宇宙の戦闘: 暗黒物質と修正された重力の間の戦いを掘り下げる – Physics World

重力の法則を少し調整するだけで、宇宙のすべての暗黒物質の必要性が一気になくなるとしたら、想像してみてください。存在すると推測されるだけで、これまで発見できなかった厄介な粒子を取り除くことになります。代わりに、アイザック ニュートンとアルバート アインシュタインの基本的な研究を修正する洗練された理論に置き換えることになります。

少なくとも、それが修正ニュートン力学 (MOND) の夢です。イスラエルの物理学者が開発 モルデハイ・ミルグロム メキシコ生まれのアメリカ系イスラエル人の理論家 ヤコブ・ベッケンシュタイン 1980 年代初頭、それは人気のある「暗黒物質」パラダイムに対する彼らの解毒剤でした。彼らにとって、暗黒物質は宇宙論にとって不必要で不器用なボルトオンであり、もし本物であれば、宇宙の物質の 80% は目に見えないことを意味します。

考案されてから 40 年間、MOND の成果は宇宙論の暗黒物質との関係によって影が薄くなり続けています。 MOND はまた、個々の銀河よりも大きなスケールや小さなスケールでの現象を説明するのにも苦労してきました。結局のところ、MONDは私たちが真剣に受け止めるべきものなのでしょうか？

奇妙な曲線

私たちの物語は 1960 年代後半に始まり、1970 年代にかけて、米国の天文学者ベラ ルービンとケント フォードは、ヨハネス ケプラーの軌道運動の法則に明らかに反抗し、銀河の外れにある星が中心に近い星と同じくらいの速さで公転していることに気づきました。 。彼らはこれを銀河の回転曲線で示しましたが、これは本質的には軌道速度と中心からの半径のグラフに過ぎません。グラフは負の傾きを示すのではなく、平坦な線でした。どこかに、外側の星を引っ張る余分な重力がありました。

ダークマター（宇宙の支配的な重力となるほど豊富に存在する目に見えない物質）が、一般的な解決策でした。今日、暗黒物質の概念は私たちの宇宙論の標準モデルに密接に絡み合っており、宇宙の構造がどのように形成されるのかについての私たちの理解に本質的に組み込まれています。

暗黒物質が形成するという全体像はきちんとしていますが、暗黒物質宇宙論を避け、代わりに MOND を採用した物理学者や天文学者の小さなコミュニティにとっては十分にきちんとしたものではありません。実際、彼らは自分たちの事件について豊富な証拠を持っています。 2016年 ケースウェスタンリザーブ大学のステイシー・マクゴー 153個の銀河の回転曲線を測定した（Phys。 牧師レット。 117 201101) そして、前例のない精度で、各銀河の周りの暗黒物質のハローに頼ることなく、その回転曲線が MOND によって説明できることを発見しました。そうすることで、彼はミルグロム氏の予測を正当化した。

「私は、MOND が暗黒物質よりもこれらのことをよりよく説明していると断言します。そして、その理由はその予測力にあるのです」と、元暗黒物質研究者で現在は MOND の支持者であるマクゴー氏は言う。彼は、銀河の目に見える質量 (すべての星とガス) がわかっていれば、MOND を適用することで回転速度がどのくらいになるかを計算できるという事実について言及しています。暗黒物質パラダイムでは、暗黒物質の存在に基づいて速度を予測することはできません。代わりに、どのくらいの量の暗黒物質が存在するかを推測するには、銀河の回転曲線を測定する必要があります。マクゴー氏は、これは循環論法であり、暗黒物質の証拠ではないと主張する。

重力を変更する方法

重力の法則を修正することは、多くの物理学者にとって忌まわしいことかもしれませんが、それはニュートンやアインシュタインの力です。しかし、それはそれほど突飛なことではありません。結局のところ、私たちは科学的な難題に満ちた神秘的な宇宙に住んでいます。宇宙膨張の加速の原因となる暗黒エネルギーは何ですか?宇宙の膨張率のさまざまな測定値に張力が存在するのはなぜですか?銀河はどのようにして宇宙初期にこれほど急速に形成されるのか。 ハッブル および ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡?研究者は、その答えを得るために修正重力理論に注目することが増えていますが、すべての修正重力モデルが同等であるわけではありません。

MONDを含むすべての修正重力理論がしなければならないことは、それが日常的なスケールでは私たちから隠され続け、特定の条件下でのみ機能する理由を説明することです

テッサ・ベイカー英国のポーツマス大学の宇宙学者で修正重力の第一人者である彼女は、重力の法則のテストと修正の探索でキャリアを築いており、彼女の場合は暗黒エネルギーの説明を試みています。 「修正重力理論の一例である MOND は、暗黒物質を置き換えようとする理論であるという点で珍しいです」とベイカー氏は説明します。 「修正重力理論の大部分はそれを行いません。」

MOND を含むすべての修正重力理論がしなければならないことは、それが日常的なスケールでは私たちから隠され、特定の条件下でのみ機能する理由を説明することです。物理学者は、この遷移が起こるポイントを「スクリーニング」と呼んでいますが、それはすべて規模の問題です。

「難しいのは、一般相対性理論が非常にうまく機能することがわかっているスケールでの変更をどのように隠すかということです。」ベイカー氏は尋ねる。明白な出発点は、重力が距離スケールで変化するかどうかを検討することかもしれません。つまり、私たちの太陽系では重力は逆二乗則に従って減衰しますが、銀河団のスケールでは異なる速度で減少します。 「これは明らかに機能しません」とマクゴー氏は言い、機能する体重計は他にもあると付け加えた。

たとえば、Baker が取り組んでいる修正重力理論の 1 つとして知られています。 f(R） 重力 – アインシュタインの一般相対性理論を一般化します。下 f(R)、宇宙の空隙など、物質の密度が十分に低くなる空間領域では、重力によって暗黒エネルギー効果がオンになります。 MOND の場合、スクリーニング メカニズムのスケールは加速です。特徴的な重力加速度の下では、 a₀ – これは 0.1 秒あたり約 XNUMX ナノメートルの XNUMX 乗に相当します – 重力の作用は異なります。

以下の加速度では、逆二乗則に従うのではなく、 a₀ 重力は距離に反比例して、よりゆっくりと減少します。したがって、距離の 16 倍を周回しているものは重力を XNUMX 分の XNUMX ではなく XNUMX 分の XNUMX に感じることになります。これに必要な低い重力加速度は、まさに銀河の郊外にある星が経験するものです。 「つまり、MOND は、低加速時にこれらの変更をオンにするのと同じ方法で、 f(R）重力により、低密度での変更がオンになります」とベイカー氏は説明します。

対立と論争

MOND は個々の銀河に対しては優れていますが、話す相手によっては、他の環境ではうまく機能しない可能性があります。そして、特に 1 つの失敗により、すでに MOND の最も熱心な支持者の 1 人がこの理論に反対するようになりました。

MOND をテストする理想的な実験室は、暗黒物質が大量に存在すると予想されない場所です。つまり、重力異常はすべて重力の法則そのものから生じるはずです。広い連星系は、500 天文単位以上の星のペアで構成される環境の XNUMX つです。 離れて (1 天文単位または AU は 地球と太陽の間の平均距離）。このように大きく離れている場合、各星が感じる重力場は弱くなります。

おかげ 欧州宇宙機関のガイア天文宇宙ミッション, MONDの研究チームは、MONDの証拠を求めてワイド連星の動きを測定できるようになりました。 MOND が有効な理論として存続するかどうかという点で、その結果は物議を醸し、矛盾しています。

あるチームが率いる ソウル世宗大学のキュヒョン・チェ、26,500 個のワイドバイナリの徹底的な解析を実行し、MOND の予測と一致する軌道運動を発見しました (ＡＰＪ 952 128）。これは、チェの結果がいかに「刺激的」だったかを賞賛したメキシコ国立自治大学のザビエル・エルナンデスの以前の研究によって裏付けられている。しかし、誰もが納得しているわけではありません。

イギリスのセント・アンドリュース大学では、 インドラニル・バニク 彼は、ワイド バイナリで MOND を測定するための 6 年間にわたる独自のプロジェクトに取り組んでいました。彼は測定を行う前に計画を発表し、他の専門家と話し合ってフィードバックを得るための時間を確保し、全員が同意できるように方法を微調整しました。バニク氏は、MOND が本物であることを示す結果が得られると完全に期待していました。 「私は明らかに MOND シナリオが機能すると予想していました」と彼は言います。 「ですから、そうでなかったときは本当に大きな驚きでした。」

2023 年後半に発表された論文で、バニクは標準ニュートン重力からの逸脱がまったくないことを発見しました (王立天文学会の毎月の通知 10.1093/mnras/stad3393）。その結果はバニクの世界を揺るがすほど彼にとって大きな打撃であり、彼はMONDが間違っていると公に宣言し、それが彼を多少の非難を浴びせた。しかし、なぜ彼の結果はチェやヘルナンデスとは大きく異なるのでしょうか? 「確かに、彼らはまだそこに何かがあると主張しています」とバニクは言う。しかし、同氏は、測定の不確実性への対処方法に違いがあるとして、その結果には懐疑的である。

これらの論点は高度に専門的なものであるため、異なる解釈に到達したことはおそらくまったく驚くべきことではありません。確かに、部外者にとって、誰が正しくて誰が間違っているかを知ることは困難です。 「これをどう判断するかは非常に難しいです」とマクゴー氏は認める。 「私にはそのような尺度で判断する資格があるとはさえ思えませんが、私には他の人よりもはるかに資格があります。」

Banik 氏が MOND が失敗していると考えているのは、ワイド バイナリだけではありません。彼はまた、私たち自身の太陽系の例にも言及しています。 MOND の中心的な教義の 1 つは、「外部場効果」の現象です。これにより、天の川銀河の重力場全体が、太陽系などのより小さな系にそれ自体を刻み込むことができます。この痕跡は、特に外惑星の軌道上で見られるはずです。からの無線追跡データを通じてこの効果を検索 NASAのカッシーニ宇宙船は、2004年から2017年にかけて土星を周回しましたが、土星の軌道に対する外部場の影響の証拠は見つかりませんでした。

「人々は、MONDとカッシーニのデータで影響が検出されなかったことを調和させる方法はなく、MONDは光年以下のスケールでは機能しないことに気づき始めています」とバニク氏は言う。バニクの説が正しければ、MOND は非常に悪い状況に置かれることになるが、MOND と暗黒物質の戦いが行われている戦場はそこだけではない。

クラスターの難問

2006 年に NASA は 2 つの銀河団が衝突する壮観な画像。結合した形で弾丸銀河団と呼ばれる。ハッブル宇宙望遠鏡は銀河の所在に関する高解像度のビューを提供し、チャンドラ X 線天文台ではこれらの銀河間の高温ガスの X 線観測が行われました。銀河とガスの位置、および銀河団の曲がった空間内の物質としての重力レンズの度合いに基づいて、科学者たちは銀河団内の暗黒物質の位置を計算することができました。

「バレット・クラスターは暗黒物質の存在を確認したと主張されており、それはMONDに対する強い反論に利用されてきた」と述べている。 パベル・クルパ ボン大学の天体物理学者。 「まあ、状況はまったく逆であることがわかりました。」

クルパ氏は MOND に対する猛烈な熱意を持っており、可能な限り最大規模の構造、つまり大規模銀河団での探査に照準を合わせています。彼の照準には、口語的に「ラムダ CDM」または ΛCDM として知られる宇宙論の標準モデルに他なりません (Λ は宇宙定数、または宇宙の暗黒エネルギー成分を指し、CDM は冷たい暗黒物質を指します)。

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まず、クルパ氏は、このような巨大な銀河団は、赤方偏移が高いところでは、衝突する暇さえなかったとしても、存在するべきではないと考えている。 ΛCDM は、構造はゆっくりと成長するはずだと主張し、Kroupa は、望遠鏡が私たちに示しているもの、つまり初期宇宙の巨大な銀河や巨大な星団に対してそれは遅すぎるだろうと主張しています。もっと適切に言えば、クルパに希望を与えるのは、クラスター衝突そのもののダイナミクスだ。特に、ΛCDM は、結合銀河団の重力井戸に落ち込む銀河の速度が観測されている速度よりもはるかに遅いはずだと予測しています。

「銀河団の衝突はΛCDMとは完全に一致しないが、MONDとはかなり自然に一致する」とクルパ氏は言う。クルパ氏の熱意にもかかわらず、マクゴー氏は自信がありません。実際、彼は銀河団が ΛCDM と MOND の両方にとって本当の問題であると考えています。

「めちゃくちゃだ」と彼は認めた。 「暗黒物質の場合、衝突速度が非常に速すぎます。ダークマター関係者たちは、速度が速すぎるのか、そうでないのかを主張して行ったり来たりしてきた。 MOND の場合は、MOND を適用した後でも銀河団が質量の不一致を示すということです。クラスターが私を心配しているのは、そこから抜け出す良い方法が見つからないからです。」

万物理論？

クラスターとワイドバイナリについて議論できる 無 どちらかが負けを認めるまで。しかしおそらく、MONDに向けられた最も深刻な批判は、実行可能な宇宙論モデルが完全に欠如していることだろう。暗黒物質を銀河の修正された重力に置き換えようとするのは良いことですが、理論が最終的に成功するには、暗黒物質ができることすべて、そしてそれ以上を説明する必要があります。これは、私たちが見ているものを説明するには、ΛCDM のライバルである必要があることを意味します。 宇宙マイクロ波背景 (CMB) – 宇宙を満たす原初のマイクロ波放射。

CMB はよく「ビッグバンの火の玉」として特徴付けられますが、それだけではありません。ビッグバンからわずか 379,000 万 XNUMX 年後に、微妙な温度変化の形でその表面に刻み込まれたのは、原始プラズマを通して反響した音波によって形成されたわずかに高いまたは低い密度の領域に対応する異方性と呼ばれるものです。これらは宇宙の構造形成の種です。これらの種子から「宇宙の網」が成長しました。これは、それに沿って銀河が成長し、フィラメントが出会う場所で大きな銀河団が形成される物質のフィラメントのネットワークです。

MOND は、アインシュタインではなくニュートンをリフして銀河の回転曲線を説明するために考案されました。ベケンシュタインが現代の宇宙論に適用できる MOND の相対論的モデルを思いつくまでにはさらに 20 年かかりました。テンソル - ベクトル - スカラー (TeVeS) 重力と呼ばれるこの理論は、標準モデルでは暗黒物質に起因する異方性の XNUMX 番目の音響ピークのサイズを説明するのに苦労し、重力レンズと重力波のモデル化の限界もあり、不人気であることが判明しました。 。

MOND の相対論的モデルの問題は非常に難しくて不可能だと多くの人が考えていました。そして、2021年には コンスタンティノス・スコルディス および トム・ズウォシニク チェコ科学アカデミーの教授らは、誰もが間違っていたことを証明した。彼らのモデルでは、二人は重力を変更するベクトル場とスカラー場を導入しました。これらは、初期の宇宙で動作して暗黒物質を模倣する重力効果を生み出し、その後時間の経過とともに現代の宇宙における通常の MOND 理論に似たものに進化しました。Phys。 牧師レット。 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="スカイパズル プランクのミッションは、宇宙マイクロ波背景放射をマッピングしました。データの広く受け入れられている解釈は、宇宙の約 4.9% が通常物質、26.8% が暗黒物質、そして 68.3% が暗黒エネルギーであるというものです。 MOND 理論は当初、プランクなどのミッションによって明らかになった温度変動を説明できませんでした。 2021年、コンスタンティノス・スコルディスとトム・ズウォシニクは、暗黒物質モデルと同様にプランクのデータと一致するMONDにインスピレーションを得たモデルを作成した。 (提供: ESA とプランクのコラボレーション)" title="クリックするとポップアップで画像が開きます" href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -暗黒物質と修正重力物理世界-4の間の戦い.jpg”>

MOND の相対論的モデルを開発しようとした苦難の歴史を考えると、マイクロ波の背景に適合するこのような理論を書き留めることができるのは「驚くべき成果」であるとマクゴー氏は信じています。スコルディスとズウォシニクのモデルは完璧ではありません。 TeVeS と同様に、宇宙で観察される重力レンズの量を説明するのに苦労しています。バニク氏はまた、このモデルの問題点を強調し、「銀河団について適切な説明が得られないという点で困難に陥った」と述べた。

ベイカー氏もこうした懸念に同調する。 「それができるようになったのはMONDにとって良い前進でしたが、MONDを主流に戻すには十分ではなかったと思います。」と彼は言います。その理由は、[Skordis と Złośnik] が多くの追加フィールドや付加機能を追加したため、エレガントさが完全に失われているためです。 CMB では機能しますが、非常に不自然に見えます。」

おそらく私たちはモデルの肩に過度の負担をかけているのでしょう。これは単なる始まり、概念実証とみなすこともできます。 「これが最終的な理論なのか、それとも正しい道を進んでいるのか、私にはわかりません」とマクゴー氏は言う。 「しかし、人々はそれは不可能だと言い続けてきた。そしてスコルディスとズウォシニクがそれは可能であることを示した。それは重要な前進だ。」

MOND はダークマターの弟子たちを魅了し、挫折させ、軽蔑を助長し続けています。科学界がこれを ΛCDM の強力なライバルとみなすまでにはまだ長い道のりがあり、それに取り組んでいる人が比較的少ないことが確実に妨げとなっており、進歩が遅いことを意味しています。

しかし、この成り上がり理論がもたらした成功は無視されるべきではないとマクゴー氏は言う。少なくとも、天文学者は主流の暗黒物質モデルに気を配って研究し続けるはずだ。

• キース・クーパーの 3 部構成シリーズの第 2 部では、ダークマターの最近の成功と、ダークマターが直面している深刻な課題について探ります。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/