Kosmiline võitlus: süvenemine tumeaine ja modifitseeritud gravitatsiooni vahelisesse võitlusesse – füüsikamaailm

Kujutage ette, kui saaksite ühe hoobiga ja väikese gravitatsiooniseaduste muutmisega kaotada vajaduse kogu universumi tumeaine järele. Sa vabaneksid tüütust osakesest, mille olemasolust ainult järeldatakse ja mis on seni avastamist trotsinud. Selle asemel asendaksite selle elegantse teooriaga, mis muudab Isaac Newtoni ja Albert Einsteini põhitööd.

Vähemalt see on unistus modifitseeritud Newtoni dünaamikast ehk MONDist. Töötanud välja Iisraeli füüsik Mordehai Milgrom ja Mehhiko päritolu Ameerika-Iisraeli teoreetik Jacob Bekenstein 1980. aastate alguses oli see nende vastumürk populaarsele "tumeaine" paradigmale. Nende jaoks oli tumeaine tarbetu ja kohmakas kinnitus kosmoloogiale, mis, kui see on tõeline, tähendab, et 80% kosmose ainest on nähtamatu.

40 aasta jooksul alates selle väljatöötamisest on MONDi saavutusi jätkuvalt varjutanud kosmoloogia armusuhe tumeainega. MONDil on olnud raskusi ka üksikute galaktikate omast suuremate ja väiksemate nähtuste selgitamisega. Kas MOND on siis midagi, mida peaksime tõsiselt võtma?

Uudishimulikud kurvid

Meie lugu algab 1960. aastate lõpust ning 1970. aastatel mõistsid USA astronoomid Vera Rubin ja Kent Ford, et galaktikate äärealadel olevad tähed tiirlevad sama kiiresti kui keskpunkti lähedal asuvad tähed, ilmselgelt trotsides Johannes Kepleri orbitaalliikumise seadusi. . Nad illustreerisid seda galaktikate pöörlemiskõveratel, mis on sisuliselt lihtsalt orbiidi kiiruse ja keskpunkti raadiuse graafik. Selle asemel, et näidata negatiivset kallet, olid graafikud tasane joon. Kusagil oli ekstra gravitatsioon, mis tõmbas need välimised tähed ringi.

Populaarne lahendus oli tumeaine – nähtamatu ainevorm, mis on nii rikkalik, et see oleks universumis domineeriv gravitatsioonijõud. Tänapäeval on tumeaine mõiste tihedalt põimunud meie kosmoloogia standardmudeliga ja on omane meie arusaamale universumi struktuuri kujunemisest.

Tumeaine moodustuv pilt on kena, kuid mitte piisavalt puhas väikese füüsikute ja astronoomide kogukonna jaoks, kes on tumeaine kosmoloogiat kõrvale hoidnud ja selle asemel võtnud kasutusele MONDi. Tegelikult on neil oma juhtumi kohta palju tõendeid. 2016. aastal Stacy McGaugh Case Western Reserve'i ülikoolist mõõtis 153 galaktika pöörlemiskõveraid (Phys. Rev. Lett. 117 201101) ja leidis enneolematu täpsusega, et nende pöörlemiskõveraid seletab MOND, ilma et oleks vaja kasutada iga galaktika ümber tumeaine halot. Seda tehes põhjendas ta Milgromi ennustust.

"Ma väidan, et MOND selgitab neid asju paremini kui tumeaine ja selle põhjuseks on selle ennustav jõud," ütleb McGaugh – endine tumeaine uurija, kes on nüüd MONDi pooldaja, pärast epifaaniat, mille käigus ta vahetas poolt. Ta peab silmas tõsiasja, et kui on teada galaktika nähtav mass (kõik selle tähed ja gaasid), siis MOND-i abil saab arvutada, millised on selle pöörlemiskiirused. Tumeaine paradigmas ei saa te kiirusi ennustada tumeaine olemasolu põhjal. Selle asemel peate mõõtma galaktika pöörlemiskõverat, et järeldada, kui palju tumeainet on. McGaugh väidab, et see on ümmargune arutluskäik, mitte tumeaine tõend.

Kuidas muuta gravitatsiooni

Gravitatsiooniseaduste muutmine võib paljudele füüsikutele tekitada tüli – selline on Newtoni ja Einsteini jõud –, kuid see pole nii veider asi. Lõppude lõpuks elame me salapärases universumis, mis on täis teaduslikke mõistatusi. Mis on tume energia, mis vastutab universumi paisumise kiirenemise eest? Miks on universumi paisumiskiiruse erinevates mõõtmistes pinge? Kuidas tekivad galaktikad varajases universumis nii kiiresti, nagu näitab Hubble'i ja James Webbi kosmoseteleskoobid? Teadlased otsivad vastuste leidmiseks üha enam modifitseeritud gravitatsiooniteooriaid, kuid mitte kõik modifitseeritud gravitatsioonimudelid pole võrdsed.

Iga modifitseeritud gravitatsiooni teooria, sealhulgas MOND, peab selgitama, miks see jääb igapäevastes mastaapides meie eest varjatuks, käivitades vaid teatud tingimustel

Tessa Baker, Ühendkuningriigi Portsmouthi ülikooli kosmoloog ja modifitseeritud gravitatsiooniguru, on oma karjääri üles ehitanud gravitatsiooniseaduste testimisele ja modifikatsioonide otsimisele, et püüda selgitada tumedat energiat. "MOND, mis on üks näide modifitseeritud gravitatsiooniteooriast, on ebatavaline selle poolest, et see on teooria, mis püüab tumeainet asendada," selgitab Baker. "Enamik modifitseeritud gravitatsiooni teooriaid seda ei tee."

Iga modifitseeritud gravitatsiooni teooria, sealhulgas MOND, peab selgitama, miks see jääb igapäevastes mastaapides meie eest varjatuks, käivitades vaid teatud tingimustel. Füüsikud nimetavad hetke, mil see üleminek toimub, "sõeluuringuks" ja see kõik on mastaabiprobleem.

"Keeruline osa on see, kuidas peita modifikatsiooni skaaladel, kus me teame, et üldrelatiivsusteooria töötab väga hästi?" küsib Baker. Ilmselge koht alustamiseks võiks olla kaalumine, kas gravitatsioon varieerub vahemaa skaalal, nii et meie päikesesüsteemis gravitatsioon kaob pöördruutreegliga, kuid galaktikaparvede skaalal väheneb see erineva kiirusega. "See kategooriliselt ei tööta," ütleb McGaugh ja lisab, et on ka teisi skaalasid, mis töötavad.

Näiteks üks modifitseeritud gravitatsiooni teooria, millega Baker töötab – tuntud kui f(R) gravitatsioon – üldistab Einsteini üldrelatiivsusteooria. Under f(R), lülitab gravitatsioon sisse tumeenergia efekti ruumipiirkondades, kus aine tihedus muutub piisavalt madalaks, näiteks kosmilistes tühimikes. MONDi puhul on sõelumismehhanismi skaalaks kiirendus. Allpool on iseloomulik gravitatsioonikiirendus, mida nimetatakse a₀ – mis on umbes 0.1 nanomeetrit sekundis ruudus – gravitatsioon toimib erinevalt.

Selle asemel, et järgida pöördruutreeglit allpool toodud kiirendustel a₀ gravitatsioon langeb aeglasemalt, kauguse pöördvõrdeliselt. Nii et midagi, mis tiirleb neli korda kaugemal, tunneks gravitatsioonist veerandit, mitte 16-ndat. Selleks vajalikud madalad gravitatsioonikiirendused on täpselt sellised, mida kogevad tähed galaktikate äärealadel. "Nii et MOND lülitab need modifikatsioonid väikestel kiirendustel sisse samamoodi nagu f(R) lülitab gravitatsioon sisse oma modifikatsioonid madala tiheduse korral,” selgitab Baker.

Konflikt ja vaidlused

MOND sobib üksikute galaktikate jaoks suurepäraselt, kuid olenevalt sellest, kellega te räägite, ei lähe tal võib-olla teistes keskkondades nii hästi. Ja just üks ebaõnnestumine on juba pööranud ühe MONDi kõige kindlama toetaja teooria vastu.

Ideaalne laboratoorium MONDi testimiseks on selline, kus tumeainet ei eeldata suurtes kogustes, mis tähendab, et kõik gravitatsioonianomaaliad peaksid tulema lihtsalt gravitatsiooniseadustest endist. Laiad kaksiktähesüsteemid on üks selline keskkond, mis koosneb tähtede paaridest, mille suurus on 500 AU või rohkem lahus (kus on üks astronoomiline üksus või AU keskmine kaugus Maa ja Päikese vahel). Selliste tohutute eralduste korral on iga tähe gravitatsiooniväli nõrk.

Tänu Euroopa Kosmoseagentuuri Gaia astromeetriline kosmosemissioon, on MONDi teadlaste meeskonnad nüüd suutnud mõõta laiade kahendfailide liikumist, otsides tõendeid MONDi kohta. Tulemused on olnud vastuolulised ja vastuolulised MONDi kui kehtiva teooria ellujäämise osas.

Üks meeskond eesotsas Kyu-Hyun Chae Seouli Sejongi ülikoolist, viis läbi 26,500 XNUMX laia kahendfaili põhjaliku analüüsi ja leidis orbiidi liikumised, mis vastasid MONDi ennustustele (ApJ 952 128). Seda toetas Xavier Hernandezi varasem töö Universidad Nacional Autónoma de Méxicost, kes kiitis, kui "põnev" Chae tulemus oli. Kuid mitte kõik pole selles veendunud.

St Andrewsi ülikoolis Ühendkuningriigis Indranil Banik töötas oma kuueaastase projekti kallal, et mõõta MOND laiades kahendkoodides. Ta oli oma plaanid avaldanud enne mõõtmiste tegemist, võttes kindlasti aega teiste ekspertidega vestlemiseks ja tagasiside saamiseks, viimistledes oma meetodit nii, et kõik oleksid ühel meelel. Banik ootas täielikult, et tema tulemused näitavad, et MOND on tõeline. "Ilmselt eeldasin, et MOND-stsenaarium töötab," ütleb ta. "Seega oli see tõesti väga suur üllatus, kui seda ei juhtunud."

2023. aasta lõpus avaldatud artiklis ei leidnud Banik mingit kõrvalekallet Newtoni standardsest gravitatsioonist (Kuningliku astronoomiaühingu igakuised teated 10.1093/mnras/stad3393). Tulemused olid talle nii rängad, et raputasid Baniku maailma ja ta kuulutas avalikult, et MOND eksis – mis tabas teda mingi kihina. Miks peaksid aga tema tulemused Chae ja Hernandeze omadest nii erinevad olema? "Kindlasti vaidlevad nad endiselt, et seal on midagi," ütleb Banik. Siiski on ta nende tulemuste suhtes skeptiline, viidates erinevustele selles, kuidas nad mõõtmiste ebakindlust käsitlesid.

Need vaidluspunktid on väga tehnilised, nii et pole võib-olla täielik üllatus, et on jõutud erinevatele tõlgendustele. Tõepoolest, kõrvalseisjatel on raske teada, kellel on õigus ja kellel mitte. "Seda on väga raske hinnata," tunnistab McGaugh. "Ma ei tunne end isegi täielikult pädev hindama nendel kaaludel ja olen palju kvalifitseeritum kui enamik inimesi!"

Banik näeb MONDi ebaõnnestumist mitte ainult laiades kahendfailides. Ta viitab ka meie enda päikesesüsteemi juhtumile. Üks MONDi keskseid põhimõtteid on "välise väljaefekti" nähtus, mille puhul Linnutee galaktika üldine gravitatsiooniväli suudab end jäljendada väiksematele süsteemidele, näiteks meie päikesesüsteemile. Peaksime seda jälge nägema, eriti välisplaneetide orbiitidel. Selle efekti otsimine raadiojälgimise andmete kaudu aadressilt NASA kosmoseaparaat Cassini, mis tiirles ümber Saturni aastatel 2004–2017, pole leidnud tõendeid välisvälja mõju kohta Saturni orbiidil.

"Inimesed on hakanud mõistma, et MOND-i ei saa kuidagi ühitada Cassini andmetes efektide tuvastamata jätmisega ja et MOND ei tööta alla valgusaasta skaalal," ütleb Banik. Kui Banik on õige, jätab see MONDi väga halba kohta – kuid see pole ainus lahinguväli, kus peetakse MONDi sõda tumeaine vastu.

Klastrite mõistatused

2006. aastal avaldas NASA a suurejooneline pilt kahest põrkuvast galaktikaparvest, mida nende kombineeritud kujul nimetatakse kuuliparveks. Hubble'i kosmoseteleskoop andis kõrge eraldusvõimega vaateid galaktikate asukohast, samas kui nende galaktikate vahelise kuuma gaasi röntgenuuringud saadi Chandra röntgenobservatooriumist. Tuginedes galaktikate ja gaasi asukohtadele, samuti gravitatsiooniläätsede kui mateeria astmele parve painutatud ruumis, suutsid teadlased välja arvutada tumeaine asukoha parves.

"Väideti, et Bullet Cluster kinnitas tumeaine olemasolu, mida on kasutatud tugevalt MONDi vastu vaidlemiseks," ütleb Pavel Kroupa, astrofüüsik Bonni ülikoolis. "Noh, selgub, et olukord on täpselt vastupidine."

Kroupa on MONDi vastu metsik entusiasmis ja on võtnud sihiks seda uurida võimalikult suures struktuuris – suuremahulistes galaktikaparvedes. Tema sihis on midagi vähemat kui kosmoloogia standardmudel, mida kõnekeeles tuntakse kui "lambda-CDM" või ΛCDM (Λ viitab kosmoloogilisele konstandile ehk universumi tumeda energia komponendile ja CDM on külm tumeaine).

<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="Ürgne ESA kunstniku mulje, milline võis väga varane (alla 1 tuhande miljoni aasta vanune) universum välja näha, kui see läbis järsu tähetekkepurske. (Visaldus: A Schaller/STScI)” title=”Pildi avamiseks hüpikaknas klõpsake” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg”>

Esiteks usub Kroupa, et selliseid tohutuid galaktikaparvesid ei tohiks isegi eksisteerida, hoolimata sellest, et neil pole olnud aega põrgata, suure punanihke korral. ΛCDM eeldab, et struktuurid peaksid kasvama aeglaselt, ja Kroupa väidab, et see oleks liiga aeglane selle jaoks, mida meie teleskoobid meile näitavad: massiivsed galaktikad ja tohutud parved varases universumis. Asjakohasem on see, et klastri kokkupõrgete dünaamika annab Kroupale lootust. Eelkõige ennustab ΛCDM, et galaktikate kiirused, mis langevad kombineeritud parve gravitatsioonikaevu, peaksid olema palju väiksemad kui vaadeldud.

"Galaktikaparvede kokkupõrked on ΛCDM-iga täielikus vastuolus, samas kui MONDiga on need üsna loomulikud," ütleb Kroupa. Vaatamata Kroupa entusiasmile pole McGaugh nii kindel. Tegelikult arvab ta, et galaktikaparved on nii ΛCDM kui ka MOND jaoks tõeline probleem.

"See on segadus," möönab ta. "Tumeaine puhul on kokkupõrkekiirused liiga suured. Tumeaine inimesed on käinud edasi-tagasi, vaidlevad, kas kiirused on liiga suured või mitte? MONDi puhul on see, et galaktikaparvedel on masside lahknevus isegi pärast MONDi rakendamist. Klastrid puudutavad mind, sest ma lihtsalt ei näe sellest ilusat väljapääsu.

Kõige teooria?

Klastrite ja laiade kahendkoodide üle võib vaielda lõpmatuseni kuni üks või teine ​​pool kaotust tunnistab. Kuid võib-olla on MONDi vastu suunatud kõige tõsisem kriitika olnud toimiva kosmoloogilise mudeli otsene puudumine. Kõik on hästi ja hea, kui püütakse galaktikates tumeainet modifitseeritud gravitatsiooniga asendada, kuid teooria lõpuks edukaks osutumiseks peab see selgitama kõike, mida tumeaine suudab, ja rohkemgi veel. See tähendab, et ta peab olema ΛCDM-i rivaal, selgitades, mida me näeme kosmiline mikrolaine taust (CMB) – ürgne mikrolainekiirgus, mis täidab universumi.

CMB-d iseloomustatakse sageli kui "suure paugu tulekera", kuid see on midagi enamat. Vaid 379,000 XNUMX aastat pärast Suurt Pauku on sellele jäljendatud peened temperatuurikõikumised, mida me nimetame anisotroopideks, mis vastavad pisut suurema või väiksema tihedusega piirkondadele, mille moodustavad läbi ürgplasma kajavad akustilised lained. Need on universumi struktuuri kujunemise seemned. Nendest seemnetest kasvas välja "kosmiline võrk" – mateeriafilamentide võrgustik, mille ääres kasvavad galaktikad ja kus filamendid kohtuvad, suured galaktikaparved.

MOND loodi selleks, et selgitada galaktikate pöörlemiskõveraid Newtoni, mitte Einsteini riffimise teel. Kulus veel 20 aastat, enne kui Bekenstein tuli välja MONDi relativistliku mudeliga, mida saaks rakendada kaasaegses kosmoloogias. Nimega Tensor-Vector-Scalar (TeVeS) gravitatsioon osutus ebapopulaarseks, püüdes selgitada anisotroopiate kolmanda akustilise piigi suurust, mis standardmudelis on omistatav tumeainele, samuti piiranguid gravitatsiooniläätsede ja gravitatsioonilainete modelleerimisel. .

Paljud inimesed arvasid, et MONDi relativistliku mudeli probleem oli nii keeruline, et see pole võimalik. Seejärel, aastal 2021 Constantinos Skordis ja Tom Złośnik Tšehhi Teaduste Akadeemia esindajad tõestasid, et kõik eksisid. Oma mudelis tutvustas duo gravitatsiooni modifitseerivaid vektoreid ja skalaarvälju, mis toimivad varases universumis, et luua gravitatsiooniefekte, mis jäljendavad tumeainet, enne kui need aja jooksul arenesid, et sarnaneda tänapäevase universumi tavalise MOND-teooriaga (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="Taevamõistatus Plancki missioon kaardistas kosmilise mikrolaineahju tausta. Andmete laialdaselt aktsepteeritud tõlgendus on, et universumis on umbes 4.9% tavalist ainet, 26.8% tumeainet ja 68.3% tumeenergiat. MONDi teooria ei suutnud algselt selgitada temperatuurikõikumisi, mis ilmnesid sellistel missioonidel nagu Planck. 2021. aastal lõid Constantinos Skordis ja Tom Złośnik MONDist inspireeritud mudeli, mis sobib Plancki andmetega sama hästi kui tumeaine mudelitega. (Visalus: ESA ja Plancki koostöö)” title=”Pildi avamiseks hüpikaknas klõpsake” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg”>

Arvestades MONDi relativistliku mudeli väljatöötamise piinavat ajalugu, usub McGaugh, et sellise teooria, mis sobib mikrolaineahju taustaga, on "märkimisväärne saavutus". Skordise ja Złośniku mudel pole täiuslik. Sarnaselt TeVeSile on sellel raskusi universumis täheldatava gravitatsiooniläätsede hulga selgitamisega. Banik toob esile ka mudeli raskused, öeldes, et "see sattus raskustesse, kuna see ei anna galaktikaparvedele head selgitust".

Baker kordab neid muresid. "Kuigi MONDi jaoks oli see hea samm edasi," ütleb ta, "ma arvan, et sellest ei piisanud MONDi tagasi toomiseks peavoolu. Põhjus on selles, et [Skordis ja Złośnik] on lisanud sellele palju lisavälju, palju kellasid ja vilesid ning see kaotab tõesti elegantsi. See töötab koos CMB-ga, kuid tundub väga ebaloomulik.

Võib-olla paneme modelli õlgadele liigse raskuse. Seda võib vaadelda kui algust, kontseptsiooni tõestust. "Ma ei tea, kas see on lõplik teooria või isegi õige tee," ütleb McGaugh. "Kuid inimesed on öelnud, et seda ei saa teha, ja Skordis ja Złośnik on näidanud, et seda saab teha, ja see on oluline samm edasi."

MOND jätkab tumeaine jüngrite paelumist, frustreerimist ja põlgamise soodustamist. Teadusringkondadel on veel pikk tee minna, et pidada seda ΛCDM-i raskekaalu rivaaliks, ja seda takistab kindlasti see, et sellega tegeleb suhteliselt vähe inimesi, mis tähendab, et areng on aeglane.

Kuid McGaugh ütleb, et selle tõusva teooria edu ei tohiks ignoreerida. Kui mitte midagi muud, peaks see astronoomidel töötama peavoolu tumeaine mudeliga.

• Keith Cooperi kolmeosalise sarja teises osas uurib ta mõningaid tumeaine hiljutisi õnnestumisi ja tõsiseid väljakutseid, millega see samuti silmitsi seisab.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/