wyjaśnienia na zdjęciu gromady Abell 520, opublikowanym przez HST 2 marca 2012. Pytanie: czy tutaj też chodzi o zjonizowany gaz w polu magnetycznym?

Źródło: ESO

18 kwietnia 2012, ESO opublikowała, pod tytułem Poważny cios w teorię ciemnej materii?, obserwacje uczynione wokół Słońca oraz wewnątrz galaktyki przez zespół astronomów w Chile, które pokazały, że teoria ciemnej materii nie zgadza się z faktami. Możemy się wiec założyć, że próby bezpośredniego wykrycia cząstek ciemnej materii za Ziemi nie przyniosą efektu. Jest to najdokładniejsze studium, nigdy nie docenione, nad ruchem gwiazd w Drodze Mlecznej. Nie znaleziono dowodów na obecność ciemnej materii we względnie dużej strefie wokół Słońca.

Źródło: Chandra

24 września 2012, NASA opublikowała obserwacje rentgenowskie dr Anjali Gupta et al teleskopem Chandra, pod tytułem Chandra pokazuje, że Droga Mleczna otoczona jest gorącym gazem. Obserwacje te pokazują, ponownie, że lepiej jest ufać obserwacjom aniżeli symulacjom.

Dalsze obserwacje tego rodzaju, zrobione na innych galaktykach lub ich gromadach, mogą wyeliminować definitywnie hipotezę ciemnej materii jak również MOND.

Pytanie:

Czy nasza galaktyka jest wyjątkowa?

Dokumentacja:

1. The Dark Matter Myth - Magnetic Fields and Galactic Rotation Curves (Thomas Smid)
2. SPH simulations of magnetic fields in galaxy clusters (Dolag K. Bartelmann M. Lesch H.)
3. The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications (Plik PS, do odczytania przez GhostScript, lub przekonwertowania na format PDF Adobe Acrobat)
4. Birth Control for Stars
5. Anchoring Magnetic Field in Turbulent Molecular Clouds
6. L'Univers des Galaxies - Daniel Benest, Alain Blanchard, Lucie Bottinelli, Suzy Collin, Claude Froeschlé, Lucienne Gouguenheim, Jean Lefèvre et Laurent Nottale - Chez HACHETTE - Collection les Fondamentaux.
7. Hydrodynamique . Physique - Etienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit - EDP SCIENCES.
8. The Baryonic Tully-Fischer Relation. (Stacy McGaugh).
9. IAP-CNRS (Roger Ferlet) A fast history and a summary of the results of the observations).
10. Accepted view of Universe challenged by astronomer.
11. EdgeviewSpace.
12. Les Données de BOOMERanG suggèrent un Univers purement Baryonique (Stacy McGaugh).
13. L'image Astronomique du Jour, Logarithmic Spirals Isabel and M51. A link which could be justifiable.
14. Propriétés et origine des reliques radio dans les amas de galaxies. (Chiara Ferrari).
15. arXiv:astro-ph/0308518 v1 28 Aug 2003 - A Dearth of Dark Matter in Ordinary Elliptical Galaxies. Aaron J. Romanowsky, Nigel G. Douglas, Magda Arnaboldi, Konrad Kuijken, Michael R. Merrifield, Nicola R. Napolitano, Massimo Capaccioli, Kenneth C. Freeman.
16. June 27th, 2005, On a retrouvé la matière noire dans les galaxies elliptiques ! But we did not still find the slightest sample of black matter.
17. Observational Cosmology: caveats and open questions in the standard model (Martín López-Corredoira - 01/06/2006).
18. New May 11th, 2010, We did not still find the slightest sample of black matter: First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment.
    And also: Early Results from Large Dark Matter Detector Cast Doubt on Earlier Claims.
19. New Serious Blow to Dark Matter Theories?
    Zobacz streszczenie (źródło: ESO).

Mając dwie możliwości, naukowcy mają tendencję do wyboru tej niewłaściwej.

– Halton Arp

---

Autor: Bernard Lempel

Przetłumaczono z: A Black Snag in the Black Matter

Przetłumaczył: Łukasz Buczyński