Kosmiczna walka: zagłębienie się w walkę ciemnej materii ze zmodyfikowaną grawitacją – Świat Fizyki

Wyobraź sobie, że za jednym zamachem, z jedną drobną zmianą w prawach grawitacji, mógłbyś odrzucić potrzebę istnienia całej ciemnej materii we wszechświecie. Pozbyłbyś się nieznośnej cząstki, o istnieniu której można jedynie przypuszczać, a która jak dotąd nie została odkryta. Zamiast tego zastąpilibyście ją elegancką teorią, która modyfikuje podstawowe prace Izaaka Newtona i Alberta Einsteina.

Przynajmniej takie jest marzenie zmodyfikowanej dynamiki Newtona, czyli MOND. Opracowany przez izraelskiego fizyka Mordechaj Milgrom i urodzony w Meksyku teoretyk amerykańsko-izraelski Jakub Bekenstein na początku lat 1980. było to antidotum na popularny paradygmat „ciemnej materii”. Dla nich ciemna materia była niepotrzebnym i niezdarnym dodatkiem do kosmologii, co, jeśli jest prawdziwe, oznacza, że ​​80% materii w kosmosie jest niewidoczne.

W ciągu 40 lat od opracowania osiągnięcia MOND nadal pozostają w cieniu romansu kosmologii z ciemną materią. MOND miał także trudności z wyjaśnieniem zjawisk w skalach większych i mniejszych niż poszczególne galaktyki. Czy zatem MOND jest czymś, co powinniśmy w końcu traktować poważnie?

Ciekawe krzywe

Nasza historia zaczyna się pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku, a w latach siedemdziesiątych amerykańscy astronomowie Vera Rubin i Kent Ford zdali sobie sprawę, że gwiazdy na obrzeżach galaktyk krążą tak samo szybko, jak gwiazdy blisko centrum, najwyraźniej wbrew prawom ruchu orbitalnego Johannesa Keplera . Zilustrowali to na krzywych rotacji galaktyk, zasadniczo na wykresie prędkości orbitalnej w funkcji promienia od środka. Zamiast pokazywać nachylenie ujemne, wykresy przedstawiały linię płaską. Gdzieś istniała dodatkowa grawitacja, która przyciągała te zewnętrzne gwiazdy.

Popularnym rozwiązaniem była ciemna materia – niewidzialna forma materii tak liczna, że ​​stałaby się dominującą siłą grawitacyjną we wszechświecie. Obecnie koncepcja ciemnej materii jest ściśle powiązana z naszym standardowym modelem kosmologii i jest nieodłącznym elementem naszego zrozumienia, w jaki sposób formuje się struktura Wszechświata.

Obraz, jaki tworzy ciemna materia, jest ładny, ale nie wystarczająco schludny dla małej społeczności fizyków i astronomów, którzy odrzucili kosmologię ciemnej materii i zamiast tego przyjęli MOND. Tak naprawdę mają mnóstwo dowodów na swoją sprawę. W 2016 r Stacy McGaugh z Case Western Reserve University zmierzył krzywe rotacji 153 galaktyk (Phys. Wielebny Lett. 117 201101) i odkrył z niespotykaną dotąd dokładnością, że ich krzywe rotacji są wyjaśniane przez MOND, bez konieczności uciekania się do halo ciemnej materii wokół każdej galaktyki. Uzasadnił w ten sposób przewidywania Milgroma.

„Stwierdziłbym, że MOND wyjaśnia te rzeczy lepiej niż ciemna materia, a powodem tego jest jej moc predykcyjna” – mówi McGaugh – były badacz ciemnej materii, a obecnie zwolennik MOND, po objawieniu, które spowodowało, że zmienił stronę. Ma na myśli fakt, że jeśli znasz widzialną masę (wszystkie jej gwiazdy i gazy) galaktyki, to stosując MOND, możesz obliczyć, jakie będą prędkości obrotowe. W paradygmacie ciemnej materii nie można przewidzieć prędkości na podstawie obecności ciemnej materii. Zamiast tego należy zmierzyć krzywą rotacji galaktyki, aby wywnioskować, ile jest w niej ciemnej materii. McGaugh twierdzi, że jest to błędne koło, a nie dowód na istnienie ciemnej materii.

Jak modyfikować grawitację

Modyfikowanie praw grawitacji może być dla wielu fizyków przekleństwem – taką jest siła Newtona i Einsteina – ale nie jest to takie dziwaczne. W końcu żyjemy w tajemniczym wszechświecie, pełnym naukowych zagadek. Jaka ciemna energia odpowiada za przyspieszenie ekspansji wszechświata? Dlaczego istnieje napięcie w różnych pomiarach tempa ekspansji Wszechświata? Jak galaktyki powstają tak szybko we wczesnym Wszechświecie, o czym świadczy: Hubble i Teleskopy kosmiczne Jamesa Webba? Naukowcy coraz częściej szukają odpowiedzi na zmodyfikowane teorie grawitacji, ale nie wszystkie zmodyfikowane modele grawitacji są sobie równe.

Każda teoria zmodyfikowanej grawitacji, w tym MOND, musi wyjaśnić, dlaczego pozostaje ona przed nami ukryta w codziennych skalach i zaczyna działać dopiero pod pewnymi warunkami

Tessy Baker, kosmolog i guru zmodyfikowanej grawitacji na Uniwersytecie w Portsmouth w Wielkiej Brytanii, zbudowała swoją karierę na testowaniu praw grawitacji i poszukiwaniu modyfikacji, w jej przypadku na próbie wyjaśnienia ciemnej energii. „MOND, będący jednym z przykładów zmodyfikowanej teorii grawitacji, jest niezwykły, ponieważ jest to teoria próbująca zastąpić ciemną materię” – wyjaśnia Baker. „Większość teorii zmodyfikowanej grawitacji tego nie robi”.

Każda teoria zmodyfikowanej grawitacji, w tym MOND, musi wyjaśnić, dlaczego pozostaje ona przed nami ukryta w codziennych skalach i zaczyna działać dopiero pod pewnymi warunkami. Fizycy nazywają moment, w którym następuje to przejście, „przesiewaniem” i jest to problem skali.

„Problem polega na tym, jak ukryć modyfikację w skalach, w których wiemy, że ogólna teoria względności działa bardzo dobrze?” pyta Bakera. Oczywistym punktem wyjścia może być rozważenie, czy grawitacja zmienia się w skali odległości, zatem w naszym Układzie Słonecznym grawitacja zanika zgodnie z zasadą odwrotności kwadratów, ale w skali gromad galaktyk zmniejsza się w innym tempie. „To zdecydowanie nie działa” – mówi McGaugh, dodając, że istnieją inne skale, które działają.

Na przykład jedna teoria zmodyfikowanej grawitacji, nad którą pracuje Baker – znana jako f(R) grawitacja – uogólnia ogólną teorię względności Einsteina. Pod f(R), grawitacja włącza efekt ciemnej energii w obszarach przestrzeni, w których gęstość materii staje się wystarczająco niska, na przykład w kosmicznych próżniach. W przypadku MOND skalą mechanizmu przesiewającego jest przyspieszenie. Poniżej charakterystyczne przyspieszenie grawitacyjne tzw a₀ – czyli około 0.1 nanometra na sekundę do kwadratu – grawitacja działa inaczej.

Zamiast postępować zgodnie z zasadą odwrotności kwadratów, przy przyspieszeniach poniżej a₀ grawitacja spada wolniej, wraz z odwrotnością odległości. Zatem coś krążącego w odległości czterokrotnie większej od Ziemi odczuwałoby jedną czwartą siły grawitacji, a nie 16. Niezbędne do tego niewielkie przyspieszenia grawitacyjne są dokładnie takie, jakich doświadczają gwiazdy na obrzeżach galaktyk. „Więc MOND włącza te modyfikacje przy niskich przyspieszeniach w ten sam sposób f(R) grawitacja włącza swoje modyfikacje przy niskich gęstościach” – wyjaśnia Baker.

Konflikt i kontrowersja

MOND wyróżnia się w przypadku pojedynczych galaktyk, ale w zależności od tego, z kim rozmawiasz, być może nie radzi sobie tak dobrze w innych środowiskach. A szczególnie jedna porażka sprawiła, że ​​jeden z zagorzałych zwolenników MOND sprzeciwił się tej teorii.

Idealne laboratorium do testowania MOND to takie, w którym nie oczekuje się obecności ciemnej materii w dużych ilościach, co oznacza, że ​​wszelkie anomalie grawitacyjne powinny wynikać po prostu z samych praw grawitacji. Szerokie układy podwójne gwiazd to jedno z takich środowisk składających się z par gwiazd o wielkości 500 jednostek astronomicznych lub większych od siebie (gdzie jest jedna jednostka astronomiczna lub AU). średnia odległość między Ziemią a Słońcem). Przy tak ogromnych odległościach pole grawitacyjne odczuwane przez każdą gwiazdę jest słabe.

Dzięki Astrometryczna misja kosmiczna Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, zespoły badaczy MOND były teraz w stanie zmierzyć ruchy szerokich układów podwójnych w poszukiwaniu dowodów na MOND. Wyniki były kontrowersyjne i sprzeczne, jeśli chodzi o przetrwanie MOND jako ważnej teorii.

Jeden zespół pod wodzą Kyu-Hyun Chae z Uniwersytetu Sejong w Seulu, przeprowadził wyczerpującą analizę 26,500 XNUMX szerokich układów podwójnych i odkrył ruchy orbitalne zgodne z przewidywaniami MOND (ApJ 952 128). Zostało to poparte wcześniejszą pracą Xaviera Hernandeza z Universidad Nacional Autónoma de México, który pochwalił „ekscytujący” wynik Chae. Ale nie wszyscy są o tym przekonani.

Na Uniwersytecie St Andrews w Wielkiej Brytanii Indranil Banik pracował nad własnym sześcioletnim projektem pomiaru MOND w szerokich układach podwójnych. Opublikował swoje plany przed wykonaniem pomiarów, upewniając się, że znalazł czas na rozmowy z innymi ekspertami i uzyskanie opinii, dopracowując swoją metodę tak, aby wszyscy mogli się zgodzić. Banik w pełni oczekiwał, że jego wyniki wykażą, że MOND jest prawdziwy. „Oczywiście spodziewałem się, że scenariusz MOND się sprawdzi” – mówi. „Więc rzeczywiście było to bardzo duże zaskoczenie, gdy tak się nie stało”.

W artykule opublikowanym pod koniec 2023 roku Banik nie stwierdził żadnego odchylenia od standardowej grawitacji Newtona (Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego 10.1093/mnras/stad3393). Wyniki były dla niego takim ciosem, że wstrząsnęły światem Banika, a on publicznie oświadczył, że MOND się mylił – co go ostro skrytykowało. Dlaczego jednak jego wyniki miałyby tak bardzo różnić się od wyników Chae i Hernandeza? „Na pewno nadal twierdzą, że coś w tym jest” – mówi Banik. Jest jednak sceptyczny co do ich wyników, powołując się na różnice w sposobie radzenia sobie z niepewnością pomiarów.

Te punkty sporne mają charakter wysoce techniczny, więc być może nie jest całkowitym zaskoczeniem, że doszło do różnych interpretacji. Rzeczywiście, osobom z zewnątrz trudno jest stwierdzić, kto ma rację, a kto nie. „Bardzo trudno jest to ocenić” – przyznaje McGaugh. „Nie czuję się nawet w pełni kompetentny, aby oceniać na tej skali, a mam o wiele większe kwalifikacje niż większość ludzi!”

Nie tylko szerokie pliki binarne Banik widzi niepowodzenie MOND. Przytacza także przypadek naszego Układu Słonecznego. Jedną z głównych założeń MOND jest zjawisko „efektu pola zewnętrznego”, w wyniku którego całe pole grawitacyjne Drogi Mlecznej może odcisnąć swoje piętno na mniejszych układach, takich jak nasz Układ Słoneczny. Powinniśmy zobaczyć ten ślad, szczególnie na orbitach planet zewnętrznych. Poszukiwanie tego efektu poprzez dane ze śledzenia radiowego z Sonda Cassini należąca do NASA, który okrążał Saturna w latach 2004–2017, nie znalazł dowodów na wpływ pola zewnętrznego na orbitę Saturna.

„Ludzie zaczynają zdawać sobie sprawę, że nie da się pogodzić MOND z niewykryciem efektów w danych z Cassini i że MOND nie będzie działać w skalach poniżej roku świetlnego” – mówi Banik. Jeśli Banik ma rację, to stawia MOND w bardzo złym miejscu – ale nie jest to jedyne pole bitwy, na którym toczy się wojna MOND z ciemną materią.

Zagadki klastrów

W 2006 roku NASA wypuściła ok spektakularny obraz dwóch zderzających się gromad galaktyk, określanych w ich połączonej formie jako Gromada Pocisków. Kosmiczny Teleskop Hubble'a dostarczył obrazy w wysokiej rozdzielczości lokalizacji galaktyk, natomiast obserwacje rentgenowskie gorącego gazu pomiędzy tymi galaktykami pochodziły z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra. Na podstawie lokalizacji galaktyk i gazu, a także stopnia soczewkowania grawitacyjnego jako materii w zakrzywionej przestrzeni gromady, naukowcom udało się obliczyć położenie ciemnej materii w gromadzie.

„Twierdzono, że Gromada Pocisków potwierdziła istnienie ciemnej materii, co wykorzystano do zdecydowanego sprzeciwu wobec MOND” – mówi Paweł Kroupa, astrofizyk na Uniwersytecie w Bonn. „Okazuje się, że sytuacja jest dokładnie odwrotna.”

Kroupa jest dziki w swoim entuzjazmie dla MOND i skupił się na badaniu go w możliwie największej skali struktur – wielkoskalowych gromadach galaktyk. Na jego celowniku znajduje się nic innego jak standardowy model kosmologii, znany potocznie jako „lambda-CDM” lub ΛCDM (Λ odnosi się do stałej kosmologicznej, czyli składnika ciemnej energii wszechświata, a CDM to zimna ciemna materia).

<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="Pierwotny Wrażenie artysty z ESA na temat tego, jak mógł wyglądać bardzo wczesny Wszechświat (mający mniej niż 1 miliard lat) po nagłej erupcji gwiazdotwórczej. (Dzięki uprzejmości: A Schaller/STScI)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- bitwa-pomiędzy-ciemną-materią-a-zmodyfikowaną-grawitacją-świat-fizyki-3.jpg”>

Po pierwsze Kroupa uważa, że ​​tak ogromne gromady galaktyk w ogóle nie powinny istnieć, nie mówiąc już o tym, że miały czas na zderzenie przy dużych przesunięciach ku czerwieni. ΛCDM zakłada, że ​​struktury powinny rosnąć powoli, a Kroupa twierdzi, że byłoby to zbyt wolne w stosunku do tego, co pokazują nam nasze teleskopy: masywne galaktyki i ogromne gromady we wczesnym Wszechświecie. Mówiąc dokładniej, nadzieja Kroupy daje sama dynamika zderzeń gromad. W szczególności ΛCDM przewiduje, że prędkości galaktyk wpadających do studni grawitacyjnej połączonej gromady powinny być znacznie niższe niż zaobserwowane.

„Zderzenia gromad galaktyk całkowicie nie zgadzają się z ΛCDM, a jednocześnie są raczej naturalne z MOND” – mówi Kroupa. Pomimo entuzjazmu Kroupy McGaugh nie jest tego taki pewien. W rzeczywistości uważa, że ​​gromady galaktyk stanowią prawdziwy problem zarówno dla ΛCDM, jak i MOND.

„To bałagan” – przyznaje. „W przypadku ciemnej materii prędkości zderzeń są o wiele za duże. Ludzie ciemnej materii krążyli tam i z powrotem, argumentując, czy prędkości są zbyt duże, czy nie? W przypadku MOND sytuacja polega na tym, że gromady galaktyk wykazują rozbieżność masową nawet po zastosowaniu MOND. Klastry niepokoją mnie, ponieważ po prostu nie widzę dobrego wyjścia z tego.”

Teoria wszystkiego?

Można dyskutować o klastrach i szerokich plikach binarnych ad infinitum dopóki jedna lub druga strona nie przyzna się do porażki. Być może jednak najpoważniejszą krytyką skierowaną pod adresem MOND był całkowity brak wykonalnego modelu kosmologicznego. Próby zastąpienia ciemnej materii w galaktykach zmodyfikowaną grawitacją są w porządku, ale aby teoria ostatecznie odniosła sukces, musi wyjaśnić wszystko, co potrafi ciemna materia, a nawet więcej. Oznacza to, że musi być konkurentem ΛCDM w wyjaśnianiu tego, co widzimy w kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) – pierwotne promieniowanie mikrofalowe wypełniające wszechświat.

CMB jest często określany jako „kula ognia Wielkiego Wybuchu”, ale to coś więcej. Odciśnięte są na nim subtelne zmiany temperatury, które wystąpiły zaledwie 379,000 XNUMX lat po Wielkim Wybuchu, co nazywamy anizotropiami, odpowiadającymi obszarom o nieco wyższej lub niższej gęstości, utworzonym przez fale akustyczne, które odbiły się echem w pierwotnej plazmie. Są to nasiona tworzenia się struktur we wszechświecie. Z tych nasion wyrosła „kosmiczna sieć” – sieć włókien materii, wzdłuż której rosną galaktyki, a tam, gdzie włókna się spotykają, duże gromady galaktyk.

MOND został opracowany w celu wyjaśnienia krzywych rotacji galaktyk na podstawie Newtona, a nie Einsteina. Bekensteinowi zajęło kolejne 20 lat opracowanie relatywistycznego modelu MOND, który można by zastosować we współczesnej kosmologii. Nazywana grawitacją tensorowo-wektorowo-skalarną (TeVeS) okazała się niepopularna, próbując wyjaśnić wielkość trzeciego piku akustycznego w anizotropiach, które w modelu standardowym można przypisać ciemnej materii, a także ograniczenia w modelowaniu soczewkowania grawitacyjnego i fal grawitacyjnych .

Wiele osób uważało, że problem relatywistycznego modelu MOND jest tak trudny, że niemożliwy. Następnie w 2021 r Konstanty Skordis i Tomek Złośnik Czeskiej Akademii Nauk udowodnił, że wszyscy się mylą. W swoim modelu duet wprowadził pola wektorowe i skalarne modyfikujące grawitację, które działają we wczesnym Wszechświecie, tworząc efekty grawitacyjne naśladujące ciemną materię, zanim z czasem ewoluują, przypominając regularną teorię MOND we współczesnym wszechświecie (Phys. Wielebny 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="Zagadka nieba Misja Planck sporządziła mapę kosmicznego mikrofalowego tła. Powszechnie przyjęta interpretacja danych jest taka, że ​​Wszechświat składa się z około 4.9% zwykłej materii, 26.8% ciemnej materii i 68.3% ciemnej energii. Teoria MOND początkowo nie była w stanie wyjaśnić wahań temperatury ujawnionych przez misje takie jak Planck. W 2021 roku Constantinos Skordis i Tom Złośnik stworzyli model inspirowany MOND, który pasuje zarówno do danych Plancka, jak i modeli ciemnej materii. (Dzięki uprzejmości: ESA i Planck Collaboration)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -bitwa-pomiędzy-ciemną-materią-a-zmodyfikowaną-grawitacją-fizyką-światem-4.jpg”>

Biorąc pod uwagę mozolną historię prób opracowania relatywistycznego modelu MOND, McGaugh uważa, że ​​„niezwykłym osiągnięciem” jest możliwość napisania takiej teorii, która pasuje do tła mikrofalowego. Model Skordisa i Złośnika nie jest doskonały. Podobnie jak TeVeS, ma trudności z wyjaśnieniem ilości soczewkowania grawitacyjnego, które obserwujemy we wszechświecie. Banik również podkreśla trudności modelu, mówiąc, że „popadł w kłopoty, ponieważ nie zapewnia dobrego wyjaśnienia gromad galaktyk”.

Baker podziela te obawy. „Chociaż możliwość zrobienia tego przez MOND była dobrym krokiem naprzód”, mówi, „nie sądzę, że wystarczyło, aby MOND wrócił do głównego nurtu. Powód jest taki, że [Skordis i Złośnik] dodali do niego mnóstwo dodatkowych pól, mnóstwo bajerów i faktycznie traci na elegancji. Działa z CMB, ale wydaje się bardzo nienaturalny.

Być może nadmiernie obciążamy ramiona modelki. Można to potraktować jako dopiero początek, weryfikację koncepcji. „Nie wiem, czy jest to ostateczna teoria, czy w ogóle podążamy właściwą ścieżką” – mówi McGaugh. „Ale ludzie mówili, że nie da się tego zrobić, a Skordis i Złośnik pokazali, że da się to zrobić, a to ważny krok naprzód”.

MOND w dalszym ciągu fascynuje, frustruje i podsyca pogardę ze strony uczniów ciemnej materii. Społeczność naukowa ma jeszcze przed sobą długą drogę, aby uznać go za poważnego rywala ΛCDM, a z pewnością utrudnia to stosunkowo niewielka liczba osób nad nim pracujących, co oznacza, że ​​postęp jest powolny.

Nie należy jednak ignorować sukcesów, jakie odniosła ta teoria nowicjuszy, mówi McGaugh. Jeśli nic innego, powinno to sprawić, że astronomowie będą musieli pracować z głównym nurtem modelu ciemnej materii na palcach.

• W drugiej części trzyczęściowej serii Keitha Coopera omówimy niektóre z ostatnich sukcesów ciemnej materii i poważne wyzwania, przed którymi ona również stoi

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/