קרב קוסמי: התעמקות בקרב בין חומר אפל לכוח הכבידה המשתנה - עולם הפיזיקה

תארו לעצמכם אם, במכה אחת, עם תיקון קטן אחד לחוקי הכבידה, תוכלו לנפנף את הצורך בכל החומר האפל ביקום. היית נפטר מחלקיק מטריד שרק מסתבר שהוא קיים ושעד כה התנגד לגילוי. במקום זאת, תחליף אותה בתיאוריה אלגנטית שמשנה את עבודתם הבסיסית של אייזק ניוטון ואלברט איינשטיין.

לפחות זה החלום של דינמיקה ניוטונית שונה, או MOND. פותח על ידי פיזיקאי ישראלי מרדכי מילגרום ותיאורטיקן אמריקאי-ישראלי יליד מקסיקו יעקב בקנשטיין בתחילת שנות ה-1980, זה היה התרופה שלהם לפרדיגמת "החומר האפל" הפופולרית. עבורם, החומר האפל היה בורג מיותר ומגושם לקוסמולוגיה, שאם הוא אמיתי, אומר ש-80% מהחומר בקוסמוס אינו נראה.

ב-40 השנים שחלפו מאז הומצא, ההישגים של MOND ממשיכים להיות בצל על ידי רומן האהבה של הקוסמולוגיה עם החומר האפל. MOND גם התקשה להסביר תופעות בקנה מידה גדול וקטן יותר מגלקסיות בודדות. אז האם MOND הוא משהו שאנחנו צריכים לקחת ברצינות אחרי הכל?

עקומות סקרניות

הסיפור שלנו מתחיל בסוף שנות ה-1960, ובשנות ה-1970, האסטרונומים האמריקאים ורה רובין וקנט פורד הבינו שכוכבים בפאתי הגלקסיות סובבים במהירות כמו כוכבים קרובים למרכז, בניגוד לכאורה לחוקי התנועה המסלולית של יוהנס קפלר. . הם המחישו זאת בעקומות הסיבוב של הגלקסיות, בעצם רק גרף של מהירות מסלול מול רדיוס מהמרכז. במקום להראות שיפוע שלילי, הגרפים היו קו שטוח. איפשהו, היה כוח משיכה נוסף שמשך את הכוכבים החיצוניים האלה מסביב.

חומר אפל - צורה בלתי נראית של חומר כל כך שופעת שזה יהיה כוח הכבידה הדומיננטי ביקום - היה הפתרון הפופולרי. כיום, מושג החומר האפל שזור באופן אינטימי במודל הקוסמולוגיה הסטנדרטי שלנו והוא טבוע בהבנתנו כיצד נוצר מבנה ביקום.

התמונה שחומר אפל יוצר היא מסודרת, אבל לא מספיק מסודרת עבור קהילה קטנה של פיזיקאים ואסטרונומים שהתנערו מהקוסמולוגיה של החומר האפל ואימצו במקום זאת את MOND. למעשה, יש להם שפע של ראיות למקרה שלהם. בשנת 2016 סטייסי מקגו מאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב מדד את עקומות הסיבוב של 153 גלקסיות (פיז. הכומר לט. 117 201101) וגילו, בדיוק חסר תקדים, שעקומות הסיבוב שלהם מוסברות על ידי MOND, ללא צורך להיעזר בהילה של חומר אפל סביב כל גלקסיה. בכך הוא הצדיק את תחזיתו של מילגרום.

"הייתי טוען ש-MOND מסביר את הדברים האלה טוב יותר מחומר אפל, והסיבה לכך היא כוח הניבוי שלו", אומר מקגו - חוקר חומר אפל לשעבר שכיום הוא תומך של MOND, בעקבות התגלות שראתה אותו מחליף צד. הוא מתכוון לעובדה שאם אתה יודע את המסה הנראית (כל הכוכבים והגזים שלה) של גלקסיה, אז על ידי יישום MOND אתה יכול לחשב מה עומדות להיות מהירויות הסיבוב. בפרדיגמת החומר האפל, אתה לא יכול לחזות את המהירויות על סמך נוכחות החומר האפל. במקום זאת, עליך למדוד את עקומת הסיבוב של הגלקסיה כדי להסיק כמה חומר אפל קיים. מקגאו טוען שזהו נימוק מעגלי, ולא הוכחה לחומר אפל.

כיצד לשנות את כוח הכבידה

שינוי חוקי הכבידה עשוי להיות חרדה לפיסיקאים רבים - זה כוחם של ניוטון ואיינשטיין - אבל זה לא דבר כל כך מוזר לעשות. אחרי הכל, אנחנו חיים ביקום מסתורי, מלא בחידות מדעיות. מהי האנרגיה האפלה האחראית להאצת התפשטות היקום? מדוע יש מתח במדידות שונות של קצב ההתפשטות של היקום? כיצד נוצרות גלקסיות כל כך מהר ביקום המוקדם, כפי שהעיד ה- האבל ו טלסקופי חלל של ג'יימס ווב? חוקרים מסתכלים יותר ויותר על תיאוריות כבידה מתוקנות כדי לספק את התשובות, אך לא כל מודל הכבידה המשתנה שווים.

מה שכל תיאוריה של כוח משיכה שונה, כולל MOND, חייבת לעשות הוא להסביר מדוע היא נשארת מוסתרת מאיתנו בסקאלות יומיומיות, רק נכנסת לפעולה בתנאים מסוימים

טסה בייקר, קוסמולוגית וגורו כבידה שונה באוניברסיטת פורטסמות' בבריטניה, בנתה את הקריירה שלה על בדיקת חוקי הכבידה וחיפוש אחר שינויים, במקרה שלה כדי לנסות להסביר את האנרגיה האפלה. "MOND, שהיא דוגמה אחת לתיאוריית כבידה מתוקנת, יוצאת דופן בכך שהיא תיאוריה שמנסה להחליף את החומר האפל", מסביר בייקר. "רוב התיאוריות של כוח משיכה שונה לא עושות את זה."

מה שכל תיאוריה של כוח משיכה שונה, כולל MOND, חייבת לעשות הוא להסביר מדוע היא נשארת מוסתרת מאיתנו בסקאלות יומיומיות, רק נכנסת לפעולה בתנאים מסוימים. פיזיקאים מכנים את הנקודה שבה המעבר הזה מתרחש כ"הקרנה", והכל בעיה של קנה מידה.

"החלק המסובך הוא, איך אתה מסתיר את השינוי בסולמות שבהם אנחנו יודעים שתורת היחסות הכללית עובדת טוב מאוד?" שואל בייקר. המקום המובן מאליו להתחיל בו עשוי להיות לשקול אם כוח הכבידה משתנה בסולם מרחק, כך שבמערכת השמש שלנו כוח הכבידה דועך עם כלל הריבוע ההפוך, אבל בסולם של צבירי גלקסיות הוא פוחת בקצב שונה. "באופן קטגורי זה לא עובד", אומר מקגו, ומוסיף כי ישנם סולמות אחרים שכן עובדים.

לדוגמה, תיאוריה אחת של כוח משיכה שונה שאיתה בייקר עובד - המכונה f(R) כוח משיכה – מכליל את תורת היחסות הכללית של איינשטיין. תַחַת f(R), כוח הכבידה מפעיל את אפקט האנרגיה האפלה באזורים בחלל שבהם צפיפות החומר הופכת נמוכה מספיק, כמו חללים קוסמיים. עבור MOND, קנה המידה של מנגנון ההקרנה הוא האצה. להלן תאוצת כבידה אופיינית המכונה a₀ - שזה בערך 0.1 ננומטר לשנייה בריבוע - כוח הכבידה פועל אחרת.

במקום לעקוב אחר כלל הריבוע ההפוך, בתאוצות למטה a₀ כוח הכבידה יורד לאט יותר, בהיפוך המרחק. אז משהו שמסתובב במסלול פי ארבעה מהמרחק ירגיש רבע מכוח הכבידה, לא 16. תאוצות הכבידה הנמוכות הנחוצות לכך הן בדיוק אלו שחווים כוכבים בפאתי הגלקסיות. "אז MOND מפעיל את השינויים האלה בתאוצות נמוכות באותה צורה f(R) כוח הכבידה מפעיל את השינויים שלו בצפיפות נמוכה", מסביר בייקר.

קונפליקט ומחלוקת

MOND מצטיין עבור גלקסיות בודדות, אבל תלוי עם מי אתה מדבר, זה אולי לא מצליח כל כך בסביבות אחרות. וכישלון אחד בפרט כבר הפך את אחד התומכים הנלהבים של MOND נגד התיאוריה.

מעבדה אידיאלית לבדיקת MOND היא מעבדה שבה לא ניתן היה לצפות שחומר אפל יהיה נוכח בכמות גדולה, כלומר כל חריגות כבידה צריכות להגיע רק מחוקי הכבידה עצמם. מערכות כוכבים בינאריות רחבות הן סביבה כזו המורכבת מזוגות כוכבים שהם 500 AU או יותר בנפרד (היכן שנמצאת יחידה אסטרונומית אחת או AU המרחק הממוצע בין כדור הארץ לשמש). בהפרדות ענקיות כאלה, שדה הכבידה שחש כל כוכב חלש.

הודות ל משימת החלל האסטרומטרית של סוכנות החלל האירופית גאיה, צוותים של חוקרי MOND הצליחו כעת למדוד את התנועות של קבצים בינאריים רחבים בחיפוש אחר עדויות ל- MOND. התוצאות היו שנויות במחלוקת וסותרות, במונחים של הישרדותו של MOND כתיאוריה תקפה.

צוות אחד, בראשות קיו-היון צ'ה מאוניברסיטת סג'ונג בסיאול, ביצע ניתוח ממצה של 26,500 קבצים בינאריים רחבים ומצא תנועות מסלול התואמות את התחזיות של MOND (ApJ 952 128). זה נתמך על ידי עבודה מוקדמת יותר של חאווייר הרננדז מהאוניברסיטה הלאומית האוטונומה דה מקסיקו, אשר בירך עד כמה התוצאה של צ'אי הייתה "מרגשת". אבל לא כולם משוכנעים.

באוניברסיטת סנט אנדרוז בבריטניה, אינדרניל בניק עבד על פרויקט משלו בן שש שנים למדידת MOND בבינאריים רחבים. הוא פרסם את תוכניותיו לפני ביצוע המדידות שלו, הקפיד להקדיש זמן לדבר עם מומחים אחרים ולקבל משוב, כוונון עדין של השיטה שלו כך שכולם יוכלו להסכים. בניק ציפה לחלוטין שהתוצאות שלו יראו ש-MOND אמיתי. "ברור שציפיתי שתרחיש MOND יעבוד", הוא אומר. "אז זו אכן הייתה הפתעה גדולה מאוד כשזה לא קרה."

במאמר שפורסם בסוף 2023 באניק לא מצא סטייה מכוח הכבידה הניוטוני הסטנדרטי כלל (הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה 10.1093/mnras/stad3393). התוצאות היו מכת פטיש כל כך עבורו שזה הרעיד את עולמו של בניק, והוא הכריז בפומבי ש-MOND טעה - מה שתפס אותו קצת. עם זאת, מדוע התוצאות שלו צריכות להיות שונות כל כך מצ'ה והרננדס? "בוודאי, הם עדיין טוענים שיש שם משהו", אומר בניק. עם זאת, הוא סקפטי לגבי התוצאות שלהם, ומצטט הבדלים באופן שבו הם התמודדו עם אי ודאות במדידות שלהם.

נקודות המחלוקת הללו הן טכניות ביותר, כך שאולי אין זו הפתעה מוחלטת שהתקבלו פרשנויות שונות. ואכן, לאנשים מבחוץ קשה לדעת מי צודק ומי לא. "קשה מאוד לדעת איך לשפוט את זה", מודה מקגו. "אני אפילו לא מרגיש כשיר לגמרי לשפוט על הסולמות האלה, ואני הרבה יותר כשיר מרוב האנשים!"

זה לא רק בינאריים רחבים שבהם בניק רואה את MOND נכשל. הוא גם מצטט את המקרה של מערכת השמש שלנו. אחד העקרונות המרכזיים של MOND הוא תופעת "אפקט השדה החיצוני", לפיו שדה הכבידה הכולל של גלקסיית שביל החלב מסוגל להטביע את עצמו על מערכות קטנות יותר, כמו מערכת השמש שלנו. עלינו לראות את ההחתמה הזו, במיוחד על מסלולי כוכבי הלכת החיצוניים. מחפש את האפקט הזה באמצעות נתוני מעקב רדיו מ חללית קאסיני של נאס"א, שהקיף את שבתאי בין 2004 ל-2017, לא מצא עדות להשפעת השדה החיצוני על מסלולו של שבתאי.

"אנשים מתחילים להבין שאין דרך ליישב את MOND עם אי זיהוי ההשפעות בנתוני Cassini וש-MOND לא יעבוד בקנה מידה מתחת לשנת אור", אומר בניק. אם בניק צודק, אז זה משאיר את MOND במקום רע מאוד - אבל זה לא שדה הקרב היחיד שבו נלחמת המלחמה של MOND נגד החומר האפל.

חידות אשכול

בשנת 2006 נאס"א פרסמה א תמונה מרהיבה של שני צבירי גלקסיות מתנגשים, המכונים בצורתם המשולבת בשם צביר הכדורים. טלסקופ החלל האבל סיפק תצוגות ברזולוציה גבוהה של מקום הימצאות הגלקסיות, בעוד שתצפיות קרני רנטגן של הגז החם בין הגלקסיות הללו הגיעו ממצפה הכוכבים של צ'אנדרה. בהתבסס על מיקומי הגלקסיות והגז, כמו גם מידת העדשות הכבידה כחומר בחלל הכפוף של הצביר, הצליחו מדענים לחשב את מיקומו של החומר האפל בצביר.

"נטען ש-Ballet Cluster אישר את קיומו של חומר אפל, ששימש כדי לטעון חזק נגד MOND", אומר פאבל קרופה, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת בון. "ובכן, מסתבר שהמצב הוא בדיוק הפוך".

קרופה אכזרי בהתלהבותו מ-MOND, ושם את מטרתו לחקור אותו בקנה המידה הגדול ביותר של מבנה אפשרי - צבירי גלקסיות בקנה מידה גדול. על הכוונת שלו נמצא לא פחות מהמודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה, המכונה בשפה הרווחת "למבדה-CDM" או ΛCDM (Λ מתייחס לקבוע הקוסמולוגי, או למרכיב האנרגיה האפלה של היקום, ו-CDM הוא חומר אפל קר).

<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="רֵאשִׁיתִי התרשמות של אמן ESA כיצד היקום המוקדם מאוד (בן פחות מאלף מיליון שנה) עשוי היה להיראות כאשר עבר התפרצות פתאומית של היווצרות כוכבים. (באדיבות: A Schaller/STScI)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/1/2024/cosmic-combat-delving-into-the- קרב-בין-חומר אפל-ו-משונה-כבידה-physics-world-02.jpg”>

דבר אחד, קרופה מאמין שצבירי גלקסיות ענקיים כאלה לא צריכים להתקיים אפילו, לא משנה היה להם זמן להתנגש, בהיסט לאדום גבוה. ΛCDM טוען שמבנים צריכים לצמוח לאט, ו-Kroupa טוען שזה יהיה איטי מדי למה שהטלסקופים שלנו מראים לנו: גלקסיות מסיביות וצבירים ענקיים ביקום המוקדם. יותר רלוונטי, הדינמיקה של התנגשויות האשכולות עצמן היא שנותנת לקרופה תקווה. בפרט, ΛCDM צופה כי המהירויות של הגלקסיות הנופלות לתוך באר הכבידה של הצביר המשולבת אמורות להיות נמוכות בהרבה ממה שנצפה.

"התנגשויות של אשכולות גלקסיות נמצאות בחוסר הסכמה מוחלטת עם ΛCDM בעוד שהן בהסכמה טבעית למדי עם MOND", אומר Kroupa. למרות ההתלהבות של קרופה, מקגו לא כל כך בטוח. למעשה, הוא חושב שצבירי גלקסיות הם בעיה אמיתית הן עבור ΛCDM והן עבור MOND.

"זה בלגן," הוא מודה. "עבור חומר אפל, מהירויות ההתנגשות גבוהות מדי. אנשי חומר אפל הלכו הלוך ושוב, מתווכחים האם המהירויות מהירות מדי, או לא? עבור MOND, זה שצבירי גלקסיות מראים אי התאמה המונית גם לאחר החלת MOND. אשכולות מדאיגים אותי כי אני פשוט לא רואה דרך טובה לצאת מזה".

תיאוריה של הכל?

אפשר להתווכח על אשכולות ובינאריים רחבים עד אינסוף עד שצד אחד או אחר יודה בתבוסה. אבל אולי הביקורת החמורה ביותר שנמתחה על MOND הייתה היעדר הגלוי שלו במודל קוסמולוגי בר-ביצוע. הכל טוב ויפה לנסות להחליף את החומר האפל בכוח הכבידה המשתנה בגלקסיות, אבל כדי שהתיאוריה תצליח בסופו של דבר היא חייבת להסביר את כל מה שחומר אפל יכול ועוד. זה אומר שהוא צריך להיות מתחרה של ΛCDM בהסבר מה שאנחנו רואים ב- רקע מיקרוגל קוסמי (CMB) - קרינת המיקרוגל הקדמונית שממלאת את היקום.

ה-CMB מאופיין לעתים קרובות כ"כדור האש של המפץ הגדול", אבל זה יותר מזה. מוטבעים עליו בצורה של שינויים עדינים בטמפרטורה מ-379,000 שנים בלבד לאחר המפץ הגדול, מה שאנו מכנים אניזוטרופיות, התואמות לאזורים בעלי צפיפות מעט גבוהה יותר או נמוכה יותר שנוצרו על ידי גלים אקוסטיים שהדהדו דרך הפלזמה הקדמונית. אלו הם זרעי היווצרות המבנה ביקום. מהזרעים הללו צמח "הרשת הקוסמית" - רשת של חוטי חומר שלאורכם צומחות גלקסיות, ובמקום שבו נפגשות החוטים, צבירי גלקסיות גדולים.

MOND הומצא כדי להסביר את עקומות סיבוב הגלקסיות על ידי ריפוד על ניוטון, לא על איינשטיין. לקח לבקנשטיין עוד 20 שנה להמציא מודל רלטיביסטי של MOND שניתן ליישם על הקוסמולוגיה המודרנית. הוא נקרא כוח הכבידה Tensor–Vector–Scalar (TeVeS), והתברר שהוא לא פופולרי, מתקשה להסביר את גודל הפסגה האקוסטית השלישית באניזוטרופיות שבמודל הסטנדרטי מיוחסת לחומר אפל, כמו גם מגבלות במודל עדשות כבידה וגלי כבידה. .

אנשים רבים חשבו שהבעיה של מודל רלטיביסטי של MOND הייתה כל כך קשה שזה לא אפשרי. ואז, בשנת 2021 קונסטנטינוס סקורדיס ו טום זלוזניק מהאקדמיה הצ'כית למדעים הוכיחו שכולם טועים. במודל שלהם, הצמד הציגו שדות וקטורים וסקלרים משנים את כוח המשיכה הפועלים ביקום המוקדם כדי ליצור אפקטים כבידה המחקים חומר אפל, לפני שהתפתחו עם הזמן כדי להידמות לתיאוריית MOND הרגילה ביקום המודרני (פיז. הכומר לט. 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="פאזל שמיים משימת פלאנק מיפה את רקע המיקרוגל הקוסמי. הפרשנות המקובלת של הנתונים היא שהיקום מכיל כ-4.9% חומר רגיל, 26.8% חומר אפל ו-68.3% אנרגיה אפלה. תיאוריית MOND לא הצליחה בתחילה להסביר את וריאציות הטמפרטורה שהתגלו במשימות כמו פלאנק. בשנת 2021 יצרו קונסטנטינוס סקורדיס וטום זלוזניק מודל בהשראת MOND התואם את נתוני פלאנק בדיוק כמו מודלים של חומר אפל. (באדיבות: ESA and the Planck Collaboration)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -קרב-בין-חומר-אפל-ו-גרביטציה-משונה-physics-world-4.jpg”>

בהתחשב בהיסטוריה המייסרת של הניסיון לפתח מודל רלטיביסטי של MOND, מקגו מאמין שזהו "הישג יוצא דופן" להיות מסוגל לכתוב תיאוריה כזו שאכן מתאימה לרקע המיקרוגל. הדגם של סקורדיס וזלו'ניק אינו מושלם. כמו TeVeS, הוא מתקשה להסביר את כמות עדשות הכבידה שאנו צופים ביקום. בניק גם מדגיש קשיים במודל, ואמר כי "הוא נכנס לקושי בכך שהוא לא מספק הסבר טוב לצבירי גלקסיות".

בייקר מהדהד את החששות הללו. "אמנם זה היה צעד טוב קדימה עבור MOND להיות מסוגל לעשות את זה," הוא אומר, "אני לא חושב שזה היה מספיק כדי להחזיר את MOND למיינסטרים. הסיבה לכך היא ש[Skordis ו-Złośnik] הוסיפו לזה הרבה שדות נוספים, הרבה פעמונים ושריקות, וזה ממש מאבד אלגנטיות. זה עובד עם CMB, אבל זה נראה מאוד לא טבעי".

אולי אנחנו שמים משקל מיותר על כתפי הדוגמנית. אפשר לראות בזה רק התחלה, הוכחה לקונספט. "אם זו התיאוריה הסופית, או אפילו בדרך הנכונה, אני לא יודע", אומר מקגו. "אבל אנשים אמרו שזה לא יכול להיעשות, ומה שסקורדיס וזלו'ניק הראו זה שאפשר לעשות, וזה צעד חשוב קדימה".

MOND ממשיך לרתק, לתסכל ולטפח זלזול מתלמידי החומר האפל. יש עוד דרך ארוכה לעבור עד שהקהילה המדעית תחשב שהיא יריבה במשקל כבד ל- ΛCDM, והיא ללא ספק נפגעת מכך שעובדים עליה מעט יחסית, כלומר ההתקדמות איטית.

אבל אין להתעלם מההצלחות שזכתה לתיאוריה הזו, אומר מקגו. אם שום דבר אחר, זה אמור לשמור על אסטרונומים לעבוד עם מודל החומר האפל המיינסטרים על בהונותיהם.

• בחלק השני של הסדרה בת שלושה חלקים של קית' קופר, הוא יחקור כמה מההצלחות האחרונות של החומר האפל ואת האתגרים הרציניים שהוא גם מתמודד איתם

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/