Új gravitációs elmélet sötét anyag nélkül

Az elmélet magyarázatot adhat több furcsa csillagászati megfigyelésre, többek közt a Naprendszer peremén igen különösen viselkedő Pioneer űrszonda rejtélyére is.

Egy kvantumhatásokat is magába foglaló, módosított gravitációs elmélet magyarázatot adhat több furcsa csillagászati megfigyelésre, többek közt a Naprendszer peremén igen különösen viselkedő Pioneer űrszonda rejtélyére is úgy, hogy nincs szüksége a szintén megmagyarázhatatlannak tűnő sötét anyagra, vagy egy másik alternatív gravitációs elméletre, a Módosított Newtoni Dinamikára (MOND).

A csillagászok az 1970-es években felismerték, hogy a látható anyag gravitációja önmagában nem elég a gyorsan mozgó csillagok és a spirális galaxisok gázainak összetartásához. A galaxisokban keringő csillagokat meglepő módon nem izgatja különösebben az a törvény, hogy minél távolabb vannak a középponttól, annál lassabban kellene befutniuk a pályájukat, mint ahogy a bolygók is teszik. A szükséges vonzási többletet egy rejtélyes anyagnak, a sötét anyagnak tulajdonították, ami az elméletek szerint mennyiségében messze meghaladja a hagyományos anyagot az univerzumban.


A kutatók azonban még most sem tudják, mi is valójában a sötét anyag, ezért egyesek új gravitációs elméletekkel álltak elő a megfigyelések magyarázata érdekében. A MOND szerint például kétféle formája van a gravitációnak. Egy bizonyos gyorsulás (a0) felett az objektumok a gravitáció hagyományos formája szerint mozognak. Ez alatt azonban az objektumokat a gravitáció egy másik típusa irányítja, ahol nem a Newton által leírt fordított négyzetes szabály érvényesül, ehelyett két test távolodása esetén lassabb a gyengülés, a távolsággal lineárisan csökken. Kritizálói szerint azonban a MOND nem képes megmagyarázni a galaxis klaszterek megfigyelt tömegeit a sötét anyag, konkrétan a szinte tömegtelen neutrinók bevonása nélkül.

Most a Perimeter Elméleti Fizikai Intézet munkatársa, John Moffat és a kanadai Waterloo Egyetem kutatója, Joel Brownstein azt állítják, egy másik módosított gravitációs elmélet igazolhatja mind a galaxisok, mind a galaxis klaszterek megfigyeléseit. A skalár-tenzor-vektor gravitáció (STVG) névre keresztelt elmélet kvantumhatásokkal tűzdeli meg Einstein általános relativitás elméletét, kimondva, hogy a kvantumingadozások befolyásolhatják a kölcsönhatásban lévő objektumok közötti erőt.

Ebben az esetben egy hipotetikus részecske, a gravitációs kölcsönhatást közvetítő graviton nagy tömegben jelenik meg az űr vákuumának nagytömegű objektumoktól hemzsegő területein. A galaxisok középpontjainál így a gravitáció erősebb lehet, míg egy bizonyos távolságnál a csillagok ritkábbá válnak, így a gravitonoknak sincs olyan nagy befolyásuk, a gravitáció pedig visszatér a Newton által leírt viselkedési sémájához, magyarázta Brownstein. Kollégájával több módon is tesztelte az elméletet. Becslésük szerint az általuk leírt gravitációs változás egy nagy galaxis középpontjától 46 000 fényévre következik be, míg egy kis galaxis esetében ez a távolság feleződik.

Ezeket a becsléseket 101 megfigyelt galaxisra vetítették le és rájöttek, hogy mind saját elméletük, mind a MOND megmagyarázza forgásukat, a lényeg pedig az, hogy egyik elmélet sem számol a sok vitát kiváltott sötét anyaggal. A két elmélet azonban eltérést mutatott, amikor 106 galaxis klaszter megfigyeléssel állították szembe azokat. A MOND itt már nem volt képes reprodukálni az észlelt klaszter tömegeket, az STVG azonban több mint a felét megmagyarázta.

A kutatók letesztelték elméletüket a NASA 34 éves Pioneer 10 szondájának különös viselkedésén is, ami látszólag 400 000 kilométerre van attól a ponttól, ahol lennie kellene a Naprendszer peremén. Brownstein szerint az elmélet beleillik a Pioneer-anomália megfigyeléseibe, míg a MOND ezúttal sem bizonyult alkalmazhatónak, mivel a Pioneer gyorsulása a0 alatt van.

A kozmológusok szerint mindez szép és jó, azonban ahhoz, hogy igazoljanak egy új gravitációs elméletet, magyarázatot kell adni az univerzum hatalmas méretű szerkezeteinek kialakulására is, és legfőként az ősrobbanás után maradt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra. Ez a nagy kezdet után körülbelül 370 000 évvel keletkezett, amikor az első atomok kialakultak. Bár a sötét anyag modell nem tökéletes, nagyon jól alátámasztja a mikrohullámú háttérsugárzást és összeegyeztethető a galaxisokkal és azok halmazaival, valamint a nagy méretű szerkezetekkel és a gravitációs lencsével, nyilatkozott Sean Caroll, a Chicagói Egyetem szakértője. Brownstein és csapata jelenleg a háttérsugárzási tanulmányokon teszteli elméleteit.