Co łączy grawitację i ciemną materię?

Najnowsze badania sugerują, że ciemna materia, jeden z najbardziej tajemniczych składników wszechświata, oddziałuje z grawitacją nawet na ogromne odległości. Odkrycie to może dostarczyć nowych informacji na temat tego wciąż niepoznanego zjawiska.

Ciemna materia i grawitacja

.Isaac Newton sformułował swoją teorię grawitacji jako oddziaływanie na odległość: planeta natychmiast odczuwa wpływ innego ciała niebieskiego, bez względu na odległość między nimi. Ta cecha zmotywowała Alberta Einsteina do opracowania ogólnej teorii względności, w której grawitacja staje się lokalna deformacją czasoprzestrzeni. Zasada lokalności mówi, że obiekt jest pod bezpośrednim wpływem tylko otaczającego go środowiska: Odległe obiekty nie mogą wpływać na siebie natychmiastowo, liczy się tylko to, co jest tu i teraz.

W ubiegłym wieku, wraz z narodzinami i rozwojem mechaniki kwantowej, fizycy odkryli, że zjawiska nielokalne nie tylko istnieją, ale mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia natury rzeczywistości. Nowe badanie przeprowadzone przez SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) opublikowane niedawno w The Astrophysical Journal, sugeruje, że ciemna materia, jeden z najbardziej tajemniczych składników wszechświata, oddziałuje z grawitacją w sposób nielokalny. Według autorów, Francesco Benettiego, Giovanniego Gandolfiego oraz Andrei Lapiego, odkrycie to może zapewnić nowe spojrzenie na wciąż niejasną naturę ciemnej materii – podaje phys.org.

Ciemna materia jest fundamentalnym składnikiem natury – jest odpowiedzialna za tworzenie struktur, które obserwujemy obecnie we wszechświecie i otacza klasyczną materię we wszystkich galaktykach, przyczyniając się do ruchu gwiazd widzianego na niebie. Jednak natura ciemnej materii, zwłaszcza jej interakcja z grawitacją w mniejszych galaktykach, pozostaje tajemnicą.

„W ostatnich dziesięcioleciach społeczność naukowa dołożyła wszelkich starań, aby zrozumieć te enigmatyczne zjawiska, ale wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Aby zbadać naturę ciemnej materii i jej interakcji z grawitacją, konieczne może być nowe podejście” – wyjaśniają autorzy badania.

Badanie proponuje nowy model interakcji na odległość między ciemną materią galaktyki a grawitacją. „To tak, jakby cała materia we wszechświecie mówiła ciemnej materii w galaktyce, jak ma się poruszać” – stwierdzają autorzy.

Pochodna ułamkowa

.Do modelowania tej nielokalności wykorzystano pochodną ułamkową, narzędzie matematyczne opracowane po raz pierwszy w XVII wieku, które ostatnio znalazło zastosowanie w różnych dziedzinach fizyki. Pochodna ta nigdy wcześniej nie był testowany w astrofizyce.

„Zastanawialiśmy się, czy pochodna ułamkowa może być kluczem do zrozumienia tajemniczej natury ciemnej materii i jej interakcji z grawitacją, i co zaskakujące, wyniki eksperymentów na tysiącach galaktyk różnych typów wykazały, że nowy model dokładniej opisuje ruch gwiazd w porównaniu ze standardową teorią grawitacji” – wyjaśniają autorzy.

Ta nielokalność wydaje się wyłaniać jako kolektywne zachowanie cząstek ciemnej materii w ograniczonym systemie, co okazuje się szczególnie istotne w małych galaktykach. Dokładne zrozumienie tego zjawiska może przybliżyć nas do tego, czym tak naprawdę jest ciemna materia.

„Jednak wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. W jaki sposób dokładnie pojawia się nielokalność? Jakie są jej implikacje w większych strukturach, takich jak gromady galaktyk lub w zjawisku soczewkowania grawitacyjnego, które pozwala nam obserwować odległe obiekty w kosmosie?” – podkreślają autorzy.

Co więcej, konieczne będzie ponowne rozważenie standardowego modelu kosmologii z uwzględnieniem tego nowego mechanizmu. Autorzy podsumowują: „Dalsze badania zostaną przeprowadzone w celu zbadania wszystkich implikacji i nie tylko. Nie bylibyśmy zaskoczeni, gdyby okazało się, że inne nierozwiązane dotąd pytania dotyczące wszechświata, mogą zostać rozwiązane przez nowo zaproponowaną nielokalność”.

Postępy w zrozumieniu natury ciemnej materii stanowią znaczący krok w kierunku lepszego poznania wszechświata. Trwające badania wciąż dostarczają nowych perspektyw i przybliżają nas do kompleksowego zrozumienia zjawisk, które nas otaczają.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

Zastępca dyrektora ds. rozwoju technologii i profesor w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Piotr ORLEAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Udało się ustawić wszystkie 18 luster Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Stanowią one razem zwierciadło o rozpiętości 6,5 metra. Każde z luster musi być oddzielnie wyjustowane, by móc dobrze zobrazować dane, które pozyskuje. W lipcu 2022 roku zobaczyliśmy pierwsze zachwycające zdjęcia różnego rodzaju obiektów kosmicznych. NASA opublikowało specjalną animację, na której można porównać zdjęcia tych samych obiektów pozyskane za pomocą teleskopu Hubble’a i Webba. Dopiero gdy się porównuje zdjęcia, widać, jaka jest różnica między tymi teleskopami”.

„Teleskopy Hubble’a i Webba różnią się dwoma rzeczami. Nowszy z nich jest większy, w związku z tym jest w stanie obserwować mniejsze obiekty, głównie te, które znajdują się dalej od nas. Widziane przez nas w ten sposób kosmiczne zdarzenia zachodziły w przeszłości – światło potrzebowało milionów lat, by do nas dotrzeć i byśmy mogli te zdarzenia teraz zaobserwować. Można powiedzieć, że widzimy to, co działo się np. 13,5 miliarda lat temu. W przypadku teleskopu Hubble’a było to 12 miliardów lat. Ale nawet obiekty wcześniej zaobserwowane przez teleskop Hubble’a widzimy dziś dzięki teleskopowi Webba znacznie bardziej szczegółowo. Tym, co różni te teleskopy, jest również to, że instrumenty teleskopu Hubble’a pracują w zakresie widzialnym, natomiast Webba w podczerwieni. To jest zupełnie inne spektrum fali elektromagnetycznej. Również dzięki temu można więcej zobaczyć. Jednak tym, co znacznie różni te twa teleskopy, jest ich wielkość – starszy ma dwa metry średnicy, nowszy ponad sześć” – pisze prof. Piotr ORLEAŃSKI w tekście „Kosmos coraz bliżej, także z Polakami“.

Oprac. Emil Gołoś