Tijekom 19. stoljeća, znanstvenici tadašnjeg doba su vjerovali da u Svemiru mora postojati neka nevidljiva tvar koja ispunjava “prazan prostor”, jer nisu razumjeli kako je vakuumom moguće prenositi elektromagnetske valove, tj. primjerice svjetlo i toplinu sa Sunca na Zemlju. Tu hipotetsku tvar su nazvali eter (engl. ether, aether). Tako su eteru pripisivali svojstva koja ima npr. zrak – prenosi zvučne valove, ili more – prenosi valove na vodi. Eter je trebao preuzeti ulogu prenošenja elektromagnetskih valova kroz Svemir. Pokušavajući dokučiti što je to, dokazati njegovo postojanje, rađeni su ekperimenti no bezuspješno. Michelson and Morley, 1887. godine eksperimentalno prvi put odbacuju ideju da se Zemlja kreće kroz eter. Konačan čavao u lijes etera zabija – tko drugi nego – Albert Einstein, postavivši temelje razumijevanja propagacije elektromagnetskih valova kroz prostor. Na osnovi teorije relativnosti i drugih postulata moderne fizike, danas je općeprihvaćena ideja da se u Svemiru nalazi vakuum, tj. da se elektromagnetski valovi mogu širiti kroz prostor bez potrebe za prijenosnim medijem.
No, ponavlja li se povijest?
Početkom 20. stoljeća, upravo tad kad je ideja etera nestala u bespućima Svemira (pun intended), javlja se nova ali vrlo slična ideja. Problem je nastao onda kad su astronomi primijetili da se u spiralnim galaksijama zvijezde gibaju oko njihovih središta mnogo brže nego je očekivano temeljem proračunatih gravitacijskih sila unutar galaksije. Naime, aktualno prihvaćeni zakoni gravitacije (Einstein, opet) nalažu da bi se zvijezde trebale gibati oko središta galaksije sve sporije što su udaljenije od njega. Tako bi se zvijezde na rubu spiralnih galaksija trebale gibati puno sporije od onih centru bližih zvijezda. No pokazuje se da se nakon nekog radijusa, to proračunato usporenje više ne može primijetiti, pa se vanjske zvijezde gibaju oko središta gotovo jednakom brzinom kao i one nešto bliže središtu.
Razvijajući ta opažanja dalje, kad se sumiraju sve poznate mase galaksija, zvijezda, crnih rupa, planeta, međuplanetarne tvari itd. dobija se bitno drugačiji rezultat u usporedbi s onim što matematika predviđa. Matematički se temeljem gibanja zvijezda oko centra galaksija predviđa da je ukupna masa tvari u Svemiru oko 6 puta veća nego ono što možemo vidjeti i instrumentalno detektirati, tj. dokazati postojanje i to je velik problem za aktualno razumijevanje dinamike Svemira. Potencijalno rješenje za ovu veliku zagonetku prvi je skovao švicarski astronom Fritz Zwicky, 1933. godine, pretpostavivši da u Svemiru osim onog što možemo detektirati postoji i mnogo nečega što ne možemo. Tu preostalu ogromnu masu nazvao je tamnom tvari (engl. dark matter). Zvuči li ovo kao maločas već pročitano?
No, za razliku od etera, koncept tamne tvari zadržao se evo pa već skoro 100 godina. Tijekom tog razdoblja velik broj znanstvenika uporno je pokušavao pronaći dokaze njezina postojanja i što je najvažnije objasniti od čega se ona sastoji i zašto nije vidljiva ili instrumentalno detektabilna. Do dana današnjeg bez ikakvog uspjeha; svi pokušaji njezina objašnjenja su završili neuspjehom. Da bi tamna tvar mogla biti u skladu s teorijom i opažanjima, ona mora imati takva svojstva da nema nikakvu interakciju s elektromagnetskim silama, ne emitira i ne apsorbira svjetlost i može se detektirati samo svojom promjenom gravitacijskih sila. Teorija tamne tvari poznata i kao λCDM model (engl. Lambda Cold Dark Matter model) danas je u astronomiji najprihvaćenija teorija koja objašnjava uočena gibanja, odnosno gravitacijske sile u Svemiru, a što nije moguće objasniti drugačije, uvrštavajući u proračun isključivo poznatu masu materije u Svemiru. Ili, možda jest?
1984. godine, Jacob Bekenstein i Mordehai Milgrom prvi daju alternativnu ideju u nastojanju objašnjenja uočenih gibanja zvijezda oko galaksija. Njegova ideja se temelji na maloj modifikaciji Newtonovih zakona gibanja onda kad je akceleracija objekata vrlo vrlo mala (kao što je slučaj s vanjskim zvijezdama na rubovima galaksija). Pritom se uvodi nova fundamentalna konstanta, a0 ≈ 1,2 x 10-10 m/s2 koja predstavlja granicu gravitacijskog ubrzanja iznad kojeg se objekti gibaju prema klasičnim Newtonovim zakonitostima, a ispod koje je te zakonitosti potrebno ponešto izmijeniti. Naime, kad je g < a0, efektivna gravitacijska sila ne opada tako brzo kako klasični Newtonovi zakoni gravitacije predviđaju, već mnogo sporije.
MOND se je dosad pokazala kao vrlo uspješna u predviđaju dinamike mnogih objekata u Svemiru, uključujući spiralne i eliptične galaksije, klastere galaksija i druga gibanja gdje je gravitacijska sila izuzetno mala – bez potrebe za “popunjavanjem” prostora sa tamnom tvari. S druge strane, postoje i problemi za teoriju MOND zbog kojih su mnogi znanstvenici i danas vrlo skeptični u prihvaćanju iste. Npr. MOND nije u stanju objasniti svojstva kozmičkog pozadinskog zračenja i globalnu strukturu Svemira, što λCDM model objašnjava besprijekorno. Velik problem za MOND je i taj što nije jasno kako ju uklopiti u relativistički okvir.
Od 2013. godine, misija europske svemirske agencije GAIA omogućuje mnogo detaljniji uvid u položaje i svojstva 1.8 milijardi zvijezda u našoj galaksiji. Nakon nekoliko znanstvenih radova koji nisu dali jasno ni “za” ni “protiv” MOND teorije na temelju podataka GAIA misije, Chae (2023) objavljuje rad u kojem tvrdi da je rezultat sa statističkom značajnošću od 10σ u korist MOND teorije u usporedbi s klasičnom Newtonovom, točnije varijacije MOND poznate kao AQUAL.
Unatoč privlačnim rezultatima mnogih eksperimenata kojima se nastoje potvrditi ili opovrgnuti postulati MOND teorije, ona je još uvijek na vrlo klimavim temeljima zato jer se teško uklapa u druge okvire prihvaćene znanosti (posebice relativističku teoriju). Vrijeme će pokazati hoće li tamna tvar također nestati u bespućima Svemira poput etera ili će alternativne teorije poput MOND pokazati da nisu u stanju riješiti probleme s kojima se trenutačno susreću a tamna tvar konačno bude pronađena i objašnjena. Ako pitate autora ovog teksta za svoj stav – niti je tamna tvar, niti je MOND. Nobelovu nagradu oko objašnjenja ovog fenomena dinamike pri slaboj gravitaciji, dobit će netko sa sasvim drugačijom teorijom. Vjerojatnije sličnijom MOND-u nego tamnoj tvari.
Reference
Bekenstein & Milgrom (1984). Does the missing mass problem signal the breakdown of Newtonian gravity? Astrophysical Journal, vol. 286, p. 7-14. https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1984ApJ…286….7B
Chae (2023). Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars. The Astrophysical Journal, Volume 952, Number 2. https://arxiv.org/pdf/2305.04613.pdf
