Also Available in:

Zvezde ne nastajajo naravno-potrebna je ‘temna materija’, tj. ‘bog vrzeli’

avtor: John G. Hartnett
prevod: Gorazd Novak (ustvarjen.si)

Če imate na razpolago samo standardno znano fiziko, potem je "temna materija" bistvena sestavina za naravni nastanek zvezd. "Temna materija" je hipotetična eksotična oblika materije, ki je laboratorijska fizika ne pozna in ki na noben način ne oddaja svetlobe, niti ni v interakciji s svetlobo, zato je nevidna za vse oblike zaznavanja znotraj elektromagnetnega spektra, tj. od radijskih valov do sevanja gama. Gre za izmišljeno reč, ki so ji predpisali posebno lastnost: za razliko od normalne materije je vir zgolj gravitacije.

Zaznavanje "temne materije"

dark-matter
Slika 1. Slika temne materije kot jo zaznajo napredne metode.

Toda ali so temno materijo odkrili s kakšno neposredno meritvijo? To je drugače kot sklepati na njen obstoj na podlagi anomalij, kot so galaktične rotacijske krivulje, kjer gibanja zvezd in plinov v rokavih spiralnih galaksij ne sledijo pričakovanemu Keplerjevemu zakonu skladno s standardno Newtonovo fiziko. Ne, ni bila odkrita, in to po 40 letih iskanja z laboratorijskimi eksperimenti. Vendar pa verjamejo, da obstaja – torej je neke vrste "bog vrzeli" – in je ključnega pomena, sicer se mnoga astrofizikalna opazovanja enostavno ne skladajo s tem, kar dobimo, če uporabimo standardne zakone fizike.

Teoretični fizik Mordehai Milgrom je predlagal alternativo temni materiji, imenovano modificirana Newtonska dinamika (ang. Modified Newtonian Dynamics, kratica MOND), s katero malenkost spremeni zakon gravitacije v zelo velikem merilu galaksij, da reši problem galaktičnih rotacijskih krivulj in dinamiko galaksij v velikih merilih. V članku iz leta 2014 v reviji New Scientist1 je poročevalec Marcus Chown vprašal Milgroma:

"Zakaj je zdaj primeren čas, da se alternativo temni materiji vzame resno?"

Odgovoril je:

"Množica eksperimentov, s katerimi iščejo temno materijo, vključno z velikim hadronskim trkalnikom, mnogimi podzemnimi eksperimenti in nekaj vesoljskimi misijami, ni pokazala ničesar prepričljivega. Poleg tega vse bolj spoznavajo, da ima vodilni model temne materije svoje slabosti. Med drugim napoveduje, da bi morali videti mnogo več pritlikavih galaksij, ki naj bi krožile okoli naše Mlečne ceste, pa jih v resnici ne vidimo toliko."

Na ta problem sem opozoril v prispevku "Why is Dark Matter everywhere in the cosmos?". V tem prispevku se bom osredotočil bolj na problem nastanka zvezd, ne nastanka galaksij, čeprav je oboje povezano. Brez zvezd ne bi bilo galaksij. Preden pa se lotim tega, premislite naslednje.

Računalniške simulacije vesolja v velikem merilu

BBC-jev naslov je razglašal: "Evolucija vesolja poustvarjena v laboratoriju".2 Ta zgodba je bila o mednarodni skupini raziskovalcev, ki so "naredili najbolj celovito vizualno simulacijo tega, kako je vesolje evolviralo." Uporabili so super-računalnik, da so naredili model domnevnega zgodnjega vesolja, s katerim so pokazali "kako so prve galaksije nastale okoli kep skrivnostne nevidne substance, imenovane temna materija." Slika 2 prikazuje rezultate njihove simulacije v primerjavi z resničnim vesoljem. Rezultati izgledajo zelo dobro, kajne? Morda so rešili problem nastanka vesolja?

universe
Slika 2. Resnično vesolje, fotografirano s Hubblovim teleskopom, je na levi strani. Na desni strani je rezultat simulacije. Vir slike: glej referenco 2.

Niso delali v merilu zvezd, pač pa v velikem merilu strukture vesolja in formiranja galaksij. Članek poroča (označeni moji poudarki):

"V začetku kaže pasove skrivnostnega materiala, ki ga kozmologi imenujejo 'temna materija', kako se raztezajo po praznini vesolja kot veje kozmičnega drevesa. Ko minejo milijoni let, se temna materija nakopiči in skoncentrira ter tvori semena prvih galaksij."

Morali so uporabiti temno materijo kot "semena", sicer se galaksije v njihovih simulacijah ne bi zgostile. Profesor Carlos Frenk (Durham University) je dejal (označeni moji poudarki):

"Lahko naredite zvezde in galaksije, ki so videti kot v resnici. Toda temna materija narekuje vso zadevo."

Brez tega neznanega "boga vrzeli" enostavno ne morete doseči, da bi simulacije proizvedle nekaj, kar bi izgledalo kot resnično vesolje. Zakoni znane fizike tega ne dopustijo. Dr. Vogelsberger iz Massachusetts Institute of Technology (MIT) je dejal (označeni moji poudarki):

"Če ne vključite temne materije (v simulaciji), ne bo videti kot resnično vesolje."

Nazadnje še kozmolog dr. Robin Catchpole (Institute of Astronomy in Cambridge) dodaja, kar je poročevalec imenoval opozorilna opomba (označeni moji poudarki):

"Čeprav je simulacijo pohvalil kot "spektakularno", je dodal: "ne sme nas prevzeti gola vizualna lepota te reči. Lahko dobite reči, ki so videti kot galaksije, ne da bi te reči imele kaj dosti opravka s fiziko tega, kako so se galaksije pojavile."

Bistvena sestavina formiranja zvezd

Kot je poudaril prof. Carlos Frenk v navedenem članku (ref. 2), je temna materija bistvena za tvorjenje zvezd, in pri tem misli nastanek po naravni poti, to je zgolj z znanimi zakoni fizike.

Vidno vesolje ima okoli 1011 galaksij, ki v povprečju vsebujejo po okoli 1011 zvezd, kar skupno pomeni 1022 zvezd. Torej je njihov nastanek temeljnega pomena za vesolje. Brez zvezd ne bi bilo vesolja. Vendar pa je s sekularnega vidika teoretično razumevanje nastanka zvezd precej nezadostno; teoretiki še naprej upajo in nadaljujejo raziskave z računalniškimi simulacijami, ko skušajo rekonstruirati preteklo zgodovino zgodnjega vesolja in nastanek zvezd.

Glavna težava je modeliranje fizikalnega procesa formiranja, ki vključuje gravitacijo, zelo turbulentno dinamiko plinov, magnetna polja, sevanje ter molekularno kemijo in kemijo prahu. Formiranje zvezd vključuje tudi ogromen razpon dolžinskih in časovnih meril, ob predpostavki zgolj naturalističnih procesov, zaradi česar so simulacije težavne celo s super-računalniki.

bigbang-star-formation
Slika 3. Zgodba nastanka zvezde (Vir: Spitzer Science Center. Glej referenco 3.).

Dandanes se temno materijo dodaja kot nujno sestavino vsem simulacijam nastanka zvezd, kajti ko poljubni hipotetični oblak vodikovega plina kondenzira do določene velikosti, pride v hidrodinamično ravnovesje. To pomeni, da je navzven delujoča sila na oblak, povzročena z akumuliranim tlakom zaradi segrevanja stisnjenega oblaka, enaka navznoter delujoči sili, povzročeni s skupnim gravitacijskim privlakom vse materije v oblaku. Na tej točki se ne more zgoditi nobeno nadaljnje skrčenje, če se ne vpelje nečesa, kar premosti to omejitev.

Lahko slišite izraz "virializiran" (ang. "virialized") sistem. V tem stanju je vzpostavljeno ravnovesje med kinetično energijo in gravitacijsko potencialno energijo oblaka. Ko se to doseže, ne more priti do nobene nadaljnje spremembe, razen če energija odseva stran od oblaka in se slednji ohladi, kar lahko traja neskončno dolgo, in pri tem mora biti gostota materije pod določeno vrednostjo, da je ohlajanje možno. Temu se izognejo tako, da je na začetku veliko več temne materije kot normalne materije, saj to takoj premosti uravnoteženo stanje. To je utemeljeno z izjavo, da so spiralne galaksije v 85 % sestavljene iz temne materije.

Kakršenkoli prvobitni oblak plina – sestavljen večinoma iz vodika – je po predpostavki proizvod nastanka vesolja z domnevnim vročim velikim pokom, pri katerem so z nuklearno fuzijo domnevno nastali le vodik, helij in malo litija (ref. 3). Po tej zgodbi se je temperatura ognjene krogle velikega poka po treh do dvajsetih minutah ohladila do te mere, da se fuzija ni mogla več odvijati.

Najprej sta bila vodik in helij v obliki vroče plazme, po približno 380.000 letih pa se je plazma dovolj ohladila, da so se elektroni re-kombinirali s protoni in drugimi jedri ter tvorili predvsem vodikov in helijev plin. Domneva se, da so se iz tega plina po približno milijardi let, več ali manj (model je fleksibilen), formirale prve zvezde.4 Toda, in to je velik TODA, ni znanega zakona narave (tj. ni znane fizike), ki je dopustil, da so se prve zvezde formirale iz domnevnih prvobitnih oblakov plina.

Slika 3 kaže, kakšen naj bi bil proces nastanka zvezde. Toda ne spreglejte, da se na sliki 3(a) simulacija začenja z gostim jedrom, tako da se na sliki 3(b) lahko izvede gravitacijski kolaps. "Nekaj" je treba dodati na začetku, sicer se nič ne more zgoditi.

Jeansova meja

Brez tega "nekaj" je treba prekršiti temeljno fiziko, ali pa je Jeansovo mejo5 treba premostiti bodisi s stiskanjem ali z ohlajanjem oblaka. Ko je ta meja presežena, lahko vajeti prevzame gravitacija [Slika 3(b)] in dodatno stisne oblak, da nastane proto-zvezda [Slika 3(c)]. Toda brez mehanizma za premostitev te naravne omejitve bi se oblak po naravni poti segrel in to bi preprečilo nadaljnje stiskanje, rezultat pa bi bil ravnovesje.

V računalniških simulacijah nastanka zvezd se računalniški program običajno začne s presežkom gostote (ang. over-density), tako da je Jeansova masa že dosežena, to pa pomeni, da omejitev ni problem, ker se simulacija začne onkraj te točke [kot kažeta slika 3(a) in (b)]. Jeansova masa je –1/2 T3/2, kjer je K konstanta, ρ je gostota oblaka, T pa je absolutna temperatura.

Vesolje brez zvezd, torej vesolje, ki vsebuje le vodik, nekaj helijevega plina in znane zakone fizike, ni vesolje, v kakršnem živimo. Naturalistično obstajajo samo tri možne smeri raziskav, kako rešiti ta problem, to je, kako formirati zvezde po naravni poti:

  1. Ohladite oblak, da se lahko še naprej krči, kar poveča njegovo gostoto ρ. Ob danem zadostnem času, da se ohlajanje zgodi, se upa, da bo Jeansova meja presežena.
  2. Stisnite oblak, da presežete Jeansovo mejo, v ta namen uporabite magnetna polja kot tokamak6, da omejite vročo plazmo, ali pa kakšno zunanjo silo, npr. supernovo, da stisnete oblak preko Jeansove meje.
  3. Vpeljite neko novo eksotično materijo, na katero normalne termodinamične omejitve nimajo vpliva, ker ni v interakciji z normalno materijo, zaradi česar daje dodatno gravitacijsko silo na oblak, ne da bi prispevala k njegovemu segrevanju. Torej je uporabljena za premostitev problema doseženega ravnovesnega stanja, ki sicer preprečuje, da bi se oblak še naprej krčil in postal zvezda.

Predlagajo, da zvezda, ki eksplodira v bližini (supernova), lahko stisne oblak plina, in hipotezira se o tem, da je naše sonce nastalo po supernovi rdeče velikanke v naši galaktični okolici. Z navzven potujočimi valovi eksplozije se generirajo udarni valovi. Slika 4 prikazuje vročo plazmo, potujočo navzven od vira eksplozije kot "kozmični biseri".

Supernova-SN1987A
Slika 4. Kozmični biseri supernove SN1987A. Vir: P. Challis, R. Kirshner (CfA) in B. Sugerman (STScI), NASA.

Toda ideja o udarnih valovih iz supernove, potrebnih za stiskanje oblaka plina, vpeljuje problem "kokoši in jajca" in zato ne more biti razlaga nastanka prvih zvezd, tj. zvezd populacije III, kmalu po domnevnem velikem poku.

Glavno upanje glede formiranja zvezd se tiče kanalov ohlajevanja preko infrardečega sevanja iz molekularnega vodika. Raziskujejo tudi magnetna polja v plazmi. Omenjeno ohlajevanje terja dolga časovna obdobja, toda simulacije se še vedno začenjajo z mešanico temne materije in vodika (normalna materija). Ni upanja, da bi zvezde lahko nastale brez pomoči domnevne temne materije, ne glede na to, koliko milijonov let je na razpolago. Fizika je še vedno problem.

Sledi članek iz Scientific American z naslovom "Prve zvezde v vesolju"7, ki opisuje proces (označeni moji poudarki):

"To ohlajanje igra ključno vlogo pri tem, da omogoči, da se običajna materija v prvobitnem sistemu loči od temne materije. Ohlajen vodik se ustali v ploščato rotirajočo konfiguracijo, ki je kepasta in vlaknasta in morda v obliki diska. A ker delci temne materije ne sevajo niti izgubljajo energijo, ostajajo razpršeni v prvobitnem oblaku. Tako sistem z nastajajočo zvezdo postane podoben miniaturni galaksiji z diskom običajne materije in halojem temne materije. V notranjosti diska se najgostejše kepe plina še naprej krčijo in sčasoma nekatere doživijo kolaps ter postanejo zvezde."

Sledi napis, ki je bil zapisan ob zaporedju slik, ki so ponazarjale domnevni nastanek prvih zvezd in galaksij:

"PRVOBITNO VZNEMIRJENJE Proces, ki je vodil v nastanek prvih zvezd, se je zelo razlikoval od današnjega nastanka zvezd. Toda burne smrti nekaterih izmed teh zvezd so tlakovale pot pojavu vesolja, ki ga vidimo danes."

To je prikazano na moji sliki 5 (skopirano), ki kaže proto-galaksijo, sestavljeno iz mešanice temne materije in običajne materije (vodikov plin).

first-forming-systems
Slika 5. Iz ref. 7, str. 8. Sistemi nastanka prvih zvezd – majhne proto-galaksije – so vsebovali predvsem elementarne delce, znane kot temna materija (prikazano z rdečo). Običajna materija – večinoma vodikov plin (modro) – je bila v začetku pomešana s temno materijo. (besedilo izvirnika)

Tu je temna materija "bog vrzeli", uporabljena za premostitev temeljne fizike, ki naravno preprečuje kolaps oblaka v zvezdo. Domneva se, da je bila večina prvih proto-galaksij8 sestavljena iz temne materije (neznanega tipa elementarnih delcev9). Temni materiji se daje potrebne lastnosti, da se doseže želeni rezultat. Ne emitira sevanja, kar pomeni, da se je ne more videti z normalnimi metodami elektromagnetne zaznave; ne izgublja energije, ker ni v interakciji z ostalimi delci normalne materije. Je "bog", ki gravitira, ustvarja močne gravitacijske sile, ki so dovolj močne, da presežejo odpor tlaka vročega plina v oblaku, zaradi česar se vodik normalne materije sesede v zvezdo. To je le lep primer pripovedovanja zgodbic.

Nadalje trdijo, da danes vidimo nastajanje zvezd, kjer zunanje sile, denimo udarni valovi bližnjih supernov, niso prisotne. Večina formiranja zvezd domnevno poteka v "gostotnih valovih" rokavov spiralnih galaksij, kar je gravitacijski učinek interakcije milijard zvezd, plina in prahu, ki krožijo v galaktičnem gravitacijskem potencialnem vodnjaku. Glejte sliko 6.

Razpakirajmo zadevo. Prvič, tudi če je res, da je obstoječa materija v spiralnih rokavih galaksij zagotovila potrebni gravitacijski potencialni vodnjak, ki povzroči, da se plinasti oblaki sesedejo v zvezde, to ne reši problema prvih zvezd. Drugič, tu uporabljeni argument "gostotnih valov" je teorija, ki podpira razvoj strukture spiralnih rokavov in ki ima enake probleme kot večina astrofizike – potrebo po temni materiji. Zaradi anomalij v rotacijskih krivuljah zvezd in plinov v diskastih regijah se domneva, da temna materija obstaja v haloju okoli galaksije, bila naj bi povsod, razen v jedru, kjer bi jo najbolj pričakovali. Toda tam ni potrebna. Ne pozabimo, da ni bila opažena, pač pa se zgolj sklepa o njenem obstoju, da bi se rešilo probleme glede gibanja zvezd.

Teorija "gostotnih valov" se uporablja tudi v podporo mnenju, kako je lahko videti, da ima deset milijard let stara galaksija v svoji zgradbi le enega ali dva obrata, ko pa bi z rotacijsko dobo 200 milijonov let morala imeti v svoji strukturi 50 obratov. Slednje je dejstvo opazovanj in to biblijski kreacionisti že dolgo uporabljajo kot dokaz v prid mladega vesolja.

Bodes-galaxy
Slika 6. Bodejeva galaksija kaže močno izžarevanje iz oblakov vodikovega plina (obarvano roza). Ti predeli spiralnih rokavov naj bi bili območja aktivnega formiranja zvezd.

Vse to je del pripovedovanja zgodbe. Ali v teh galaksijah dejansko vidimo plinaste oblake, ki se sesedajo v zvezde? Pravzaprav ne! Intenzivne emisije so za astronome znak aktivnih mladih novih zvezd in tako naj bi označevale področja nastajanja zvezd. Toda zelo svetle emisije iz vročega vodikovega plina vam ne povedo, kako so nastale zvezde. Vsak biblijski kreacionistični model mora razložiti prve zvezde, kakor tudi zvezde, ki nastajajo v galaksijah, toda ker poročilo Geneze pravi, da je Bog ustvaril zvezde na četrti dan stvarjenja, vemo, da je Bog prve zvezde naredil nadnaravno tega dne. In ker še vedno obstaja problem Jeansove meje, je malo verjetno, da je po četrtem dnevu stvarjenja nastalo veliko zvezd.

Zaključek

Da bi zvezde lahko nastajale naturalistično, je treba iznajti neznano reč – temno materijo – z ravno pravšnjimi lastnostmi, kar je v bistvu "bog vrzeli". Brez tega se nastanek zvezd enostavno ne more zgoditi!

A zakaj iznajti to neznano reč? Obstajajo različna področja astrofizike in kozmologije, kjer se za rešitev nekega problema zatekajo k temni materiji. A še bolj temeljno, zakaj iznajti "boga", da se preseže uveljavljene zakone fizike, da bi pojasnili nastanek zvezd? Je to zato, ker bodo sicer astronomi morali priznati, da materializem ne zadostuje in da je vesolje več kot zgolj vodik, helij, nekaj težjih elementov, magnetna polja, sevanje ter zakoni fizike?

Opombe in reference

  1. Chown, M., 2014. Forget dark matter – embrace my MOND theory instead, New Scientist 222(2967):26-27. Vrni se na besedilo.
  2. Ghosh, P., Universe evolution recreated in lab, bbc.com, 7 May 2014. Vrni se na besedilo.
  3. The physics of the universe, physicsoftheuniverse.com, 2 July 2015. Vrni se na besedilo.
  4. Tem se reče zvezde populacije III in se jih smatra za siromašne s kovinami (pri čemer kovina pomeni vsak element z atomskim številom, večjim od helijevega). Pomanjkanje zaznanih tovrstnih zvezd je že dolgo problem velikega poka. Napoved pravi, da so se prve zvezde populacije III formirale pri rdečih premikih okoli z = 10-30. Upajo, da bo Vesoljski teleskop James Webb, ki naj bi ga izstrelili leta 2018, sposoben zaznati nekaj prvih galaksij, dvomijo pa, da bo sposoben zaznati prve zvezde, tj. zvezde populacije III. V resnici je tako, da vse zvezde, ki so bile doslej opazovane, celo v Hubblovem "ultra-deep field", niso zvezde populacije III. Vrni se na besedilo.
  5. Jeans instability, wikipedia.org, 2 July 2015. Vrni se na besedilo.
  6. Tokamak, wikipedia.org, 1 July 2015. Vrni se na besedilo.
  7. Larson, R.B., Bromm, V., 2004. The First Stars in the Universe, Special Edition, "The Secret Life of Stars", Scientific American 14(4):7-9. Vrni se na besedilo.
  8. Ref. 7, str. 8. Vrni se na besedilo.
  9. Hartnett, J.G., Dark Matter and the Standard Model of particle physics—a search in the 'Dark', September 2014; creation.com/dark-search. Vrni se na besedilo.

Helpful Resources

Dismantling the Big Bang
by Alex Williams, John Hartnett
From
US $17.00
Stars and Their Purpose
by Werner Gitt
US $13.00
Soft cover
Taking Back Astronomy
by Jason Lisle
From
US $17.00