Kosminen taistelu: sukella pimeän aineen ja muunnetun painovoiman väliseen taisteluun – Physics World

Kuvittele, jos voisit yhdellä iskulla, yhdellä pienellä painovoiman lakien säädöllä, poistaa kaiken universumin pimeän aineen tarpeen. Pääsisit eroon ärsyttävästä hiukkasesta, jonka olemassaolosta vain päätellään ja joka on toistaiseksi uhmannut löytöä. Sen sijaan korvaisit sen tyylikkäällä teorialla, joka muuttaa Isaac Newtonin ja Albert Einsteinin perustyötä.

Ainakin se on unelma muunnetusta newtonilaisesta dynamiikasta tai MOND:sta. Israelilaisen fyysikon kehittämä Mordehai Milgrom ja meksikolaissyntyinen amerikkalais-israelilainen teoreetikko Jacob Bekenstein 1980-luvun alussa se oli heidän vastalääke suositulle "pimeän aineen" paradigmalle. Heille pimeä aine oli tarpeeton ja kömpelö liitos kosmologiaan, joka, jos se on totta, tarkoittaa, että 80 % kosmoksen aineesta on näkymätöntä.

Sen suunnittelusta kuluneiden 40 vuoden aikana MONDin saavutuksia varjostaa edelleen kosmologian rakkaussuhde pimeään aineen kanssa. MONDilla on myös vaikeuksia selittää ilmiöitä yksittäisiä galakseja suuremmissa ja pienemmässä mittakaavassa. Onko MOND sittenkin sittenkin otettava vakavasti?

Mielenkiintoisia käyriä

Tarinamme alkaa 1960-luvun lopulla, ja 1970-luvulle asti yhdysvaltalaiset tähtitieteilijät Vera Rubin ja Kent Ford ymmärsivät, että galaksien laitamilla olevat tähdet kiertävät yhtä nopeasti kuin tähdet lähellä keskustaa, mikä ilmeisesti uhmaa Johannes Keplerin kiertoradan liikkeen lakeja. . He havainnollistivat tämän galaksien pyörimiskäyrillä, käytännössä vain kaaviona kiertoradan nopeudesta vs. säteen keskustasta. Negatiivisen kulman sijaan kaaviot olivat tasainen viiva. Jossain ylimääräinen painovoima veti niitä ulompia tähtiä ympäriinsä.

Pimeä aine – näkymätön aineen muoto, joka on niin runsas, että se olisi maailmankaikkeuden hallitseva gravitaatiovoima – oli suosittu ratkaisu. Nykyään pimeän aineen käsite on kiinteästi kietoutunut kosmologian vakiomalliimme, ja se on luonnostaan ​​ymmärryksemme siitä, kuinka maailmankaikkeuden rakenne muodostuu.

Pimeän aineen muodostama kuva on siisti, mutta ei aivan tarpeeksi siisti pienelle fyysikkojen ja tähtitieteilijöiden yhteisölle, joka on karttanut pimeän aineen kosmologiaa ja omaksunut sen sijaan MONDin. Itse asiassa heillä on runsaasti todisteita tapauksestaan. Vuonna 2016 Stacy McGaugh Case Western Reserven yliopistosta mittasi 153 galaksin pyörimiskäyrät (Phys. Lett. 117 201101) ja havaitsivat ennennäkemättömällä tarkkuudella, että MOND selittää niiden pyörimiskäyrät ilman tarvetta turvautua pimeän aineen haloon jokaisen galaksin ympärillä. Näin tehdessään hän perusteli Milgromin ennustuksen.

"Väittäisin, että MOND selittää nämä asiat paremmin kuin pimeä aine, ja syy siihen on sen ennustusvoima", sanoo McGaugh – entinen pimeän aineen tutkija, joka on nyt MOND:n puolestapuhuja, hänen vaihtaessaan puolta. Hän viittaa siihen, että jos tiedät galaksin näkyvän massan (kaikki sen tähdet ja kaasut), niin MOND:n avulla voit laskea, mitkä pyörimisnopeudet tulevat olemaan. Pimeän aineen paradigmassa et voi ennustaa nopeuksia pimeän aineen läsnäolon perusteella. Sen sijaan sinun on mitattava galaksin pyörimiskäyrä päätelläksesi, kuinka paljon pimeää ainetta on läsnä. McGaugh väittää, että se on pyöreä päättely, eikä todiste pimeästä aineesta.

Kuinka muokata painovoimaa

Painovoiman lakien muuttaminen saattaa olla anteema monille fyysikoille – sellainen on Newtonin ja Einsteinin voima – mutta se ei ole niin outoa. Loppujen lopuksi elämme salaperäisessä universumissa, joka on täynnä tieteellisiä arvoituksia. Mikä on pimeä energia, joka on vastuussa universumin laajenemisen kiihtyvyydestä? Miksi universumin laajenemisnopeuden eri mittauksissa on jännitteitä? Kuinka galaksit muodostuvat niin nopeasti varhaisessa maailmankaikkeudessa, kuten todistavat Hubble ja James Webb avaruusteleskoopit? Tutkijat etsivät yhä enemmän muunnettuja painovoimateorioita saadakseen vastauksia, mutta kaikki muunnetut painovoimamallit eivät ole samanarvoisia.

Jokaisen muunnetun painovoiman teorian, mukaan lukien MONDin, on selitettävä, miksi se pysyy meiltä piilossa arkipäivän mittakaavassa ja alkaa toimia vain tietyissä olosuhteissa.

Tessa Baker, kosmologi ja modifioidun painovoiman guru Portsmouthin yliopistosta Iso-Britanniassa, on rakentanut uransa painovoimalakien testaamiseen ja modifikaatioiden etsimiseen, hänen tapauksessaan yrittääkseen selittää pimeää energiaa. "MOND, joka on yksi esimerkki muunnetusta painovoimateoriasta, on epätavallinen siinä mielessä, että se on teoria, joka yrittää korvata pimeän aineen", Baker selittää. "Suurin osa modifioidun painovoiman teorioista ei tee niin."

Jokaisen muunnetun painovoiman teorian, mukaan lukien MONDin, on selitettävä, miksi se pysyy meiltä piilossa arkipäivän mittakaavassa ja alkaa toimia vain tietyissä olosuhteissa. Fyysikot kutsuvat kohtaa, jossa tämä siirtymä tapahtuu, "seulonnaksi", ja se kaikki on mittakaavaongelma.

"Haastava osa on, kuinka piilotat muunnelman asteikoissa, joissa tiedämme yleisen suhteellisuusteorian toimivan erittäin hyvin?" kysyy Baker. Ilmeinen paikka aloittaa voisi olla pohtia, vaihteleeko painovoima etäisyysasteikolla, joten aurinkokunnassamme gravitaatio hiipuu käänteisen neliön säännöllä, mutta galaksijoukkojen mittakaavassa se pienenee eri tahtia. "Tämä ei kategorisesti toimi", McGaugh sanoo ja lisää, että on muitakin vaakoja, jotka toimivat.

Esimerkiksi yksi teoria modifioidusta painovoimasta, jonka kanssa Baker työskentelee - tunnetaan nimellä f(R) painovoima – yleistää Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian. Alla f(R), painovoima kytkee pimeän energian vaikutuksen päälle avaruuden alueilla, joilla aineen tiheys laskee tarpeeksi pieneksi, kuten kosmisissa tyhjiöissä. MONDissa seulontamekanismin asteikko on kiihtyvyys. Alla tyypillinen painovoimakiihtyvyys, jota kutsutaan nimellä a₀ – mikä on noin 0.1 nanometriä sekunnissa neliössä – painovoima toimii eri tavalla.

Käänteisen neliön säännön noudattamisen sijaan alla olevilla kiihtyvyyksillä a₀ painovoima putoaa hitaammin, etäisyyden käänteisellä tavalla. Joten jokin, joka kiertää nelinkertaisella etäisyydellä, tuntuisi neljännekseltä painovoimasta, ei 16:lta. Tätä varten tarvittavat pienet gravitaatiokiihtyvyydet ovat juuri niitä, joita galaksien laitamilla olevat tähdet kokevat. "Joten MOND kytkee nämä muutokset päälle alhaisilla kiihtyvyyksillä samalla tavalla kuin f(R) painovoima kytkee modifikaationsa päälle pienillä tiheyksillä”, Baker selittää.

Konflikti ja kiista

MOND on erinomainen yksittäisissä galakseissa, mutta riippuen siitä, kenelle puhut, se ei ehkä toimi niin hyvin muissa ympäristöissä. Ja erityisesti yksi epäonnistuminen on jo kääntänyt yhden MONDin uskollisimmista kannattajista teoriaa vastaan.

Ihanteellinen laboratorio MOND:n testaamiseen on sellainen, jossa pimeää ainetta ei odoteta olevan suuria määriä, mikä tarkoittaa, että gravitaatiopoikkeamien pitäisi tulla pelkästään painovoiman laeista itsestään. Leveät binääritähtijärjestelmät ovat yksi tällainen ympäristö, joka koostuu tähtipareista, joiden koko on 500 AU tai enemmän. erillään (missä yksi tähtitieteellinen yksikkö tai AU on Maan ja Auringon keskimääräinen etäisyys). Tällaisilla valtavilla eroilla kunkin tähden tuntema gravitaatiokenttä on heikko.

Kiitos Euroopan avaruusjärjestön Gaia astrometrinen avaruustehtäväMOND-tutkijaryhmät ovat nyt pystyneet mittaamaan leveiden binäärien liikkeitä etsiessään todisteita MOND:sta. Tulokset ovat olleet kiistanalaisia ​​ja ristiriitaisia ​​MOND:n selviytymisen kannalta pätevänä teoriana.

Yksi joukkue, jota johtaa Kyu-Hyun Chae Sejongin yliopistosta Soulissa, suoritti kattavan analyysin 26,500 XNUMX leveästä binaarista ja löysi kiertoradan liikkeitä, jotka vastasivat MOND:n ennusteita (APJ 952 128). Tätä tuki Xavier Hernandezin aiempi työ Universidad Nacional Autónoma de Méxicosta, joka ylisti Chaen tuloksen "jännittäviä". Mutta kaikki eivät ole vakuuttuneita.

St Andrewsin yliopistossa Isossa-Britanniassa, Indranil Banik työskenteli omassa kuusivuotisessa projektissaan mitatakseen MONDia leveissä binäärimuodoissa. Hän oli julkaissut suunnitelmansa ennen mittausten suorittamista ja varmisti, että käytti aikaa jutella muiden asiantuntijoiden kanssa ja saada palautetta, hienosäätäen menetelmäään niin, että kaikki voivat olla samaa mieltä. Banik odotti täysin tulosten osoittavan, että MOND oli todellinen. "Odotin tietysti MOND-skenaarion toimivan", hän sanoo. "Joten se oli todella suuri yllätys, kun se ei ollut."

Vuoden 2023 lopulla julkaistussa artikkelissa Banik ei löytänyt poikkeamaa Newtonin vakiopainovoimasta ollenkaan (Kuukausittaiset ilmoitukset Royal Astronomical Society -tapahtumasta 10.1093/mnras/stad3393). Tulokset olivat hänelle niin kova isku, että se ravisteli Banikin maailmaa, ja hän julisti julkisesti MONDin olleen väärässä - mikä sai hänet räjähtämään. Miksi hänen tulosten pitäisi kuitenkin olla niin erilaisia ​​kuin Chaen ja Hernandezin? "Varmasti he edelleen väittävät, että siellä on jotain", Banik sanoo. Hän kuitenkin suhtautuu skeptisesti heidän tuloksiinsa ja vetoaa eroihin siinä, miten he käsittelivät mittaustensa epävarmuutta.

Nämä kiistakohdat ovat erittäin teknisiä, joten ei ehkä ole mikään yllätys, että erilaisiin tulkintoihin on päästy. Ulkopuolisten on todellakin vaikea tietää, kuka on oikeassa ja kuka ei. "On erittäin vaikea tietää, kuinka arvioida tätä", McGaugh myöntää. "En edes tunne olevani täysin pätevä arvioimaan noilla asteikoilla, ja olen paljon pätevämpi kuin useimmat ihmiset!"

Banik ei näkee MONDin epäonnistuvan vain leveissä binäärisovelluksissa. Hän mainitsee myös oman aurinkokuntamme tapauksen. Yksi MOND:n keskeisistä periaatteista on "ulkoisen kentän ilmiön" ilmiö, jonka avulla Linnunradan galaksin kokonaispainovoimakenttä pystyy painamaan itsensä pienempiin järjestelmiin, kuten aurinkokuntaamme. Meidän pitäisi nähdä tämä jälki, erityisesti ulkoplaneettojen kiertoradalla. Tätä tehostetta etsitään radioseurantatietojen kautta kohteesta NASAn Cassini-avaruusalus, joka kiersi Saturnusta vuosina 2004–2017, ei ole löytänyt todisteita ulkoisen kentän vaikutuksesta Saturnuksen kiertoradalla.

"Ihmiset alkavat ymmärtää, että MONDia ei voida sovittaa yhteen sen kanssa, että Cassini-tiedoissa ei havaita vaikutuksia ja että MOND ei toimi valovuoden mittakaavassa", Banik sanoo. Jos Banik on oikeassa, se jättää MONDin erittäin huonoon paikkaan – mutta se ei ole ainoa taistelukenttä, jossa MONDin sotaa pimeää ainetta vastaan ​​käydään.

Klusterin arvoituksia

Vuonna 2006 NASA julkaisi a upea kuva kahdesta törmäävästä galaksijoukosta, joita kutsutaan yhdistetyssä muodossaan luotijoukoksi. Hubble-avaruusteleskooppi tarjosi korkearesoluutioisia kuvia galaksien olinpaikasta, kun taas näiden galaksien välisen kuuman kaasun röntgenhavainnot tulivat Chandra-röntgenobservatoriosta. Galaksien ja kaasun sijaintien sekä painovoimalinssien asteen aineena klusterin taipuneessa tilassa tutkijat pystyivät laskemaan pimeän aineen sijainnin joukossa.

"Väitettiin, että Bullet Cluster vahvisti pimeän aineen olemassaolon, jota on käytetty vahvasti MONDia vastaan", sanoo Pavel Kroupa, astrofyysikko Bonnin yliopistossa. "No, tilanne on juuri päinvastainen."

Kroupa innostuu hurjasti MONDista, ja hän on asettanut tavoitteensa tutkia sitä mahdollisimman suurissa rakenteen mittakaavassa – laajamittaisissa galaksiklustereissa. Hänen hiusristeyksessään ei ole vähempää kuin kosmologian standardimalli, joka tunnetaan puhekielessä nimellä "lambda-CDM" tai ΛCDM (Λ viittaa kosmologiseen vakioon tai universumin pimeän energian komponenttiin ja CDM on kylmää pimeää ainetta).

<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="varhais- ESAn taiteilijan käsitys siitä, miltä hyvin varhainen (alle 1 tuhat miljoonaa vuotta vanha) maailmankaikkeus saattoi näyttää, kun se kävi läpi äkillisen tähtienmuodostuksen purkauksen. (Kohtelias: A Schaller/STScI)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” 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”>

Ensinnäkin Kroupa uskoo, että tällaisten valtavien galaksijoukkojen ei pitäisi edes olla olemassa, vaikka niillä on ollut aikaa törmätä suurilla punasiirtymillä. ΛCDM väittää, että rakenteiden pitäisi kasvaa hitaasti, ja Kroupa väittää, että se olisi liian hidasta sille, mitä teleskooppimme näyttävät meille: massiivisille galakseille ja valtaville klusteille varhaisessa universumissa. Oikeastaan ​​itse klusterien törmäysten dynamiikka antaa Kroupalle toivoa. Erityisesti ΛCDM ennustaa, että yhdistetyn klusterin gravitaatiokuoppaan putoavien galaksien nopeuksien pitäisi olla paljon pienempiä kuin mitä havaitaan.

"Galaksiklusterien törmäykset ovat täysin eri mieltä ΛCDM:n kanssa, vaikka ne ovat melko luonnollista samaa mieltä MOND:n kanssa", Kroupa sanoo. Kroupan innostuksesta huolimatta McGaugh ei ole niin varma. Itse asiassa hän uskoo, että galaksiklusterit ovat todellinen ongelma sekä ΛCDM:lle että MOND:lle.

"Se on sotkua", hän myöntää. "Pimeän aineen törmäysnopeudet ovat aivan liian suuria. Pimeän aineen ihmiset ovat kulkeneet edestakaisin ja kiistelleet ovatko nopeudet liian nopeita vai eivät? MOND:n kohdalla galaksiklusterit osoittavat massaeroja jopa MOND:n käytön jälkeen. Klusterit huolestuttavat minua, koska en vain näe siitä hyvää ulospääsyä."

Teoria kaikesta?

Klustereista ja laajoista binääreistä voidaan keskustella loputtomasti kunnes toinen osapuoli myöntää tappionsa. Mutta ehkä vakavin kritiikki MONDia kohtaan on ollut sen toimivan kosmologisen mallin suora puute. On hyvä ja hyvä yrittää korvata pimeää ainetta modifioidulla painovoimalla galakseissa, mutta jotta teoria lopulta onnistuisi, sen on selitettävä kaikki, mitä pimeä aine voi ja enemmän. Tämä tarkoittaa, että sen on oltava ΛCDM:n kilpailija selittäessään, mitä näemme kosminen mikroaaltouuni tausta (CMB) – alkukantainen mikroaaltosäteily, joka täyttää maailmankaikkeuden.

CMB:tä kutsutaan usein "alkuräjähdyksen tulipalloksi", mutta se on enemmän kuin sitä. Siihen on painettu hienovaraisia ​​lämpötilavaihteluita vain 379,000 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, mitä kutsumme anisotropioksi, jotka vastaavat alkuperäisen plasman läpi kaikuvien akustisten aaltojen muodostamia hieman korkeamman tai pienemmän tiheyden alueita. Nämä ovat rakenteen muodostumisen siemeniä universumissa. Näistä siemenistä kasvoi "kosminen verkko" – ainesäikeiden verkosto, jota pitkin galaksit kasvavat ja, missä filamentit kohtaavat, suuria galaksiklustereita.

MOND kehitettiin selittämään galaksien pyörimiskäyrät riffoimalla Newtonia, ei Einsteinia. Kesti vielä 20 vuotta, ennen kuin Bekenstein keksi relativistisen MOND-mallin, jota voitaisiin soveltaa nykyaikaiseen kosmologiaan. Tensori-vektori-skalaaripainovoima (TeVeS) -niminen painovoima osoittautui epäsuosituksi, koska se yrittää selittää anisotropioiden kolmannen akustisen huipun kokoa, joka standardimallissa johtuu pimeästä aineesta, sekä rajoituksia gravitaatiolinssien ja gravitaatioaaltojen mallintamisessa. .

Monet ihmiset ajattelivat, että MOND:n relativistisen mallin ongelma oli niin vaikea, ettei se ollut mahdollista. Sitten vuonna 2021 Constantinos Skordis ja Tom Złośnik Tšekin tiedeakatemian tutkija osoitti kaikkien olevan väärässä. Mallissaan kaksikko esitteli painovoimaa muokkaavat vektorit ja skalaarikentät, jotka toimivat varhaisessa universumissa luodakseen pimeää ainetta jäljitteleviä gravitaatiovaikutuksia, ennen kuin ne kehittyivät ajan myötä muistuttamaan nykyaikaisen maailmankaikkeuden tavallista MOND-teoriaa (Phys. 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="Sky palapeli Planck-tehtävä kartoitti kosmisen mikroaaltouunin taustan. Yleisesti hyväksytty tulkinta tiedoista on, että maailmankaikkeudessa on noin 4.9 % tavallista ainetta, 26.8 % pimeää ainetta ja 68.3 % pimeää energiaa. MOND-teoria ei aluksi pystynyt selittämään Planckin kaltaisten tehtävien paljastamia lämpötilavaihteluita. Vuonna 2021 Constantinos Skordis ja Tom Złośnik loivat MOND-vaikutteisen mallin, joka vastaa Planckin dataa yhtä hyvin kuin pimeän aineen malleja. (Kohteet: ESA and the Planck Collaboration)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” 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”>

Ottaen huomioon MOND:n relativistisen mallin kehittämisen kiduttavan historian, McGaugh uskoo, että on "merkittävä saavutus" pystyä kirjoittamaan muistiin teoria, joka sopii mikroaaltouunin taustaan. Skordis- ja Złośnik-malli ei ole täydellinen. Kuten TeVeS, sillä on vaikeuksia selittää maailmankaikkeudessa havaitsemamme gravitaatiolinssien määrää. Banik korostaa myös mallin vaikeuksia sanomalla, että "se joutui vaikeuksiin, koska se ei anna hyvää selitystä galaksiklustereille".

Baker toistaa nämä huolenaiheet. "Vaikka se oli hyvä askel eteenpäin MONDille, että se pystyi tekemään niin", hän sanoo, "en usko, että se riittäisi tuomaan MONDia takaisin valtavirtaan. Syynä on se, että [Skordis ja Złośnik] ovat lisänneet siihen paljon ylimääräisiä kenttiä, paljon kelloja ja pillejä, ja se todella menettää eleganssin. Se toimii CMB:n kanssa, mutta se näyttää hyvin luonnottomalta."

Ehkä asetamme tarpeettoman painon mallin harteille. Sitä voitaisiin pitää vasta alkuna, konseptin todisteena. "En tiedä, onko tämä lopullinen teoria vai edes oikealla tiellä", McGaugh sanoo. "Mutta ihmiset ovat sanoneet, että sitä ei voida tehdä, ja Skordis ja Złośnik ovat osoittaneet, että se voidaan tehdä, ja se on tärkeä askel eteenpäin."

MOND kiehtoo, turhauttaa ja edistää pimeän aineen opetuslasten halveksuntaa. Tiedeyhteisöllä on vielä pitkä matka pitääkseen sitä raskaan sarjan kilpailijana ΛCDM:lle, ja sitä hankaloittaa varmasti se, että sen parissa työskentelee suhteellisen vähän ihmisiä, mikä tarkoittaa, että edistyminen on hidasta.

Mutta tämän nousujohteisen teorian menestyksiä ei pidä jättää huomiotta, McGaugh sanoo. Jos ei muuta, sen pitäisi saada tähtitieteilijät työskentelemään valtavirran pimeän aineen mallin kanssa.

• Keith Cooperin kolmiosaisen sarjan toisessa osassa hän tutkii pimeän aineen viimeaikaisia ​​menestyksiä ja vakavia haasteita, joita se myös kohtaa.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/