우주 전투: 암흑 물질과 변형된 중력 사이의 전투 탐구 – Physics World

중력의 법칙을 조금만 조정하여 단번에 우주의 모든 암흑 물질에 대한 필요성을 없앨 수 있다고 상상해 보십시오. 존재한다고 추론만 했고 지금까지 발견되지 않았던 성가신 입자를 제거할 수 있습니다. 대신, 아이작 뉴턴(Isaak Newton)과 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 근본적인 연구를 수정하는 우아한 이론으로 대체할 것입니다.

적어도 그것은 수정된 뉴턴 역학, 즉 MOND의 꿈입니다. 이스라엘 물리학자가 개발 모르데하이 밀그롬 멕시코 태생의 미국-이스라엘 이론가 제이콥 베켄슈타인 1980년대 초, 그것은 대중적인 "암흑 물질" 패러다임에 대한 해독제였습니다. 그들에게 암흑물질은 우주론에 불필요하고 서툴게 결합된 존재였으며, 만약 실제로 존재한다면 우주에 있는 물질의 80%는 눈에 보이지 않는다는 뜻이었습니다.

그것이 고안된 지 40년 동안, MOND의 업적은 암흑 물질에 대한 우주론의 애정으로 인해 계속해서 가려졌습니다. MOND는 또한 개별 은하계보다 크고 작은 규모의 현상을 설명하는 데 어려움을 겪었습니다. 그렇다면 MOND는 결국 우리가 진지하게 받아들여야 하는 것일까요?

흥미로운 곡선

우리의 이야기는 1960년대 후반부터 시작되어 1970년대까지 미국 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)과 켄트 포드(Kent Ford)는 요하네스 케플러(Johannes Kepler)의 궤도 운동 법칙에 명백히 어긋나는 은하 외곽의 별들이 중심에 가까운 별들만큼 빠른 속도로 공전하고 있다는 것을 깨달았습니다. . 그들은 이것을 은하의 회전 곡선으로 설명했는데, 본질적으로 중심으로부터의 반경 대 궤도 속도의 그래프일 뿐입니다. 그래프는 음의 기울기를 나타내기보다는 평평한 선으로 나타났습니다. 어딘가에 바깥쪽 별들을 끌어당기는 추가적인 중력이 있었습니다.

너무 풍부해서 우주에서 지배적인 중력이 될 수 있는 보이지 않는 형태의 물질인 암흑 물질이 대중적인 해결책이었습니다. 오늘날 암흑 물질의 개념은 우주론의 표준 모델과 밀접하게 얽혀 있으며 우주 구조가 어떻게 형성되는지에 대한 우리의 이해에 내재되어 있습니다.

암흑 물질이 형성하는 그림은 깔끔하지만, 암흑 물질 우주론을 피하고 대신 MOND를 채택한 소규모 물리학자와 천문학자 커뮤니티에는 충분하지 않습니다. 사실 그들은 자신들의 사건에 대한 풍부한 증거를 가지고 있습니다. 2016년 Case Western Reserve University의 스테이시 맥고(Stacy McGaugh) 153개 은하의 회전 곡선을 측정했습니다(물리. Lett. 117 201101) 그리고 전례 없는 정확성으로 각 은하 주변의 암흑 물질 후광에 의지할 필요 없이 그들의 회전 곡선이 MOND에 의해 설명된다는 사실을 발견했습니다. 그렇게 함으로써 그는 밀그롬의 예측을 정당화했습니다.

"저는 MOND가 암흑 물질보다 이러한 현상을 더 잘 설명한다고 주장합니다. 그 이유는 예측력 때문입니다."라고 전직 암흑물질 연구자였으며 현재 MOND 지지자가 된 McGaugh는 그가 입장을 바꾸는 깨달음을 얻은 후 말했습니다. 그는 은하의 눈에 보이는 질량(모든 별과 가스)을 알고 있다면 MOND를 적용하여 회전 속도가 어떻게 될지 계산할 수 있다는 사실을 언급하고 있습니다. 암흑물질 패러다임에서는 암흑물질의 존재 여부에 따라 속도를 예측할 수 없습니다. 대신, 암흑 물질이 얼마나 존재하는지 추론하려면 은하의 회전 곡선을 측정해야 합니다. McGaugh는 이것이 암흑 물질의 증거가 아니라 순환적 추론이라고 주장합니다.

중력을 수정하는 방법

중력의 법칙을 수정하는 것은 많은 물리학자들에게 혐오스러운 일이 될 수 있지만(뉴턴과 아인슈타인의 힘도 마찬가지입니다), 그렇게 이상한 일은 아닙니다. 결국 우리는 과학적 수수께끼로 가득 찬 신비한 우주에 살고 있습니다. 우주 팽창을 가속시키는 원인이 되는 암흑에너지는 무엇인가? 우주의 팽창률을 측정하는 방법에 차이가 있는 이유는 무엇입니까? 관측된 것처럼 초기 우주에서 은하계는 어떻게 그렇게 빨리 형성되었는가? 허블 및 제임스 웹 우주 망원경? 연구자들은 답을 제공하기 위해 점점 더 수정된 중력 이론을 찾고 있지만 모든 수정된 중력 모델이 동일한 것은 아닙니다.

MOND를 포함하여 모든 수정 중력 이론이 해야 할 일은 왜 그것이 일상적인 규모에서는 우리에게 숨겨져 있고 특정 조건에서만 작동하는지 설명하는 것입니다.

테사 베이커영국 포츠머스 대학의 우주론자이자 수정 중력 전문가인 는 중력 법칙을 테스트하고 수정 중력을 찾는 분야에서 경력을 쌓았습니다. 그녀의 경우에는 암흑 에너지를 설명하려고 노력했습니다. 베이커는 “수정 중력 이론의 한 예인 몬드(MOND)는 암흑 물질을 대체하려는 이론이라는 점에서 특이하다”고 설명했다. "수정 중력 이론의 대부분은 그렇게 하지 않습니다."

MOND를 포함하여 수정 중력에 관한 모든 이론이 해야 할 일은 그것이 일상적인 규모에서는 우리에게 숨겨져 있고 특정 조건에서만 작동하는 이유를 설명하는 것입니다. 물리학자들은 이러한 전환이 일어나는 지점을 "스크리닝"이라고 부르는데, 이는 모두 규모의 문제입니다.

"까다로운 부분은 일반 상대성이론이 잘 작동하는 척도에서 수정 사항을 어떻게 숨길 수 있느냐는 것입니다." 베이커에게 묻습니다. 시작해야 할 분명한 곳은 중력이 거리 규모에 따라 달라지는지 여부를 고려하는 것입니다. 따라서 우리 태양계에서는 중력이 역제곱 법칙에 따라 사라지지만 은하단 규모에서는 중력이 다른 속도로 감소합니다. McGaugh는 “이것은 확실히 작동하지 않습니다.”라고 말하면서 작동하는 다른 척도가 있다고 덧붙였습니다.

예를 들어, Baker가 연구하는 수정 중력 이론 중 하나는 다음과 같습니다. f(R) 중력 – 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 일반화합니다. 아래에 f(R), 중력은 우주 공극과 같이 물질의 밀도가 충분히 낮아지는 공간 영역에서 암흑 에너지 효과를 켭니다. MOND의 경우 심사 메커니즘의 규모는 가속입니다. 다음과 같은 특징적인 중력 가속도 아래 a₀ – 이는 초당 약 0.1나노미터의 제곱입니다 – 중력은 다르게 작동합니다.

역제곱법칙을 따르기보다 이하의 가속도에서는 a₀ 중력은 거리에 반비례하여 더 천천히 떨어집니다. 따라서 16배의 거리에서 공전하는 물체는 XNUMX분의 XNUMX이 아닌 XNUMX분의 XNUMX의 중력을 느끼게 됩니다. 이를 위해 필요한 낮은 중력 가속도는 은하 외곽에 있는 별이 경험하는 것과 정확히 같습니다. “그래서 MOND는 낮은 가속도에서도 이러한 수정을 활성화합니다. f(R) 중력은 낮은 밀도에서 변형을 켭니다.”라고 Baker는 설명합니다.

갈등과 논쟁

MOND는 개별 은하계에 탁월하지만, 누구와 대화하느냐에 따라 다른 환경에서는 그다지 잘 작동하지 않을 수도 있습니다. 그리고 특히 한 가지 실패로 인해 이미 MOND의 가장 확고한 지지자 중 한 명이 이론에 반대하게 되었습니다.

MOND를 테스트할 이상적인 실험실은 암흑 물질이 대량으로 존재할 것으로 예상되지 않는 실험실입니다. 즉, 중력 이상 현상은 중력 법칙 자체에서 비롯되어야 합니다. 넓은 쌍성계는 500AU 이상의 별 쌍으로 구성된 환경 중 하나입니다. 떨어져 있습니다(여기서 하나의 천문 단위 또는 AU는 지구와 태양 사이의 평균 거리). 이렇게 큰 간격으로 떨어져 있으면 각 별이 느끼는 중력장은 약합니다.

덕분에 유럽 ​​우주국(European Space Agency)의 가이아(Gaia) 천문 우주 임무, MOND 연구원 팀은 이제 MOND의 증거를 찾기 위해 넓은 쌍성의 움직임을 측정할 수 있게 되었습니다. 그 결과는 MOND가 유효한 이론으로 생존한다는 점에서 논란의 여지가 있고 상충되었습니다.

한 팀이 이끄는 서울 세종대학교 채규현 교수, 26,500개의 와이드 바이너리에 대한 철저한 분석을 수행하여 MOND의 예측과 일치하는 궤도 운동을 발견했습니다.APJ 952 128). 이는 Universidad Nacional Autónoma de México의 Xavier Hernandez의 초기 연구에 의해 뒷받침되었으며, Chae의 결과가 얼마나 "흥미로운지"를 칭찬했습니다. 그러나 모든 사람이 확신하는 것은 아닙니다.

영국 세인트앤드루스대학교에서는 인드라닐 바닉 그는 넓은 바이너리로 MOND를 측정하기 위한 6년 프로젝트를 진행하고 있었습니다. 그는 측정을 하기 전에 자신의 계획을 발표했고, 시간을 내어 다른 전문가와 대화하고 피드백을 받았으며, 모든 사람이 동의할 수 있도록 방법을 미세 조정했습니다. Banik은 그의 결과가 MOND가 진짜라는 것을 보여줄 것이라고 완전히 기대했습니다. “나는 분명히 MOND 시나리오가 성공할 것이라고 예상했습니다.”라고 그는 말합니다. "그래서 그렇지 않았을 때 그것은 실제로 매우 큰 놀라움이었습니다."

2023년 후반에 발표된 논문에서 Banik은 표준 뉴턴 중력에서 전혀 벗어나지 않음을 발견했습니다(왕립 천문 학회 월간 고지 10.1093/mnras/stad3393). 그 결과는 그에게 너무나 큰 타격을 주어 Banik의 세계를 뒤흔들었고, 그는 공개적으로 MOND가 틀렸다고 선언했습니다. 이는 그에게 약간의 비난을 받았습니다. 그런데 왜 그의 결과가 채채나 에르난데스와 그토록 달라야 하는가? "확실히 그들은 여전히 ​​거기에 뭔가가 있다고 주장하고 있습니다"라고 Banik은 말합니다. 그러나 그는 측정의 불확실성을 처리하는 방법의 차이를 언급하며 결과에 회의적입니다.

이러한 논쟁점은 고도로 기술적인 것이므로 서로 다른 해석이 나온 것은 전혀 놀라운 일이 아닐 것입니다. 사실, 외부인에게는 누가 옳고 누가 그른지 알기가 어렵습니다. McGaugh는 “이것을 판단하는 방법을 아는 것은 매우 어렵습니다.”라고 인정합니다. "저는 그런 기준으로 판단할 자격이 전혀 없다고 생각해요. 그리고 대부분의 사람들보다 훨씬 더 자격이 있어요!"

Banik이 MOND의 실패를 보는 것은 와이드 바이너리만이 아닙니다. 그는 또한 우리 태양계의 사례를 인용합니다. MOND의 중심 교리 중 하나는 은하계의 전체 중력장이 우리 태양계와 같은 더 작은 시스템에 각인될 수 있는 "외부 전계 효과" 현상입니다. 우리는 특히 외부 행성의 궤도에서 이러한 흔적을 볼 수 있어야 합니다. 의 무선 추적 데이터를 통해 이 효과를 검색합니다. NASA의 카시니 우주선2004년부터 2017년 사이에 토성 궤도를 돌았던 는 토성 궤도에 대한 외부 전계 효과에 대한 증거를 찾지 못했습니다.

Banik은 "사람들은 MOND와 카시니 데이터의 효과를 감지하지 못하는 것을 조화시킬 방법이 없으며 MOND가 1광년 미만의 규모에서는 작동하지 않을 것이라는 점을 깨닫기 시작했습니다."라고 말했습니다. Banik이 옳다면 MOND는 매우 나쁜 위치에 놓이게 됩니다. 그러나 MOND가 암흑 물질에 맞서 전쟁을 벌이는 유일한 전장은 아닙니다.

클러스터 난제

2006년 NASA에서 발표한 총탄 성단(Bullet Cluster)이라고 불리는 두 개의 충돌하는 은하단의 장엄한 이미지. 허블 우주 망원경은 은하계의 위치에 대한 고해상도 뷰를 제공했으며, 두 은하 사이의 뜨거운 가스에 대한 X선 관측은 찬드라 X선 관측소에서 나왔습니다. 은하단과 가스의 위치, 그리고 은하단 굴곡 공간의 물질로서의 중력 렌즈 정도를 기반으로 과학자들은 은하단 내 암흑 물질의 위치를 ​​계산할 수 있었습니다.

“총알 클러스터가 암흑 물질의 존재를 확인했다는 주장이 제기됐고, 이는 그동안 MOND를 강하게 반대하는 데 이용됐다”고 말했다. 파벨 크루파, 본 대학교의 천체물리학자. "음, 상황은 정반대인 것으로 밝혀졌습니다."

Kroupa는 MOND에 대한 그의 열정이 맹렬하며 가능한 가장 큰 규모의 구조, 즉 대규모 은하단을 탐구하는 데 목표를 두었습니다. 그의 십자선에는 구어체로 "lambda-CDM" 또는 ΛCDM(Λ는 우주 상수 또는 우주의 암흑 에너지 구성 요소를 나타내며 CDM은 차가운 암흑 물질)로 알려진 우주론의 표준 모델이 있습니다.

<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="원시 아주 초기 우주(1억 년 미만)가 갑작스러운 별 형성 폭발을 겪었을 때 어떤 모습이었을지에 대한 ESA 예술가의 인상. (제공: A Schaller/STScI)” title=”팝업에서 이미지를 열려면 클릭하세요” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- 암흑물질과 수정된 중력물리-세계-3.jpg 사이의 전투.jpg”>

우선, Kroupa는 그러한 거대한 은하단이 존재해서는 안 된다고 믿고 있으며, 높은 적색편이에서 충돌할 시간이 있었다는 사실도 염두에 두지 않았습니다. ΛCDM은 구조가 천천히 성장해야 한다고 가정하고 Kroupa는 망원경이 우리에게 보여주는 초기 우주의 거대한 은하와 거대한 성단에 비해 너무 느릴 것이라고 주장합니다. 더 적절하게, Kroupa에게 희망을 주는 것은 클러스터 충돌 자체의 역학입니다. 특히, ΛCDM은 결합된 성단의 중력 우물에 떨어지는 은하의 속도가 관찰된 것보다 훨씬 낮아야 한다고 예측합니다.

Kroupa는 “은하단 충돌은 ΛCDM과 완전히 일치하지 않는 반면 MOND와는 다소 자연스럽게 일치합니다.”라고 말합니다. Kroupa의 열정에도 불구하고 McGaugh는 확신하지 못합니다. 실제로 그는 은하단이 ΛCDM과 MOND 모두에게 실제 문제라고 생각합니다.

"그것은 엉망이다"라고 그는 인정한다. “암흑물질의 경우 충돌 속도가 너무 높습니다. 암흑 물질 사람들은 속도가 너무 빠르지 않습니까? MOND의 경우 MOND를 적용한 후에도 은하단의 질량 불일치가 나타난다는 것입니다. 클러스터는 좋은 해결책이 보이지 않기 때문에 걱정됩니다.”

모든 것에 대한 이론?

클러스터 및 와이드 바이너리에 대한 논의가 가능합니다. 무한히 한쪽이 패배를 인정할 때까지. 그러나 아마도 MOND가 제기한 가장 심각한 비판은 실행 가능한 우주 모델이 완전히 부족하다는 점일 것입니다. 은하계에서 암흑물질을 수정된 중력으로 대체하려는 노력은 모두 훌륭하지만, 이론이 궁극적으로 성공하려면 암흑물질이 할 수 있는 모든 것, 그 이상을 설명해야 합니다. 이는 우리가 보고 있는 내용을 설명하는 데 있어 ΛCDM과 경쟁해야 함을 의미합니다. 우주 전자 레인지 배경 (CMB) – 우주를 가득 채우는 원시 마이크로파 방사선입니다.

CMB는 종종 "빅뱅의 불덩어리"로 특징지어지지만, 그 이상입니다. 빅뱅 이후 불과 379,000년 후의 미묘한 온도 변화 형태로 우리가 이방성이라고 부르는 것이 각인되어 있는데, 이는 원시 플라즈마를 통해 반향된 음파에 의해 형성된 약간 높거나 낮은 밀도 영역에 해당합니다. 이것이 우주의 구조 형성의 씨앗입니다. 이 씨앗에서 은하가 성장하는 물질 필라멘트 네트워크와 필라멘트가 만나는 곳에서 큰 은하단이 되는 "우주 거미줄"이 자랐습니다.

MOND는 아인슈타인이 아닌 뉴턴을 인용하여 은하 회전 곡선을 설명하기 위해 고안되었습니다. 베켄슈타인이 현대 우주론에 적용할 수 있는 MOND의 상대론적 모델을 생각해 내는 데는 또 다른 20년이 걸렸습니다. Tensor-Vector-Scalar(TeVeS) 중력이라고 불리는 이 중력은 표준 모델에서 암흑 물질로 인해 발생하는 이방성의 세 번째 음향 피크 크기와 중력 렌즈 및 중력파 모델링의 한계를 설명하는 데 어려움을 겪으면서 인기가 없는 것으로 판명되었습니다. .

많은 사람들은 MOND의 상대론적 모델의 문제가 너무 어려워서 불가능하다고 생각했습니다. 그러다가 2021년에 콘스탄티노스 스코르디스 및 톰 즈워시닉 체코 과학 아카데미의 연구진은 모두가 틀렸다는 것을 증명했습니다. 그들의 모델에서 듀오는 초기 우주에서 작동하여 암흑 물질을 모방하는 중력 효과를 생성하는 중력 수정 벡터 및 스칼라 필드를 도입한 후 시간이 지남에 따라 현대 우주의 일반적인 MOND 이론과 유사하게 진화했습니다.물리. 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="스카이 퍼즐 플랑크 임무는 우주 마이크로파 배경을 매핑했습니다. 이 데이터에 대해 널리 받아들여지는 해석은 우주가 약 4.9%의 일반 물질, 26.8%의 암흑 물질, 68.3%의 암흑 에너지로 구성되어 있다는 것입니다. MOND 이론은 처음에는 플랑크와 같은 임무에서 밝혀진 온도 변화를 설명할 수 없었습니다. 2021년에 Constantinos Skordis와 Tom Złośnik은 암흑 물질 모델뿐만 아니라 플랑크 데이터와도 일치하는 MOND에서 영감을 받은 모델을 만들었습니다. (제공: ESA 및 플랑크 협업)” title=”팝업에서 이미지를 열려면 클릭” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -암흑물질과 수정된 중력물리-세계-4.jpg 사이의 전투.jpg”>

MOND의 상대론적 모델을 개발하려고 노력한 고통스러운 역사를 고려할 때 McGaugh는 마이크로파 배경에 맞는 그러한 이론을 작성할 수 있는 것이 "놀라운 성과"라고 믿습니다. Skordis와 Złośnik 모델은 완벽하지 않습니다. TeVeS와 마찬가지로 우리가 우주에서 관찰하는 중력 렌즈의 양을 설명하는 데 어려움을 겪습니다. 바닉 역시 “은하단에 대해 좋은 설명을 제공하지 못한다는 점에서 어려움을 겪었다”며 모델의 어려움을 강조했다.

베이커는 이러한 우려를 반영합니다. “MOND가 그렇게 할 수 있다는 것은 좋은 진전이었지만, MOND를 다시 주류로 끌어들이기에는 충분하지 않았다고 생각합니다. 그 이유는 [Skordis 및 Złośnik]가 여기에 많은 추가 필드와 추가 기능을 추가했기 때문에 우아함이 정말 사라졌기 때문입니다. CMB와 함께 작동하지만 매우 부자연스러워 보입니다.”

아마도 우리는 모델의 어깨에 과도한 무게를 싣고 있는 것 같습니다. 이는 단지 시작, 개념 증명으로 볼 수 있습니다. McGaugh는 “이것이 최종 이론인지, 아니면 올바른 길을 가고 있는지는 모르겠습니다.”라고 말합니다. "하지만 사람들은 그것이 불가능하다고 말해왔습니다. Skordis와 Złośnik이 보여준 것은 그것이 가능하다는 것입니다. 이는 중요한 진전입니다."

MOND는 계속해서 암흑 물질의 제자들을 매료시키고, 좌절시키고, 경멸을 조장하고 있습니다. 과학계가 이를 ΛCDM의 강력한 경쟁자로 간주하려면 아직 갈 길이 멀고, 상대적으로 적은 수의 작업 인력으로 인해 진행 속도가 느려지는 것이 확실히 방해가 됩니다.

그러나 이 새로운 이론이 이룩한 성공은 무시되어서는 안 된다고 McGaugh는 말합니다. 적어도 천문학자들은 주류 암흑물질 모델을 계속 연구해야 합니다.

• Keith Cooper의 3부작 시리즈 중 2부에서는 암흑 물질의 최근 성공과 암흑 물질이 직면하고 있는 심각한 과제에 대해 알아봅니다.

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