Kosmisk kamp: Dyk ned i kampen mellem mørkt stof og modificeret tyngdekraft – Physics World

Forestil dig, hvis du i ét hug med en lille justering af tyngdelovene kunne vifte behovet for alt det mørke stof i universet væk. Du ville slippe af med en irriterende partikel, der kun antages at eksistere og som hidtil har trodset opdagelsen. I stedet ville du erstatte det med en elegant teori, der modificerer Isaac Newtons og Albert Einsteins grundlæggende arbejde.

Det er i hvert fald drømmen om modificeret newtonsk dynamik, eller MOND. Udviklet af israelsk fysiker Mordehai Milgrom og mexicansk-født amerikansk-israelsk teoretiker Jacob Bekenstein i begyndelsen af ​​1980'erne var det deres modgift til det populære "mørk stof"-paradigme. For dem var mørkt stof en unødvendig og klodset bolt-on til kosmologi, der, hvis den er virkelig, betyder, at 80% af materien i kosmos er usynlig.

I de 40 år, der er gået siden det blev udtænkt, bliver MONDs præstationer fortsat overskygget af kosmologiens kærlighedsforhold til mørkt stof. MOND har også kæmpet for at forklare fænomener i skalaer større og mindre end individuelle galakser. Så er MOND alligevel noget, vi bør tage alvorligt?

Nysgerrige kurver

Vores historie starter i slutningen af ​​1960'erne, og ind i 1970'erne indså de amerikanske astronomer Vera Rubin og Kent Ford, at stjerner i udkanten af ​​galakser kredsede lige så hurtigt som stjerner tæt på midten, i tilsyneladende trods Johannes Keplers love om kredsløbsbevægelse. . De illustrerede dette i galaksernes rotationskurver, i det væsentlige blot en graf over kredsløbshastighed kontra radius fra centrum. I stedet for at vise en negativ hældning var graferne en flad linje. Et eller andet sted var der noget ekstra tyngdekraft, der trak de ydre stjerner rundt.

Mørkt stof – en uset form for stof, der er så rigeligt, at det ville være den dominerende tyngdekraft i universet – var den populære løsning. I dag er begrebet mørkt stof tæt sammenflettet i vores standardmodel for kosmologi og er iboende i vores forståelse af, hvordan strukturen i universet dannes.

Billedet af, at mørkt stof danner, er pænt, men ikke helt pænt nok for et lille samfund af fysikere og astronomer, der har undgået mørkt stof-kosmologi og adopteret MOND i stedet. Faktisk har de rigeligt med beviser for deres sag. I 2016 Stacy McGaugh fra Case Western Reserve University målte rotationskurverne for 153 galakser (Phys. Rev. Lett. 117 201101) og fandt, med en hidtil uset nøjagtighed, at deres rotationskurver er forklaret af MOND, uden at det er nødvendigt at ty til en glorie af mørkt stof omkring hver galakse. Dermed retfærdiggjorde han Milgroms forudsigelse.

"Jeg vil påstå, at MOND forklarer disse ting bedre end mørkt stof, og grunden til det er dets forudsigelseskraft," siger McGaugh - en tidligere mørkstofforsker, som nu er en MOND-fortaler, efter en åbenbaring, der så ham skifte side. Han henviser til, at hvis du kender den synlige masse (alle dens stjerner og gasser) af en galakse, så kan du ved at anvende MOND beregne, hvad rotationshastighederne vil være. I mørkt stof-paradigmet kan du ikke forudsige hastighederne baseret på tilstedeværelsen af ​​mørkt stof. I stedet skal du måle galaksens rotationskurve for at udlede, hvor meget mørkt stof der er til stede. McGaugh hævder, at det er cirkulært ræsonnement og ikke bevis for mørkt stof.

Sådan ændres tyngdekraften

Ændring af tyngdelovene kan være en uhygge for mange fysikere – sådan er Newtons og Einsteins magt – men det er ikke sådan en besynderlig ting at gøre. Vi lever trods alt i et mystisk univers, fyldt med videnskabelige gåder. Hvad er den mørke energi ansvarlig for accelerationen af ​​universets udvidelse? Hvorfor er der en spænding i forskellige målinger af universets ekspansionshastighed? Hvordan dannes galakser så hurtigt i det tidlige univers, som vidne til af Hubble , James Webb rumteleskoper? Forskere kigger i stigende grad på teorier om modificeret gravitation for at give svarene, men ikke alle modificerede gravitationsmodeller er lige.

Hvad enhver teori om modificeret tyngdekraft, inklusive MOND, skal gøre, er at forklare, hvorfor den forbliver skjult for os på hverdagsskalaer, kun sætter i gang under visse forhold

Tessa Baker, en kosmolog og modificeret tyngdekraftsguru ved University of Portsmouth i Storbritannien, har bygget sin karriere på at teste tyngdekraftens love og søge efter modifikationer, i hendes tilfælde for at forsøge at forklare mørk energi. "MOND, som er et eksempel på en modificeret gravitationsteori, er usædvanlig, fordi det er en teori, der forsøger at erstatte mørkt stof," forklarer Baker. "De fleste teorier om modificeret tyngdekraft gør det ikke."

Hvad enhver teori om modificeret tyngdekraft, inklusive MOND, skal gøre, er at forklare, hvorfor den forbliver skjult for os på hverdagsskalaer, kun sætter i gang under visse forhold. Fysikere kalder det punkt, hvor denne overgang sker, for "screening", og det hele er et skalaproblem.

"Den vanskelige del er, hvordan skjuler du modifikationen på skalaer, hvor vi ved, at den generelle relativitetsteori fungerer meget godt?" spørger Baker. Det oplagte sted at starte kan være at overveje, om tyngdekraften varierer på en afstandsskala, så i vores solsystem forsvinder tyngdekraften med den omvendte kvadratiske regel, men på skalaen for galaksehobe falder den med en anden hastighed. "Dette virker kategorisk ikke," siger McGaugh og tilføjer, at der er andre skalaer, der virker.

For eksempel en teori om modificeret tyngdekraft, som Baker arbejder med - kendt som f(R) tyngdekraft – generaliserer Einsteins generelle relativitetsteori. Under f(R), aktiverer tyngdekraften mørk-energi-effekten i områder af rummet, hvor tætheden af ​​stof bliver lav nok, såsom i kosmiske tomrum. For MOND er screeningsmekanismens skala acceleration. Nedenfor en karakteristisk gravitationsacceleration benævnt a₀ - hvilket er omkring 0.1 nanometer pr. sekund i anden kvadrat - tyngdekraften fungerer anderledes.

I stedet for at følge reglen om omvendt kvadrat, ved accelerationer nedenfor a₀ tyngdekraften falder langsommere, i det omvendte af afstanden. Så noget, der kredser på fire gange afstanden, ville føle en fjerdedel af tyngdekraften, ikke en 16. De lave gravitationsaccelerationer, der er nødvendige for dette, er præcis dem, der opleves af stjerner i udkanten af ​​galakser. "Så MOND slår disse modifikationer til ved lave accelerationer på samme måde som f(R) tyngdekraften slår sine modifikationer til ved lave tætheder,” forklarer Baker.

Konflikt og polemik

MOND udmærker sig for individuelle galakser, men afhængigt af hvem du taler med, klarer den sig måske ikke så godt i andre miljøer. Og især én fiasko har allerede vendt en af ​​MONDs mest trofaste tilhængere mod teorien.

Et ideelt laboratorium til at teste MOND er et, hvor mørkt stof ikke forventes at være til stede i store mængder, hvilket betyder, at gravitationelle anomalier bare burde komme fra selve tyngdelovene. Brede binære stjernesystemer er et sådant miljø bestående af par stjerner, der er 500 AU eller mere fra hinanden (hvor en astronomisk enhed eller AU er middelafstanden mellem Jorden og Solen). Ved så store adskillelser er det tyngdefelt, som hver stjerne mærker, svagt.

Takket være Den Europæiske Rumorganisations Gaia astrometriske rummission, har hold af MOND-forskere nu været i stand til at måle bevægelserne af brede binære filer i jagten på bevis for MOND. Resultaterne har været kontroversielle og modstridende med hensyn til overlevelsen af ​​MOND som en gyldig teori.

Et hold, ledet af Kyu-Hyun Chae fra Sejong University i Seoul, udførte en udtømmende analyse af 26,500 brede binære filer og fandt orbitale bevægelser, der matchede forudsigelserne af MOND (APJ 952 128). Dette blev understøttet af tidligere arbejde fra Xavier Hernandez fra Universidad Nacional Autónoma de México, som hyldede, hvor "spændende" Chaes resultat var. Men ikke alle er overbeviste.

På University of St Andrews i Storbritannien, Indranil Banik arbejdede på sit eget seks-årige projekt for at måle MOND i brede binære værdier. Han havde offentliggjort sine planer forud for at tage sine målinger, sørgede for at tage sig tid til at tale med andre eksperter og få feedback, finjustere sin metode, så alle kunne være enige. Banik forventede fuldt ud, at hans resultater ville vise, at MOND var ægte. "Jeg forventede selvfølgelig, at MOND-scenariet ville virke," siger han. "Så det var faktisk en meget stor overraskelse, da det ikke gjorde det."

I et papir offentliggjort i slutningen af ​​2023 fandt Banik ingen afvigelse fra standard Newtonsk tyngdekraft overhovedet (Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Resultaterne var sådan et hammerslag for ham, at det rystede Baniks verden, og han erklærede offentligt, at MOND tog fejl – hvilket fik ham til at skrabe. Hvorfor skulle hans resultater dog være så anderledes end Chae og Hernandez? "De hævder bestemt stadig, at der er noget der," siger Banik. Han er dog skeptisk over for deres resultater og citerer forskelle i, hvordan de håndterede usikkerheder i deres målinger.

Disse stridspunkter er meget tekniske, så det er måske ikke en total overraskelse, at der er kommet frem til forskellige fortolkninger. For udenforstående er det faktisk svært at vide, hvem der har ret, og hvem der ikke er. "Det er meget svært at vide, hvordan man bedømmer dette," indrømmer McGaugh. "Jeg føler mig ikke engang helt kvalificeret til at dømme på den skala, og jeg er langt mere kvalificeret end de fleste mennesker!"

Det er ikke kun brede binære filer, hvor Banik ser MOND fejle. Han citerer også tilfældet med vores eget solsystem. Et af de centrale principper i MOND er fænomenet "den eksterne felteffekt", hvorved Mælkevejsgalaksens overordnede gravitationsfelt er i stand til at præge sig selv på mindre systemer, såsom vores solsystem. Vi bør se dette aftryk, især på de ydre planeters kredsløb. Søger efter denne effekt gennem radiosporingsdata fra NASAs Cassini-rumfartøj, som kredsede om Saturn mellem 2004 og 2017, har ikke fundet beviser for den eksterne felteffekt på Saturns bane.

"Folk begynder at indse, at der ikke er nogen måde at forene MOND med manglende detektering af effekter i Cassini-dataene, og at MOND ikke vil fungere på skalaer under et lysår," siger Banik. Hvis Banik har ret, så efterlader det MOND et meget dårligt sted – men det er ikke den eneste slagmark, hvor MONDs krig mod mørkt stof udkæmpes.

Klynge gåder

I 2006 udgav NASA en spektakulært billede af to kolliderende galaksehobe, der i deres kombinerede form kaldes Bullet Cluster. Hubble-rumteleskopet gav billeder i høj opløsning af galaksernes opholdssted, mens røntgenobservationer af den varme gas mellem disse galakser kom fra Chandra X-ray Observatory. Baseret på placeringen af ​​galakserne og gassen, samt graden af ​​gravitationslinser som stof i det bøjede rum i klyngen, var forskerne i stand til at beregne placeringen af ​​det mørke stof i klyngen.

"Det blev hævdet, at Bullet Cluster bekræftede eksistensen af ​​mørkt stof, som er blevet brugt til at argumentere kraftigt imod MOND," siger Pavel Kroupa, en astrofysiker ved universitetet i Bonn. "Nå, det viser sig, at situationen er præcis den modsatte."

Kroupa er glubsk i sin entusiasme for MOND og har rettet sig mod at udforske den på den størst mulige strukturskala – storskala galaksehobe. I hans trådkors er intet mindre end standardmodellen for kosmologi, kendt i daglig tale som "lambda-CDM" eller ΛCDM (Λ henviser til den kosmologiske konstant eller universets mørke energikomponent, og CDM er koldt mørkt stof).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="primordial En ESA kunstners indtryk af, hvordan det meget tidlige univers (mindre end 1 tusind millioner år gammelt) kunne have set ud, da det gennemgik et brat udbrud af stjernedannelse. (Courtesy: A Schaller/STScI)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- kamp-mellem-mørkt-stof-og-modificeret-tyngdekraft-fysik-verden-3.jpg”>

For det første mener Kroupa, at sådanne enorme galaksehobe ikke engang burde eksistere, aldrig noget imod at have haft tid til at kollidere, ved høje rødforskydninger. ΛCDM hævder, at strukturer bør vokse langsomt, og Kroupa hævder, at det ville være for langsomt til det, vores teleskoper viser os: massive galakser og enorme klynger i det tidlige univers. Mere relevant er det dynamikken i selve klyngekollisionerne, der giver Kroupa håb. Især forudsiger ΛCDM, at hastighederne af de galakser, der falder ind i den kombinerede hobs gravitationsbrønd, bør være meget lavere end det, der observeres.

"Galakseklyngekollisioner er fuldstændig uenige med ΛCDM, mens de er ret naturligt enige med MOND," siger Kroupa. På trods af Kroupas entusiasme er McGaugh ikke så sikker. Faktisk mener han, at galaksehobe er et reelt problem for både ΛCDM og MOND.

"Det er noget rod," indrømmer han. "For mørkt stof er kollisionshastighederne alt for høje. Mennesker med mørkt stof er gået frem og tilbage og argumenterer for er hastighederne for høje eller ej? For MOND er det, at galaksehobe viser en masseforskel, selv efter du har påført MOND. Klynger bekymrer mig, fordi jeg bare ikke ser en god vej ud af det.”

En teori om alt?

Klynger og brede binære filer kan diskuteres ad infinitum indtil den ene eller den anden side indrømmer nederlag. Men den måske mest alvorlige kritik af MOND har været dens direkte mangel på en brugbar kosmologisk model. Det er i orden at prøve at erstatte mørkt stof med modificeret tyngdekraft i galakser, men for at teorien i sidste ende skal lykkes, skal den forklare alt, hvad mørkt stof kan og mere til. Dette betyder, at det skal være en rival til ΛCDM i at forklare, hvad vi ser i kosmisk mikrobølge baggrund (CMB) - den oprindelige mikrobølgestråling, der fylder universet.

CMB karakteriseres ofte som "the big bangs ildkugle", men det er mere end det. Præget på det i form af subtile temperaturvariationer fra kun 379,000 år efter Big Bang er det, vi kalder anisotropier, svarende til områder med lidt højere eller lavere tæthed dannet af akustiske bølger, der genlyder gennem det oprindelige plasma. Disse er frøene til strukturdannelse i universet. Fra disse frø voksede det "kosmiske net" - et netværk af filamenter af stof, langs hvilke galakser vokser og, hvor filamenterne mødes, store galaksehobe.

MOND blev udtænkt til at forklare galakse rotationskurver ved at riffe på Newton, ikke Einstein. Det tog yderligere 20 år for Bekenstein at komme med en relativistisk model af MOND, der kunne anvendes på moderne kosmologi. Kaldet Tensor-Vector-Scalar (TeVeS) tyngdekraft, viste det sig at være upopulært, idet det kæmpede for at forklare størrelsen af ​​den tredje akustiske top i anisotropierne, som i standardmodellen kan tilskrives mørkt stof, såvel som begrænsninger i modellering af gravitationslinser og gravitationsbølger .

Mange mennesker troede, at problemet med en relativistisk model af MOND var så svært, at det ikke var muligt. Så i 2021 Constantinos Skordis , Tom Złośnik fra Det Tjekkiske Videnskabsakademi beviste, at alle tog fejl. I deres model introducerede duoen tyngdekraftsmodificerende vektor- og skalarfelter, der opererer i det tidlige univers for at skabe gravitationseffekter, der efterligner mørkt stof, før de over tid udviklede sig til at ligne den almindelige MOND-teori i det moderne univers (Phys. Rev. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Himmel puslespil Planck-missionen kortlagde den kosmiske mikrobølgebaggrund. Den bredt accepterede fortolkning af dataene er, at universet består af omkring 4.9 % almindeligt stof, 26.8 % mørkt stof og 68.3 % mørk energi. MOND-teorien var i begyndelsen ikke i stand til at forklare temperaturvariationerne afsløret af missioner som Planck. I 2021 skabte Constantinos Skordis og Tom Złośnik en MOND-inspireret model, der matcher Planck-dataene lige så godt som modeller af mørkt stof. (Courtesy: ESA and the Planck Collaboration)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -kamp-mellem-mørkt-stof-og-modificeret-tyngdekraft-fysik-verden-4.jpg”>

I betragtning af den pinefulde historie med at forsøge at udvikle en relativistisk model af MOND, mener McGaugh, at det er en "bemærkelsesværdig bedrift" at være i stand til at nedskrive en sådan teori, der passer til mikrobølgebaggrunden. Modellen Skordis og Złośnik er ikke perfekt. Ligesom TeVeS kæmper den med at forklare mængden af ​​gravitationslinser, vi observerer i universet. Banik fremhæver også vanskeligheder i modellen og siger, at "den kom i vanskeligheder, fordi den ikke giver en god forklaring på galaksehobe".

Baker gentager disse bekymringer. “Selvom det var et godt skridt fremad for MOND at kunne gøre det,” siger han, “tror jeg ikke, det var nok til at bringe MOND tilbage i mainstream. Årsagen er, at [Skordis og Złośnik] har tilføjet en masse ekstra felter til det, en masse klokker og fløjter, og det mister virkelig elegance. Det virker med CMB, men det virker meget unaturligt."

Måske lægger vi unødig vægt på modellens skuldre. Det kan kun ses som en begyndelse, et bevis på konceptet. "Om dette er den endelige teori, eller endda ned ad den rigtige vej, ved jeg ikke," siger McGaugh. "Men folk har sagt, at det ikke kan lade sig gøre, og hvad Skordis og Złośnik har vist er, at det kan lade sig gøre, og det er et vigtigt skridt fremad."

MOND fortsætter med at fascinere, frustrere og fremme foragt fra det mørke stofs disciple. Der er stadig lang vej igen for det videnskabelige samfund til at betragte det som en sværvægter rival til ΛCDM, og det er bestemt hæmmet af at have relativt få mennesker, der arbejder på det, hvilket betyder, at fremskridtene går langsomt.

Men de succeser, som denne opkomlingsteori har haft, bør ikke ignoreres, siger McGaugh. Om ikke andet burde det holde astronomerne til at arbejde med den almindelige model af mørkt stof på tæerne.

• I anden del af Keith Coopers serie i tre dele vil han udforske nogle af det mørke stofs seneste succeser og de alvorlige udfordringer, det også står over for

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/