Kosmisk kamp: dykk inn i kampen mellom mørk materie og modifisert gravitasjon – Physics World

Tenk om du med en gang, med en liten justering av tyngdelovene, kunne vifte bort behovet for all mørk materie i universet. Du vil kvitte deg med en irriterende partikkel som bare antas å eksistere og som så langt har trosset oppdagelsen. I stedet ville du erstatte den med en elegant teori som modifiserer det grunnleggende arbeidet til Isaac Newton og Albert Einstein.

Det er i hvert fall drømmen om modifisert newtonsk dynamikk, eller MOND. Utviklet av en israelsk fysiker Mordehai Milgrom og meksikansk-født amerikansk-israelsk teoretiker Jacob Bekenstein på begynnelsen av 1980-tallet var det deres motgift mot det populære «mørk materie»-paradigmet. For dem var mørk materie en unødvendig og klønete bolt-on til kosmologi som, hvis ekte, betyr at 80% av materien i kosmos er usynlig.

I løpet av de 40 årene siden det ble utviklet, fortsetter MONDs prestasjoner å bli overskygget av kosmologiens kjærlighetsforhold til mørk materie. MOND har også slitt med å forklare fenomener i skalaer større og mindre enn individuelle galakser. Så er MOND noe vi tross alt bør ta på alvor?

Nysgjerrige kurver

Historien vår starter på slutten av 1960-tallet, og inn på 1970-tallet innså de amerikanske astronomene Vera Rubin og Kent Ford at stjerner i utkanten av galakser kretset like raskt som stjerner nær sentrum, tilsynelatende i strid med Johannes Keplers lover om banebevegelse. . De illustrerte dette i galaksenes rotasjonskurver, i hovedsak bare en graf over banehastighet kontra radius fra sentrum. I stedet for å vise en negativ helning, var grafene en flat linje. Et sted var det litt ekstra tyngdekraft som trakk de ytre stjernene rundt.

Mørk materie – en usett form for materie som er så rikelig at den ville være den dominerende gravitasjonskraften i universet – var den populære løsningen. I dag er begrepet mørk materie tett sammenvevd i vår standardmodell for kosmologi og er iboende i vår forståelse av hvordan strukturen i universet dannes.

Bildet som mørk materie danner er ryddig, men ikke helt ryddig nok for et lite samfunn av fysikere og astronomer som har unngått mørk materie kosmologi og adoptert MOND i stedet. Faktisk har de rikelig med bevis for sin sak. I 2016 Stacy McGaugh fra Case Western Reserve University målte rotasjonskurvene til 153 galakser (Phys. Pastor Lett. 117 201101) og fant, med en enestående nøyaktighet, at rotasjonskurvene deres er forklart av MOND, uten å måtte ty til en glorie av mørk materie rundt hver galakse. Ved å gjøre det rettferdiggjorde han Milgroms spådom.

"Jeg vil påstå at MOND forklarer disse tingene bedre enn mørk materie, og grunnen til det er dens prediktive kraft," sier McGaugh - en tidligere mørk materie-forsker som nå er en MOND-forkjemper, etter en åpenbaring som så ham bytte side. Han sikter til det faktum at hvis du kjenner den synlige massen (alle dens stjerner og gasser) til en galakse, så kan du ved å bruke MOND beregne hva rotasjonshastighetene kommer til å bli. I mørk materie paradigmet kan du ikke forutsi hastighetene basert på tilstedeværelsen av mørk materie. I stedet må du måle galaksens rotasjonskurve for å utlede hvor mye mørk materie som er tilstede. McGaugh hevder at det er sirkulær resonnement, og ikke bevis på mørk materie.

Hvordan endre tyngdekraften

Å modifisere tyngdelovene kan være en forbannelse for mange fysikere – slik er kraften til Newton og Einstein – men det er ikke en så merkelig ting å gjøre. Vi lever tross alt i et mystisk univers, fylt med vitenskapelige gåter. Hva er den mørke energien som er ansvarlig for akselerasjonen av universets utvidelse? Hvorfor er det en spenning i forskjellige målinger av universets ekspansjonshastighet? Hvordan dannes galakser så raskt i det tidlige universet, som vitne til av Hubble og James Webb-romteleskoper? Forskere ser i økende grad på modifisert gravitasjonsteorier for å gi svarene, men ikke alle modifiserte gravitasjonsmodeller er like.

Hva enhver teori om modifisert tyngdekraft, inkludert MOND, må gjøre er å forklare hvorfor den forblir skjult for oss på hverdagsskalaer, bare i gang under visse forhold

Tessa Baker, en kosmolog og modifisert gravitasjonsguru ved University of Portsmouth i Storbritannia, har bygget sin karriere på å teste gravitasjonslovene og lete etter modifikasjoner, i hennes tilfelle for å prøve å forklare mørk energi. "MOND, som er ett eksempel på en modifisert gravitasjonsteori, er uvanlig ved at det er en teori som prøver å erstatte mørk materie," forklarer Baker. "De fleste teorier om modifisert gravitasjon gjør ikke det."

Hva enhver teori om modifisert tyngdekraft, inkludert MOND, må gjøre er å forklare hvorfor den forblir skjult for oss på hverdagsskalaer, bare i gang under visse forhold. Fysikere kaller punktet der denne overgangen skjer som "screening", og det hele er et skalaproblem.

"Den vanskelige delen er, hvordan skjuler du modifikasjonen på skalaer der vi vet at generell relativitet fungerer veldig bra?" spør Baker. Det åpenbare stedet å starte kan være å vurdere om tyngdekraften varierer på en avstandsskala, så i vårt solsystem forsvinner tyngdekraften med den omvendte kvadratiske regelen, men på skalaen til galaksehoper avtar den med en annen hastighet. "Dette fungerer kategorisk sett ikke," sier McGaugh, og legger til at det er andre skalaer som fungerer.

For eksempel en teori om modifisert gravitasjon som Baker jobber med – kjent som f(R) gravitasjon – generaliserer Einsteins generelle relativitetsteori. Under f(R), slår tyngdekraften på mørk-energi-effekten i områder av rommet hvor tettheten av materie blir lav nok, for eksempel i kosmiske tomrom. For MOND er skalaen til screeningsmekanismen akselerasjon. Nedenfor en karakteristisk gravitasjonsakselerasjon referert til som a₀ – som er omtrent 0.1 nanometer per sekund i kvadrat – tyngdekraften fungerer annerledes.

I stedet for å følge invers-kvadrat-regelen, ved akselerasjoner under a₀ tyngdekraften avtar saktere, i motsatt retning av avstand. Så noe som går i bane rundt fire ganger avstanden vil føle en fjerdedel av tyngdekraften, ikke en 16. De lave gravitasjonsakselerasjonene som er nødvendige for dette, er akkurat de som oppleves av stjerner i utkanten av galakser. "Så MOND slår på disse modifikasjonene ved lave akselerasjoner på samme måte som f(R) tyngdekraften slår på modifikasjonene ved lave tettheter,” forklarer Baker.

Konflikt og kontrovers

MOND utmerker seg for individuelle galakser, men avhengig av hvem du snakker med, er det kanskje ikke så bra i andre miljøer. Og spesielt én feil har allerede vendt en av MONDs mest trofaste støttespillere mot teorien.

Et ideelt laboratorium for å teste MOND er et hvor mørk materie ikke forventes å være tilstede i store mengder, noe som betyr at gravitasjonsavvik bare burde komme fra selve tyngdelovene. Brede binære stjernesystemer er et slikt miljø som består av par stjerner som er 500 AU eller mer fra hverandre (der én astronomisk enhet eller AU er gjennomsnittlig avstand mellom jorden og solen). Ved slike enorme separasjoner er gravitasjonsfeltet som føles av hver stjerne svakt.

Takket være European Space Agencys Gaia astrometriske romoppdrag, har team av MOND-forskere nå vært i stand til å måle bevegelsene til brede binære filer på jakt etter bevis på MOND. Resultatene har vært kontroversielle og motstridende, når det gjelder overlevelsen av MOND som en gyldig teori.

Ett lag, ledet av Kyu-Hyun Chae fra Sejong University i Seoul, utførte en uttømmende analyse av 26,500 XNUMX brede binære filer og fant orbitale bevegelser som samsvarte med spådommene til MOND (APJ 952 128). Dette ble støttet av tidligere arbeid fra Xavier Hernandez fra Universidad Nacional Autónoma de México, som hyllet hvor "spennende" Chaes resultat var. Men ikke alle er overbevist.

Ved University of St Andrews i Storbritannia, Indranil Banik jobbet med sitt eget seksårige prosjekt for å måle MOND i brede binærer. Han hadde publisert planene sine før målingene, sørget for å ta seg tid til å snakke med andre eksperter og få tilbakemeldinger, finjustert metoden slik at alle kunne være enige. Banik forventet fullt ut at resultatene hans skulle vise at MOND var ekte. "Jeg forventet åpenbart at MOND-scenariet skulle fungere," sier han. "Så det var virkelig en veldig stor overraskelse når det ikke gjorde det."

I en artikkel publisert i slutten av 2023 fant Banik ingen avvik fra standard Newtonsk gravitasjon i det hele tatt (Månedlige kunngjøringer fra Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Resultatene var et slikt hammerslag for ham at det rystet Baniks verden, og han erklærte offentlig at MOND tok feil – noe som fikk ham til å flakse. Hvorfor skulle resultatene hans være så forskjellige fra Chae og Hernandez? "Selvfølgelig hevder de fortsatt at det er noe der," sier Banik. Han er imidlertid skeptisk til resultatene deres, og siterer forskjeller i hvordan de håndterte usikkerheter i målingene.

Disse stridspunktene er svært tekniske, så det er kanskje ikke en total overraskelse at man har kommet frem til ulike tolkninger. For utenforstående er det faktisk vanskelig å vite hvem som har rett og hvem som ikke har det. "Det er veldig vanskelig å vite hvordan man skal bedømme dette," innrømmer McGaugh. "Jeg føler meg ikke engang helt kvalifisert til å dømme på de skalaene, og jeg er mye mer kvalifisert enn folk flest!"

Det er ikke bare brede binære filer der Banik ser at MOND svikter. Han siterer også tilfellet med vårt eget solsystem. En av de sentrale prinsippene til MOND er fenomenet "eksterne felteffekten", der det generelle gravitasjonsfeltet til Melkeveisgalaksen er i stand til å prege seg selv på mindre systemer, som vårt solsystem. Vi bør se dette avtrykket, spesielt på banene til de ytre planetene. Søker etter denne effekten gjennom radiosporingsdata fra NASAs romfartøy Cassini, som gikk i bane rundt Saturn mellom 2004 og 2017, har ikke funnet bevis for den eksterne felteffekten på Saturns bane.

"Folk begynner å innse at det ikke er noen måte å forene MOND med ikke-deteksjon av effekter i Cassini-dataene, og at MOND ikke vil fungere på skalaer under et lysår," sier Banik. Hvis Banik har rett, etterlater det MOND på et veldig dårlig sted – men det er ikke den eneste slagmarken der MONDs krig mot mørk materie utkjempes.

Cluster gåter

I 2006 ga NASA ut en spektakulært bilde av to kolliderende klynger av galakser, referert til i deres kombinerte form som Bullet Cluster. Hubble-romteleskopet ga høyoppløselig utsikt over hvor galaksene befinner seg, mens røntgenobservasjoner av den varme gassen mellom disse galaksene kom fra Chandra X-ray Observatory. Basert på plasseringen av galaksene og gassen, samt graden av gravitasjonslinsing som materie i klyngen bøyd plass, var forskere i stand til å beregne plasseringen av mørk materie i klyngen.

"Det ble hevdet at Bullet Cluster bekreftet eksistensen av mørk materie, som har blitt brukt til å argumentere sterkt mot MOND," sier Pavel Kroupa, en astrofysiker ved universitetet i Bonn. "Vel, det viser seg at situasjonen er stikk motsatt."

Kroupa er grusom i sin entusiasme for MOND, og ​​har siktet seg inn på å utforske den på den største skalaen av struktur som mulig – storskala galaksehoper. I trådkorset hans er intet mindre enn standardmodellen for kosmologi, kjent i daglig tale som "lambda-CDM" eller ΛCDM (Λ refererer til den kosmologiske konstanten, eller den mørke energikomponenten i universet, og CDM er kald mørk materie).

<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="primordial En ESA-kunstner sitt inntrykk av hvordan det veldig tidlige universet (mindre enn 1 tusen millioner år gammelt) kan ha sett ut da det gikk gjennom et brå utbrudd av stjernedannelse. (Courtesy: A Schaller/STScI)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- kamp-mellom-mørk-materie-og-modifisert-tyngdekraft-fysikk-verden-3.jpg”>

For det første mener Kroupa at slike enorme galaksehoper ikke en gang burde eksistere, aldri tankene har hatt tid til å kollidere, ved høye rødforskyvninger. ΛCDM hevder at strukturer bør vokse sakte, og Kroupa hevder at det ville være for sakte for det teleskopene våre viser oss: massive galakser og enorme klynger i det tidlige universet. Mer relevant er det dynamikken i selve klyngekollisjonene som gir Kroupa håp. Spesielt spår ΛCDM at hastighetene til galaksene som faller inn i den kombinerte klyngens gravitasjonsbrønn bør være mye lavere enn det som er observert.

"Galaxy cluster kollisjoner er i fullstendig uenighet med ΛCDM, mens de er i ganske naturlig enighet med MOND," sier Kroupa. Til tross for Kroupas entusiasme, er ikke McGaugh så sikker. Faktisk tror han galaksehoper er et reelt problem for både ΛCDM og MOND.

"Det er et rot," innrømmer han. "For mørk materie er kollisjonshastighetene altfor høye. Mennesker med mørk materie har gått frem og tilbake og kranglet om hastighetene er for høye eller ikke? For MOND er det at galaksehoper viser et masseavvik selv etter at du har brukt MOND. Klynger bekymrer meg fordi jeg ikke ser noen fin vei ut av det.»

En teori om alt?

Klynger og brede binære filer kan diskuteres ad infinitum til den ene eller den andre siden innrømmer tap. Men kanskje den mest alvorlige kritikken mot MOND har vært dens direkte mangel på en brukbar kosmologisk modell. Det er vel og bra å prøve å erstatte mørk materie med modifisert gravitasjon i galakser, men for at teorien til slutt skal lykkes, må den forklare alt mørk materie kan og mer. Dette betyr at det må være en rival til ΛCDM når det gjelder å forklare hva vi ser i kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn (CMB) - den opprinnelige mikrobølgestrålingen som fyller universet.

CMB blir ofte karakterisert som "the big bangs ildkule", men det er mer enn det. Påtrykt den i form av subtile temperaturvariasjoner fra bare 379,000 XNUMX år etter Big Bang er det vi kaller anisotropier, tilsvarende områder med litt høyere eller lavere tetthet dannet av akustiske bølger som gjenlyder gjennom det opprinnelige plasmaet. Dette er frøene til strukturdannelse i universet. Fra disse frøene vokste det "kosmiske nettet" - et nettverk av filamenter av materie som galakser vokser langs, og der filamentene møtes, store galaksehoper.

MOND ble utviklet for å forklare galaksens rotasjonskurver ved å riffe på Newton, ikke Einstein. Det tok ytterligere 20 år for Bekenstein å komme opp med en relativistisk modell av MOND som kunne brukes på moderne kosmologi. Kalt Tensor–Vector–Scalar (TeVeS) gravitasjon, viste den seg upopulær, og slet med å forklare størrelsen på den tredje akustiske toppen i anisotropiene som i standardmodellen kan tilskrives mørk materie, samt begrensninger i modellering av gravitasjonslinser og gravitasjonsbølger .

Mange trodde at problemet med en relativistisk modell av MOND var så vanskelig at det ikke var mulig. Så, i 2021 Constantinos Skordis og Tom Złośnik fra det tsjekkiske vitenskapsakademiet beviste at alle tok feil. I modellen deres introduserte duoen gravitasjonsmodifiserende vektor- og skalarfelt som opererer i det tidlige universet for å skape gravitasjonseffekter som etterligner mørk materie, før de over tid utviklet seg til å ligne den vanlige MOND-teorien i det moderne universet (Phys. Pastor 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="Himmelpuslespill Planck-oppdraget kartla den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Den allment aksepterte tolkningen av dataene er at universet består av rundt 4.9 % vanlig materie, 26.8 % mørk materie og 68.3 % mørk energi. MOND-teorien var i utgangspunktet ikke i stand til å forklare temperaturvariasjonene som ble avslørt av oppdrag som Planck. I 2021 skapte Constantinos Skordis og Tom Złośnik en MOND-inspirert modell som matcher Planck-dataene like godt som mørk materie-modeller. (Courtesy: ESA and the Planck Collaboration)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -kamp-mellom-mørk-materie-og-modifisert-tyngdekraft-fysikk-verden-4.jpg”>

Gitt den pinefulle historien om å prøve å utvikle en relativistisk modell av MOND, mener McGaugh det er en "bemerkelsesverdig prestasjon" å kunne skrive ned en slik teori som passer til mikrobølgebakgrunnen. Modellen Skordis og Złośnik er ikke perfekt. I likhet med TeVeS, sliter den med å forklare mengden gravitasjonslinser vi observerer i universet. Banik fremhever også vanskeligheter i modellen, og sier at "den kom i vanskeligheter ved at den ikke gir en god forklaring på galaksehoper".

Baker gjenspeiler disse bekymringene. "Selv om det var et godt skritt fremover for MOND å kunne gjøre det," sier han, "tror jeg ikke det var nok til å bringe MOND tilbake til mainstream. Årsaken er at [Skordis og Złośnik] har lagt til mange ekstra felt til den, mange bjeller og fløyter, og den mister virkelig eleganse. Det fungerer med CMB, men det virker veldig unaturlig.»

Kanskje legger vi unødig vekt på modellens skuldre. Det kan sees på som bare en begynnelse, et proof of concept. "Om dette er den endelige teorien, eller til og med på rett vei, vet jeg ikke," sier McGaugh. "Men folk har sagt at det ikke kan gjøres, og det Skordis og Złośnik har vist er at det kan gjøres, og det er et viktig skritt fremover."

MOND fortsetter å fascinere, frustrere og fremme forakt fra mørk materies disipler. Det er fortsatt en lang vei å gå før det vitenskapelige miljøet anser det som en tungvektsrival til ΛCDM, og det er absolutt hemmet av at det er relativt få mennesker som jobber med det, noe som betyr at fremgangen går sakte.

Men suksessene som denne oppkomlingsteorien har hatt, bør ikke ignoreres, sier McGaugh. Om ikke annet, bør det holde astronomene til å jobbe med den vanlige modellen av mørk materie på tærne.

• I del to av Keith Coopers tredelte serie vil han utforske noen av mørk materies nylige suksesser og de alvorlige utfordringene den også står overfor

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/