Luptă cosmică: adâncire în bătălia dintre materia întunecată și gravitația modificată – Physics World

Imaginați-vă dacă, dintr-o lovitură, cu o mică modificare a legile gravitației, ați putea elimina nevoia de toată materia întunecată din univers. Te-ai scăpa de o particule plictisitoare despre care se presupune că există și a sfidat până acum descoperirea. În schimb, l-ai înlocui cu o teorie elegantă care modifică opera fundamentală a lui Isaac Newton și Albert Einstein.

Cel puțin acesta este visul dinamicii newtoniene modificate, sau MOND. Dezvoltat de un fizician israelian Mordehai Milgrom și teoretician american-israelian născut în Mexic Jacob Bekenstein la începutul anilor 1980, a fost antidotul lor la paradigma populară „materie întunecată”. Pentru ei, materia întunecată a fost o legătură inutilă și stângace la cosmologie care, dacă este reală, înseamnă că 80% din materia din cosmos este invizibilă.

În cei 40 de ani de când a fost conceput, realizările MOND continuă să fie umbrite de povestea de dragoste a cosmologiei cu materia întunecată. MOND s-a străduit, de asemenea, să explice fenomenele la scari mai mari și mai mici decât galaxiile individuale. Deci MOND este ceva ce ar trebui să luăm în serios până la urmă?

Curbe curioase

Povestea noastră începe la sfârșitul anilor 1960, iar în anii 1970, astronomii americani Vera Rubin și Kent Ford și-au dat seama că stelele de la marginea galaxiilor orbitează la fel de repede ca stelele apropiate de centru, sfidând aparent legile mișcării orbitale ale lui Johannes Kepler. . Ei au ilustrat acest lucru în curbele de rotație ale galaxiilor, în esență doar un grafic al vitezei orbitale în funcție de raza de la centru. În loc să arate o pantă negativă, graficele erau o linie plată. Undeva, era o greutate suplimentară care trăgea acele stele exterioare în jur.

Materia întunecată – o formă nevăzută de materie atât de abundentă încât ar fi forța gravitațională dominantă în univers – a fost soluția populară. Astăzi, conceptul de materie întunecată este strâns împletit în modelul nostru standard de cosmologie și este inerent înțelegerii noastre a modului în care se formează structura universului.

Imaginea pe care o formează materia întunecată este clară, dar nu suficient de clară pentru o mică comunitate de fizicieni și astronomi care au evitat cosmologia materiei întunecate și au adoptat în schimb MOND. De fapt, au dovezi abundente pentru cazul lor. În 2016 Stacy McGaugh de la Universitatea Case Western Reserve a măsurat curbele de rotație a 153 de galaxii (Fizic. Pr. Lett. 117 201101) și a constatat, cu o acuratețe fără precedent, că curbele lor de rotație sunt explicate de MOND, fără a fi nevoie să recurgă la un halou de materie întunecată în jurul fiecărei galaxii. Făcând acest lucru, el a justificat predicția lui Milgrom.

„Aș afirma că MOND explică aceste lucruri mai bine decât materia întunecată, iar motivul pentru aceasta este puterea sa predictivă”, spune McGaugh – un fost cercetător în materie întunecată, care este acum un avocat MOND, în urma unei epifanie care l-a văzut schimbând partea. El se referă la faptul că, dacă cunoașteți masa vizibilă (toate stelele și gazele sale) a unei galaxii, atunci prin aplicarea MOND puteți calcula care vor fi vitezele de rotație. În paradigma materiei întunecate, nu poți prezice vitezele pe baza prezenței materiei întunecate. În schimb, trebuie să măsurați curba de rotație a galaxiei pentru a deduce cât de multă materie întunecată este prezentă. McGaugh susține că acesta este un raționament circular și nu o dovadă a materiei întunecate.

Cum se modifică gravitația

Modificarea legilor gravitației ar putea fi o anatema pentru mulți fizicieni – așa este puterea lui Newton și Einstein – dar nu este un lucru atât de ciudat de făcut. La urma urmei, trăim într-un univers misterios, plin de enigme științifice. Care este energia întunecată responsabilă de accelerarea expansiunii universului? De ce există o tensiune în diferite măsurători ale ratei de expansiune a universului? Cum se formează galaxiile atât de repede în universul timpuriu, așa cum este martor Hubble și Telescoapele spațiale James Webb? Cercetătorii se uită din ce în ce mai mult la teoriile gravitaționale modificate pentru a oferi răspunsurile, dar nu toate modelele gravitaționale modificate sunt egale.

Ceea ce trebuie să facă orice teorie a gravitației modificate, inclusiv MOND, este să explice de ce ea rămâne ascunsă de noi la scara de zi cu zi, intră în acțiune doar în anumite condiții.

Tessa Baker, un cosmolog și guru gravitației modificate la Universitatea din Portsmouth din Marea Britanie, și-a construit cariera testând legile gravitației și căutând modificări, în cazul ei pentru a încerca să explice energia întunecată. „MOND, care este un exemplu de teorie modificată a gravitației, este neobișnuit prin faptul că este o teorie care încearcă să înlocuiască materia întunecată”, explică Baker. „Majoritatea teoriilor asupra gravitației modificate nu fac asta.”

Ceea ce trebuie să facă orice teorie a gravitației modificate, inclusiv MOND, este să explice de ce ea rămâne ascunsă de noi la scara de zi cu zi, intră în acțiune doar în anumite condiții. Fizicienii numesc punctul în care are loc această tranziție drept „screening” și totul este o problemă de scară.

„Partea dificilă este, cum ascundeți modificarea pe scale în care știm că relativitatea generală funcționează foarte bine?” întreabă Baker. Locul evident de început ar putea fi să luăm în considerare dacă gravitația variază pe o scară de distanță, astfel încât în ​​sistemul nostru solar gravitația se estompează cu regula inversului pătratului, dar la scara clusterelor de galaxii scade cu o rată diferită. „Acest lucru categoric nu funcționează”, spune McGaugh, adăugând că există și alte scale care funcționează.

De exemplu, o teorie a gravitației modificate cu care lucrează Baker – cunoscută ca f(R) gravitatie – generalizează teoria generală a relativității a lui Einstein. Sub f(R), gravitația activează efectul de energie întunecată în zonele spațiului în care densitatea materiei devine suficient de scăzută, cum ar fi în golurile cosmice. Pentru MOND, scara mecanismului de screening este accelerația. Sub o accelerație gravitațională caracteristică denumită a₀ – care este aproximativ 0.1 nanometri pe secundă pătrat – gravitația funcționează diferit.

În loc să urmezi regula inversului pătratului, la accelerații de mai jos a₀ gravitația scade mai lent, cu inversul distanței. Deci ceva ce orbitează la o distanță de patru ori mai mare ar simți un sfert din gravitație, nu o 16. Accelerațiile gravitaționale scăzute necesare pentru aceasta sunt exact cele experimentate de stelele de la periferia galaxiilor. „Așa că MOND activează acele modificări la accelerații mici în același mod în care f(R) gravitația activează modificările sale la densități scăzute”, explică Baker.

Conflict și controversă

MOND excelează pentru galaxii individuale, dar, în funcție de cine vorbiți, poate că nu merge atât de bine în alte medii. Și un eșec în special l-a întors deja pe unul dintre cei mai convinși susținători ai MOND împotriva teoriei.

Un laborator ideal în care să se testeze MOND este unul în care materia întunecată nu ar fi de așteptat să fie prezentă în cantități mari, ceea ce înseamnă că orice anomalie gravitațională ar trebui să provină doar din legile gravitației în sine. Sistemele de stele binare largi sunt un astfel de mediu constând din perechi de stele care au 500 UA sau mai mult separat (unde este o unitate astronomică sau AU distanța medie dintre Pământ și Soare). La astfel de separări uriașe, câmpul gravitațional resimțit de fiecare stea este slab.

Datorită Misiunea spațială astrometrică Gaia a Agenției Spațiale Europene, echipele de cercetători MOND au reușit acum să măsoare mișcările binarelor largi în căutarea dovezilor MOND. Rezultatele au fost controversate și contradictorii, în ceea ce privește supraviețuirea MOND ca teorie valabilă.

O echipă, condusă de Kyu-Hyun Chae de la Universitatea Sejong din Seul, a efectuat o analiză exhaustivă a 26,500 de binare largi și a găsit mișcări orbitale care se potriveau cu predicțiile MOND (ApJ 952 128). Acest lucru a fost susținut de lucrările anterioare ale lui Xavier Hernandez de la Universidad Nacional Autónoma de México, care a salutat cât de „incitant” a fost rezultatul lui Chae. Dar nu toată lumea este convinsă.

La Universitatea St Andrews din Marea Britanie, Indranil Banik lucra la propriul său proiect de șase ani pentru a măsura MOND în binare largi. Își publicase planurile înainte de a-și lua măsurătorile, asigurându-se că își va face timp să vorbească cu alți experți și să primească feedback, ajustându-și metoda, astfel încât toată lumea să poată fi de acord. Banik se aștepta pe deplin ca rezultatele sale să arate că MOND era real. „Evident că mă așteptam ca scenariul MOND să funcționeze”, spune el. „Așa că a fost într-adevăr o surpriză foarte mare când nu a făcut-o.”

Într-o lucrare publicată la sfârșitul anului 2023, Banik nu a găsit nicio abatere de la gravitația newtoniană standard (Avize lunare ale Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Rezultatele au fost o lovitură atât de mare pentru el, încât a zdruncinat lumea lui Banik, iar el a declarat public că MOND a greșit – ceea ce l-a prins puțin. De ce, totuși, rezultatele lui ar trebui să fie atât de diferite de Chae și Hernandez? „Cu siguranță, ei încă mai susțin că există ceva acolo”, spune Banik. Cu toate acestea, el este sceptic cu privire la rezultatele lor, invocând diferențe în modul în care au tratat incertitudinile în măsurătorile lor.

Aceste puncte de disputa sunt extrem de tehnice, așa că poate nu este o surpriză totală că s-a ajuns la interpretări diferite. Într-adevăr, pentru cei din afară este dificil să știe cine are dreptate și cine nu. „Este foarte greu să știi cum să judeci asta”, admite McGaugh. „Nici măcar nu mă simt pe deplin calificat să judec pe acele scale și sunt mult mai calificat decât majoritatea oamenilor!”

Nu sunt doar binare largi unde Banik vede MOND eșuând. El citează și cazul propriului nostru sistem solar. Una dintre principiile centrale ale MOND este fenomenul „efectului câmpului extern”, prin care câmpul gravitațional general al galaxiei Calea Lactee este capabil să se imprime pe sisteme mai mici, cum ar fi sistemul nostru solar. Ar trebui să vedem această amprentă, în special pe orbitele planetelor exterioare. Căutarea acestui efect prin intermediul datelor de urmărire radio de la Nava spațială Cassini de la NASA, care a orbitat pe Saturn între 2004 și 2017, nu a găsit nicio dovadă pentru efectul câmpului extern pe orbita lui Saturn.

„Oamenii încep să realizeze că nu există nicio modalitate de a reconcilia MOND cu nedetectarea efectelor în datele Cassini și că MOND nu va funcționa la scări sub un an-lumină”, spune Banik. Dacă Banik are dreptate, atunci îl lasă pe MOND într-un loc foarte rău – dar nu este singurul câmp de luptă în care se duce războiul MOND împotriva materiei întunecate.

Cluster-enigme

În 2006, NASA a lansat un imagine spectaculoasă a două grupuri de galaxii care se ciocnesc, denumite în forma lor combinată Clusterul Bullet. Telescopul spațial Hubble a oferit vederi de înaltă rezoluție ale locației galaxiilor, în timp ce observațiile cu raze X ale gazului fierbinte dintre acele galaxii au venit de la Observatorul de raze X Chandra. Pe baza locațiilor galaxiilor și gazului, precum și a gradului de lentilă gravitațională ca materie din spațiul îndoit cluster, oamenii de știință au putut calcula locația materiei întunecate în cluster.

„S-a susținut că Bullet Cluster a confirmat existența materiei întunecate, care a fost folosită pentru a argumenta puternic împotriva MOND”, spune Pavel Kroupa, un astrofizician la Universitatea din Bonn. „Ei bine, se dovedește că situația este exact invers.”

Kroupa este feroce în entuziasmul său pentru MOND și și-a pus ochii pe explorarea acesteia la cele mai mari scale posibile de structură – clustere de galaxii la scară mare. În reperul său se află nimic mai puțin decât modelul standard al cosmologiei, cunoscut colocvial ca „lambda-CDM” sau ΛCDM (Λ se referă la constanta cosmologică, sau componenta de energie întunecată a universului, iar CDM este materie întunecată rece).

<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 An ESA artist’s impression of how the very early universe (less than 1 thousand million years old) might have looked when it went through an abrupt eruption of star formation. (Courtesy: A Schaller/STScI)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg”>

În primul rând, Kroupa crede că astfel de grupuri de galaxii uriașe nici nu ar trebui să existe, nici nu ar fi avut timp să se ciocnească, la deplasări mari spre roșu. ΛCDM presupune că structurile ar trebui să crească lent, iar Kroupa susține că ar fi prea lent pentru ceea ce ne arată telescoapele noastre: galaxii masive și clustere uriașe în universul timpuriu. Mai pertinent, dinamica coliziunilor cluster-ului în sine este cea care îi dă speranță lui Kroupa. În special, ΛCDM prezice că vitezele galaxiilor care cad în puțul gravitațional al clusterului combinat ar trebui să fie mult mai mici decât cele observate.

„Coliziunile clusterelor de galaxii sunt în total dezacord cu ΛCDM, în timp ce sunt în acord destul de natural cu MOND”, spune Kroupa. În ciuda entuziasmului lui Kroupa, McGaugh nu este atât de sigur. De fapt, el crede că clusterele de galaxii sunt o problemă reală atât pentru ΛCDM, cât și pentru MOND.

„Este o mizerie”, admite el. „Pentru materia întunecată, vitezele de coliziune sunt mult prea mari. Oamenii din materia întunecată au mers înainte și înapoi, argumentând că vitezele sunt prea rapide sau nu? Pentru MOND, clusterele de galaxii arată o discrepanță de masă chiar și după ce aplicați MOND. Grupurile mă îngrijorează pentru că pur și simplu nu văd o cale bună de a ieși din asta.”

O teorie a tuturor?

Clusterele și binarele largi pot fi dezbătute ad infinitum până când una sau cealaltă parte admite înfrângerea. Dar, probabil, cea mai serioasă critică adresată MOND a fost lipsa sa totală a unui model cosmologic viabil. Este bine și bine să încerci să înlocuiești materia întunecată cu gravitație modificată în galaxii, dar pentru ca teoria să aibă succes în cele din urmă, trebuie să explice tot ce poate materia întunecată și nu numai. Aceasta înseamnă că trebuie să fie un rival pentru ΛCDM în explicarea a ceea ce vedem în fundal cosmic cu microunde (CMB) – radiația primordială cu microunde care umple universul.

CMB-ul este adesea caracterizat drept „mingea de foc a big bang-ului”, dar este mai mult decât atât. Întipărite pe ea sub formă de variații subtile de temperatură de la doar 379,000 de ani după Big Bang sunt ceea ce numim anizotropii, corespunzătoare unor regiuni cu densitate ceva mai mare sau mai mică formate de undele acustice care au reverberat prin plasma primordială. Acestea sunt semințele formării structurii în univers. Din aceste semințe a crescut „pânza cosmică” – o rețea de filamente de materie de-a lungul căreia cresc galaxiile și, acolo unde filamentele se întâlnesc, grupuri mari de galaxii.

MOND a fost conceput pentru a explica curbele de rotație a galaxiilor prin riffing pe Newton, nu pe Einstein. I-au trebuit încă 20 de ani pentru ca Bekenstein să vină cu un model relativist al MOND care ar putea fi aplicat cosmologiei moderne. Numit gravitație Tensor–Vector–Scalar (TeVeS), s-a dovedit nepopular, luptându-se să explice dimensiunea celui de-al treilea vârf acustic în anizotropiile care în modelul standard este atribuită materiei întunecate, precum și limitările în modelarea lentilelor gravitaționale și undelor gravitaționale. .

Mulți oameni au crezut că problema unui model relativist al MOND era atât de dificilă încât nu era posibil. Apoi, în 2021 Constantinos Skordis și Tom Złośnik a Academiei Cehe de Științe a dovedit că toată lumea se înșela. În modelul lor, duo-ul a introdus câmpuri vectoriale și scalare care modifică gravitația care operează în universul timpuriu pentru a crea efecte gravitaționale care imită materia întunecată, înainte de a evolua în timp pentru a semăna cu teoria MOND obișnuită în universul modern (Fizic. Pr. 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="Puzzle cerului The Planck mission mapped the cosmic microwave background. The widely accepted interpretation of the data is that the universe is around 4.9% ordinary matter, 26.8% dark matter and 68.3% dark energy. MOND theory was not initially able to explain the temperature variations revealed by missions such as Planck. In 2021 Constantinos Skordis and Tom Złośnik created a MOND-inspired model that matches the Planck data just as well as dark-matter models. (Courtesy: ESA and the Planck Collaboration)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg”>

Având în vedere istoria chinuitoare a încercării de a dezvolta un model relativist al MOND, McGaugh consideră că este o „realizare remarcabilă” să fii capabil să scrii o astfel de teorie care se potrivește cu fundalul microundelor. Modelul Skordis și Złośnik nu este perfect. La fel ca TeVeS, se luptă să explice cantitatea de lentile gravitaționale pe care o observăm în univers. Banik subliniază, de asemenea, dificultățile din model, spunând că „a intrat în dificultate prin faptul că nu oferă o explicație bună pentru clusterele de galaxii”.

Baker face ecou aceste preocupări. „Deși a fost un pas bun înainte ca MOND să poată face asta”, spune el, „nu cred că a fost suficient pentru a aduce MOND înapoi în mainstream. Motivul este că [Skordis și Złośnik] i-au adăugat o mulțime de câmpuri suplimentare, o mulțime de clopote și fluiere și chiar își pierde eleganța. Funcționează cu CMB, dar pare foarte nefiresc.”

Poate că punem o greutate excesivă pe umerii modelului. Ar putea fi privit ca doar un început, o dovadă de concept. „Dacă aceasta este teoria finală sau chiar pe calea cea bună, nu știu”, spune McGaugh. „Dar oamenii au spus că nu se poate face, iar ceea ce Skordis și Złośnik au arătat este că se poate, iar acesta este un pas important înainte.”

MOND continuă să fascineze, să frustreze și să promoveze disprețul din partea discipolilor materiei întunecate. Mai este încă un drum lung de parcurs pentru ca comunitatea științifică să-l considere un rival greu al ΛCDM și, cu siguranță, este împiedicat de faptul că există relativ puțini oameni care lucrează la el, ceea ce înseamnă că progresul este lent.

Dar succesele pe care le-a avut această teorie parvenită nu trebuie ignorate, spune McGaugh. Dacă nimic altceva, ar trebui să-i facă pe astronomi să lucreze cu modelul principal al materiei întunecate.

• În partea a doua a seriei în trei părți a lui Keith Cooper, el va explora câteva dintre succesele recente ale materiei întunecate și provocările serioase cu care se confruntă.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/