Grawitacja może istnieć bez masy, co sprawiłoby, że ciemna materia nie byłaby już potrzebna

Naukowiec z University of Alabama in Huntsville (UAH), sugeruje, że grawitacja może oddziaływać bez masy. W zaproponowanym modelu, ciemna materia byłaby niepotrzebna.

Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która może tłumaczyć efekty grawitacyjne, których badacze nie mogą wyjaśnić za pomocą ogólnej teorii względności, chyba że we Wszechświecie znajduje się materia, której nie można zaobserwować. Pozostaje ona praktycznie tak samo tajemnicza, jak prawie sto lat temu, kiedy po raz pierwszy zasugerował ją holenderski astronom Jan Oort w 1932 roku, aby wyjaśnić tak zwaną „brakującą masę” niezbędną do „zlepiania” się galaktyk.

Dr Richard Lieu z University of Alabama in Huntsville (UAH) w badaniach opublikowanych w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, przedstawił po raz pierwszy, w jaki sposób grawitacja może istnieć bez masy, zapewniając alternatywną teorię, która może potencjalnie wpłynąć na potrzebę istnienia ciemnej materii.

„Moja własna inspiracja wzięła się z poszukiwania innego rozwiązania równań pola grawitacyjnego ogólnej teorii względności – których uproszczona wersja, mająca zastosowanie do warunków galaktyk i gromad galaktyk, znana jest jako równanie Poissona – które daje skończoną siłę grawitacji przy braku jakiejkolwiek wykrywalnej masy. Ta inicjatywa jest z kolei napędzana moją frustracją status quo, a mianowicie koncepcją istnienia ciemnej materii pomimo braku jakichkolwiek bezpośrednich dowodów przez całe stulecie” – mówi Lieu.

Badacz twierdzi, że „nadmiar” grawitacji niezbędny do związania galaktyki lub gromady może być spowodowany koncentrycznymi zestawami podobnych do powłoki defektów topologicznych w strukturach powszechnie występujących w kosmosie, które najprawdopodobniej powstały we wczesnym Wszechświecie, kiedy nastąpiło przejście fazowe (proces fizyczny, w którym ogólny stan materii zmienił się w całym Wszechświecie).

„Obecnie nie jest jasne, jaka dokładnie forma przejścia fazowego we Wszechświecie mogła spowodować powstanie tego rodzaju defektów topologicznych. Są to bardzo zwarte obszary przestrzeni o bardzo dużej gęstości materii, zwykle w postaci liniowych struktur znanych jako kosmiczne struny, chociaż możliwe są również struktury 2D, takie jak sferyczne powłoki. Powłoki w mojej pracy składają się z cienkiej wewnętrznej warstwy o dodatniej masie i cienkiej zewnętrznej warstwy o ujemnej masie. Całkowita masa obu warstw – która jest wszystkim, co można zmierzyć, pod względem masy – wynosi dokładnie zero, ale kiedy gwiazda leży na tej powłoce, doświadcza dużej siły grawitacyjnej przyciągającej ją do środka powłoki” – twierdzi Lieu.

Jak tłumaczy naukowiec, ponieważ siła grawitacji wiąże się z wypaczaniem samej czasoprzestrzeni, umożliwia ona wszystkim obiektom oddziaływanie ze sobą, niezależnie od tego, czy mają masę, czy nie. Podkreśla, że potwierdzono na przykład, że bezmasowe fotony doświadczają efektów grawitacyjnych ze strony obiektów astronomicznych.

„Grawitacyjne zakrzywianie światła przez zestaw koncentrycznych pojedynczych powłok składających się na galaktykę lub gromadę wynika z tego, że promień światła jest lekko odchylany do wewnątrz – to znaczy w kierunku środka wielkoskalowej struktury lub zestawu powłok, gdy przechodzi przez jedną powłokę. Efektem przejścia przez wiele powłok jest skończone i mierzalne całkowite odchylenie, które naśladuje obecność dużej ilości ciemnej materii w podobny sposób, jak prędkość orbit gwiezdnych” – zauważa Lieu.

„Zarówno ugięcie światła, jak i prędkości orbitalne gwiazd są jedynymi środkami, za pomocą których można zmierzyć siłę pola grawitacyjnego w wielkoskalowej strukturze, czy to galaktyce, czy gromadzie galaktyk. Gdyby teoretyczne powłoki nie miałyby masy, nie ma potrzeby utrwalania tego pozornie niekończącego się poszukiwania ciemnej materii” – dodaje.

Astronom podkreśla, że przyszłe badania powinny koncentrować się na tym, w jaki sposób galaktyka lub gromada powstaje w wyniku wyrównania tych powłok, a także na tym, jak przebiega ewolucja tych struktur.

„Kwestią sporną jest to, czy powłoki były początkowo płaszczyznami, czy nawet prostymi ciągami, ale moment pędu je zwijał. Istnieje również pytanie, jak potwierdzić lub obalić proponowane powłoki za pomocą dedykowanych obserwacji. Oczywiście dostępność drugiego rozwiązania, nawet jeśli jest bardzo sugestywna, sama w sobie nie wystarcza do zdyskredytowania hipotezy ciemnej materii – może to być co najwyżej interesujące ćwiczenie matematyczne. Jest to jednak pierwszy dowód na to, że grawitacja może istnieć bez masy” – podsumowuje Lieu.

Emil Gołoś