Youngsub Yoon, bo tak nazywa się rzeczony uczony, zastosował teorię grawitacji emergentnej Erika Verlindego, aby wyznaczyć przewidywaną centralną gęstość powierzchniową ciemnej materii w galaktykach. Otrzymany wynik wynosi około 170 mas Słońca na parsek kwadratowy i mieści się w zakresie wartości wskazywanych przez obserwacje.
Czytaj też: Grawitacja Einsteina w kwantowym świecie. Przełomowa obserwacja uczonych
Problem ciemnej materii jest jednym z najważniejszych zagadnień współczesnej astronomii. Już od lat 70. XX wieku astronomowie obserwują, iż gwiazdy znajdujące się w zewnętrznych częściach galaktyk poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z obliczeń opartych wyłącznie na widocznej materii i klasycznej teorii grawitacji Newtona. W standardowym modelu kosmologicznym wyjaśnieniem jest obecność ciemnej materii, której nie możemy bezpośrednio zobaczyć, ale której grawitacja wpływa na ruch gwiazd i innych obiektów.
Nie wszyscy badacze zakładają jednak, że rozwiązaniem musi być dodatkowa, niewidoczna forma materii. Od dziesięcioleci pojawiają się teorie, w których problem można wyjaśnić poprzez modyfikację samego opisu grawitacji. W 1983 roku Mordehai Milgrom zaproponował teorię MOND, zakładającą modyfikację praw Newtona w warunkach bardzo słabego przyspieszenia. Z kolei w 2016 roku Erik Verlinde przedstawił koncepcję grawitacji emergentnej, która ma opisywać niektóre zjawiska przypisywane ciemnej materii bez konieczności zakładania jej istnienia.
Jednym z interesujących aspektów jest centralna gęstość powierzchniowa ciemnej materii. Parametr ten można opisać jako iloczyn centralnej gęstości ciemnej materii i charakterystycznego rozmiaru centralnego obszaru galaktyki. Pomiary sugerują, że jego wartość pozostaje zaskakująco podobna w galaktykach o bardzo różnej jasności. Mimo że ich jasności mogą różnić się nawet 400 tysięcy razy, obserwowany zakres centralnej gęstości powierzchniowej wynosi około 90-220 mas Słońca na parsek kwadratowy.
W najnowszej pracy, opublikowanej w Physics of the Dark Universe, Youngsub Yoon sprawdził, czy podobną wartość można uzyskać w ramach teorii Verlindego. Jego obliczenia doprowadziły do wyniku około 170 mas Słońca na parsek kwadratowy, czyli wartości znajdującej się we wspomnianym zakresie obserwacyjnym. Istotną rolę w badaniu odgrywa relacja zaproponowana przez Yoona w 2024 roku. Badacz zwrócił wówczas uwagę na techniczny problem związany z teorią grawitacji emergentnej. W przeciwieństwie do klasycznej grawitacji Newtona, teoria Verlindego nie pozwala w prosty sposób stosować zasady superpozycji do sumowania efektów grawitacyjnych pochodzących od wielu mas.
Czytaj też: Kosmiczne skały przenoszą tysiące składników życia. Naukowcy właśnie je wykryli
Yoon zaproponował więc relację mającą rozwiązać ten problem. W obecnym badaniu wykorzystał ją do obliczenia wartości centralnej gęstości powierzchniowej, którą można byłoby przypisać ciemnej materii. Autor podkreśla, że zgodność przewidywania z obserwowaną wartością jest interesującym rezultatem, lecz nie oznacza jeszcze, iż ciemną materię można wykluczyć, ani że teoria Verlindego zastąpiła standardowy opis kosmologiczny. Wynik pozwala natomiast sądzić, że alternatywne modele grawitacji mogą odtwarzać kolejne prawidłowości obserwowane w galaktykach.
Źródło: Physics of the Dark Universe
