Космический бой: углубляемся в битву между темной материей и модифицированной гравитацией – Мир физики

Представьте себе, что одним махом, с помощью одной небольшой поправки к законам гравитации, вы могли бы избавиться от необходимости использовать всю темную материю во Вселенной. Вы избавитесь от надоедливой частицы, существование которой только предполагается и которая до сих пор не была открыта. Вместо этого вы бы заменили ее элегантной теорией, которая модифицирует фундаментальные работы Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна.

По крайней мере, об этом мечтает модифицированная ньютоновская динамика, или МОНД. Разработан израильским физиком. Мордехай Милгром американо-израильский теоретик мексиканского происхождения. Якоб Бекенштейн в начале 1980-х годов это было их противоядием от популярной парадигмы «темной материи». Для них темная материя была ненужным и неуклюжим дополнением к космологии, что, если она существует, означает, что 80% материи в космосе невидимо.

За 40 лет, прошедших с момента его создания, достижения МОНД по-прежнему омрачаются любовью космологии к темной материи. MOND также изо всех сил пытался объяснить явления в масштабах больше и меньше, чем отдельные галактики. Так стоит ли нам все-таки относиться к MOND серьезно?

Любопытные кривые

Наша история начинается в конце 1960-х годов, а в 1970-х годах американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд поняли, что звезды на окраинах галактик вращаются так же быстро, как и звезды, близкие к центру, что явно противоречит законам орбитального движения Иоганна Кеплера. . Они проиллюстрировали это на кривых вращения галактик, которые, по сути, представляют собой просто график зависимости орбитальной скорости от радиуса от центра. Вместо отрицательного наклона графики представляли собой плоскую линию. Где-то была какая-то дополнительная гравитация, которая тянула эти внешние звезды.

Темная материя – невидимая форма материи, настолько распространенная, что она могла бы стать доминирующей гравитационной силой во Вселенной – была популярным решением. Сегодня концепция темной материи тесно переплетена в нашей стандартной модели космологии и неотъемлема от нашего понимания того, как формируется структура Вселенной.

Картина, которую формирует темная материя, ясна, но недостаточно ясна для небольшого сообщества физиков и астрономов, которые избегали космологии темной материи и вместо этого приняли MOND. На самом деле, у них есть множество доказательств в пользу их дела. В 2016 году Стейси Макгоф из Университета Кейс Вестерн Резерв измерил кривые вращения 153 галактик (Phys. Преподобный Летт. 117 201101) и обнаружили с беспрецедентной точностью, что их кривые вращения объясняются МОНДом без необходимости прибегать к ореолу темной материи вокруг каждой галактики. Тем самым он оправдал предсказание Милгрома.

«Я бы сказал, что MOND объясняет эти вещи лучше, чем темная материя, и причина этого в его предсказательной силе», — говорит Макгоф — бывший исследователь темной материи, который сейчас является сторонником MOND, после прозрения, в котором он перешел на другую сторону. Он имеет в виду тот факт, что если вы знаете видимую массу (все ее звезды и газы) галактики, то, применяя MOND, вы можете рассчитать, какими будут скорости вращения. В парадигме темной материи невозможно предсказать скорости, основываясь на наличии темной материи. Вместо этого вам нужно измерить кривую вращения галактики, чтобы сделать вывод о том, сколько в ней темной материи. Макгоу утверждает, что это замкнутый круг рассуждений, а не доказательство существования темной материи.

Как изменить гравитацию

Изменение законов гравитации может быть анафемой для многих физиков – в этом сила Ньютона и Эйнштейна – но это не такая уж диковинная вещь. В конце концов, мы живем в загадочной вселенной, полной научных загадок. Какая темная энергия отвечает за ускорение расширения Вселенной? Почему существует противоречие в различных измерениях скорости расширения Вселенной? Как галактики формируются так быстро в ранней Вселенной, о чем свидетельствуют наблюдения Кочка и Космические телескопы Джеймса Уэбба? Исследователи все чаще обращаются к модифицированным теориям гравитации, чтобы дать ответы, но не все модифицированные модели гравитации одинаковы.

Каждая теория модифицированной гравитации, включая МОНД, должна объяснить, почему она остается скрытой от нас в повседневных масштабах, вступая в действие только при определенных условиях.

Тесса Бейкер, космолог и гуру модифицированной гравитации из Портсмутского университета в Великобритании, построила свою карьеру на проверке законов гравитации и поиске модификаций, в ее случае, чтобы попытаться объяснить темную энергию. «МОНД, являющийся одним из примеров модифицированной теории гравитации, необычен тем, что представляет собой теорию, которая пытается заменить темную материю», — объясняет Бейкер. «Большинство теорий модифицированной гравитации этого не делают».

Каждая теория модифицированной гравитации, включая МОНД, должна объяснить, почему она остается скрытой от нас в повседневных масштабах и начинает действовать только при определенных условиях. Физики называют точку, в которой происходит этот переход, «экранировкой», и все это проблема масштаба.

«Сложность в том, как скрыть модификацию в масштабах, где, как мы знаем, общая теория относительности работает очень хорошо?» — спрашивает Бейкер. Очевидным местом для начала может быть рассмотрение того, меняется ли гравитация в масштабе расстояний, поэтому в нашей Солнечной системе гравитация исчезает по правилу обратных квадратов, но в масштабе скоплений галактик она уменьшается с другой скоростью. «Это категорически не работает», — говорит Макгоф, добавляя, что есть и другие шкалы, которые действительно работают.

Например, одна теория модифицированной гравитации, с которой работает Бейкер, известная как f(R) сила тяжести – обобщает общую теорию относительности Эйнштейна. Под f(R), гравитация включает эффект темной энергии в тех областях космоса, где плотность материи становится достаточно низкой, например, в космических пустотах. Для МОНД масштаб механизма скрининга — ускорение. Ниже характерного гравитационного ускорения, называемого a₀ – что составляет около 0.1 нанометра на секунду в квадрате – гравитация действует по-другому.

Вместо того, чтобы следовать правилу обратных квадратов, при ускорениях ниже a₀ гравитация падает медленнее, обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, что-то, вращающееся на расстоянии, в четыре раза превышающем расстояние, будет ощущать четверть гравитации, а не 16-ю. Необходимые для этого низкие гравитационные ускорения — это именно те, которые испытывают звезды на окраинах галактик. «Итак, MOND включает эти модификации при низких ускорениях точно так же, как f(R) гравитация включает его модификации при низких плотностях», — объясняет Бейкер.

Конфликт и разногласия

MOND превосходен для отдельных галактик, но в зависимости от того, с кем вы разговариваете, в других средах он, возможно, не так хорош. И одна неудача уже настроила одного из самых стойких сторонников MOND против этой теории.

Идеальная лаборатория для тестирования MOND — это такая лаборатория, в которой не ожидается присутствия темной материи в больших количествах, а это означает, что любые гравитационные аномалии должны просто возникать из самих законов гравитации. Широкие двойные звездные системы — одна из таких сред, состоящая из пар звезд размером 500 а.е. и более. друг от друга (где одна астрономическая единица или а.е. среднее расстояние между Землей и Солнцем). При таких огромных расстояниях гравитационное поле, ощущаемое каждой звездой, слабое.

Благодаря Астрометрическая космическая миссия Европейского космического агентства Gaia, команды исследователей MOND теперь смогли измерить движение широких двойных звезд в поисках доказательств существования MOND. Результаты были противоречивыми и противоречивыми с точки зрения выживания MOND как действительной теории.

Одна команда под руководством Кю Хён Че из Университета Седжон в Сеуле, провел исчерпывающий анализ 26,500 XNUMX широких двойных систем и обнаружил орбитальные движения, которые соответствовали предсказаниям MOND (АПДж 952 128). Это подтверждается более ранней работой Ксавьера Эрнандеса из Национального автономного университета Мексики, который высоко оценил «захватывающие» результаты Че. Но не все в этом убеждены.

В Университете Сент-Эндрюс в Великобритании Индранил Баник работал над собственным шестилетним проектом по измерению MOND в широких двойных системах. Он опубликовал свои планы перед проведением измерений, позаботившись о том, чтобы поговорить с другими экспертами и получить отзывы, отладив свой метод так, чтобы все могли прийти к согласию. Баник был полностью уверен, что его результаты покажут, что MOND существует. «Очевидно, я ожидал, что сценарий MOND сработает», — говорит он. «Так что это действительно было очень большим сюрпризом, когда этого не произошло».

В статье, опубликованной в конце 2023 года, Баник вообще не обнаружил отклонений от стандартной ньютоновской гравитации (Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества 10.1093/mnras/stad3393). Результаты были для него таким ударом молота, что потрясли мир Баника, и он публично заявил, что MOND был неправ, что вызвало у него некоторую критику. Но почему его результаты так сильно отличаются от результатов Че и Эрнандеса? «Конечно, они до сих пор утверждают, что в этом что-то есть», — говорит Баник. Однако он скептически относится к их результатам, ссылаясь на различия в том, как они справляются с неопределенностями в своих измерениях.

Эти спорные моменты носят сугубо технический характер, поэтому, возможно, неудивительно, что были получены разные интерпретации. Действительно, постороннему человеку трудно понять, кто прав, а кто нет. «Очень трудно понять, как об этом судить», — признает Макгоф. «Я даже не чувствую себя достаточно компетентным, чтобы судить по этим шкалам, и я гораздо более квалифицирован, чем большинство людей!»

Баник считает, что MOND терпит неудачу не только в широких двоичных файлах. Он также приводит в пример нашу собственную Солнечную систему. Одним из центральных принципов МОНД является явление «эффекта внешнего поля», благодаря которому общее гравитационное поле галактики Млечный Путь способно отпечатываться на более мелких системах, таких как наша Солнечная система. Мы должны увидеть этот отпечаток, особенно на орбитах внешних планет. Поиск этого эффекта с помощью данных радиослежения Космический корабль НАСА Кассини, который вращался вокруг Сатурна в период с 2004 по 2017 год, не обнаружил никаких доказательств влияния внешнего поля на орбиту Сатурна.

«Люди начинают понимать, что невозможно совместить MOND с отсутствием обнаружения эффектов в данных Кассини и что MOND не будет работать в масштабах ниже светового года», — говорит Баник. Если Баник прав, то MOND оказывается в очень плохом положении – но это не единственное поле битвы, где ведется война MOND с темной материей.

Кластерные загадки

В 2006 году НАСА выпустило захватывающее изображение двух сталкивающихся скоплений галактик, называемых в их объединенной форме скоплением Пули.. Космический телескоп Хаббл предоставил изображения с высоким разрешением местонахождения галактик, а рентгеновские наблюдения горячего газа между этими галактиками были получены с помощью рентгеновской обсерватории Чандра. Основываясь на расположении галактик и газа, а также степени гравитационного линзирования материи в искривленном пространстве скопления, ученые смогли вычислить расположение темной материи в скоплении.

«Утверждалось, что скопление Пулей подтвердило существование темной материи, что использовалось в качестве решительного аргумента против MOND», — говорит Павел Крупа, астрофизик Боннского университета. «Ну, оказывается, ситуация прямо противоположная».

Крупа свирепо увлечен МОНД и поставил перед собой задачу изучить его структуры в максимально возможном масштабе – в крупномасштабных скоплениях галактик. В его прицеле находится не что иное, как стандартная модель космологии, известная в просторечии как «лямбда-CDM» или ΛCDM (Λ относится к космологической постоянной или компоненту темной энергии Вселенной, а CDM — это холодная темная материя).

<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="исконный Впечатление художника ЕКА о том, как могла выглядеть очень ранняя Вселенная (возрастом менее 1 миллиарда лет), когда она переживала внезапную вспышку звездообразования. (Любезно предоставлено: A Schaller/STScI)» title = «Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href = «https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- битва-между-темной-материей-и-модифицированной-гравитацией-физикой-миром-3.jpg»>

Во-первых, Крупа считает, что такие огромные скопления галактик вообще не должны существовать, не говоря уже о том, чтобы у них было время столкнуться при высоких красных смещениях. ΛCDM утверждает, что структуры должны расти медленно, а Крупа утверждает, что это было бы слишком медленно для того, что показывают нам наши телескопы: массивные галактики и огромные скопления в ранней Вселенной. Что более важно, именно динамика самих столкновений кластеров дает Крупе надежду. В частности, ΛCDM предсказывает, что скорости галактик, попадающих в гравитационную яму объединенного скопления, должны быть намного ниже наблюдаемых.

«Столкновения скоплений галактик полностью противоречат ΛCDM, но вполне естественно согласуются с MOND», — говорит Крупа. Несмотря на энтузиазм Крупы, Макгоф в этом не уверен. Фактически, он считает, что скопления галактик представляют собой настоящую проблему как для ΛCDM, так и для MOND.

«Это беспорядок», — признает он. «Для темной материи скорости столкновений слишком высоки. Люди, изучающие темную материю, ходили взад и вперед, споря, являются ли скорости слишком высокими или нет? В случае с MOND это означает, что скопления галактик демонстрируют несоответствие масс даже после применения MOND. Кластеры меня беспокоят, потому что я просто не вижу хорошего выхода из этой ситуации».

Теория всего?

Кластеры и широкие бинарные файлы можно обсуждать. бесконечности пока та или иная сторона не признает свое поражение. Но, пожалуй, самая серьезная критика в адрес MOND заключалась в полном отсутствии работоспособной космологической модели. Попытка заменить темную материю модифицированной гравитацией в галактиках — это хорошо, но для того, чтобы теория в конечном итоге была успешной, она должна объяснить все, на что способна темная материя, и даже больше. Это означает, что он должен составить конкуренцию ΛCDM в объяснении того, что мы видим в космический микроволновый фон (CMB) – первичное микроволновое излучение, заполняющее Вселенную.

Реликтовое излучение часто называют «огненным шаром большого взрыва», но это нечто большее. На нем в виде тонких изменений температуры всего через 379,000 XNUMX лет после Большого взрыва отпечаталось то, что мы называем анизотропией, соответствующей областям немного более высокой или более низкой плотности, образованным акустическими волнами, которые отражались в первичной плазме. Это семена структурообразования во Вселенной. Из этих семян выросла «космическая паутина» — сеть нитей материи, вдоль которой растут галактики, а в местах соприкосновения нитей — крупные скопления галактик.

МОНД был разработан для объяснения кривых вращения галактик, опираясь на идеи Ньютона, а не Эйнштейна. Бекенштейну потребовалось еще 20 лет, чтобы создать релятивистскую модель МОНД, которую можно было бы применить к современной космологии. Названная тензорно-векторно-скалярной (TeVeS) гравитацией, она оказалась непопулярной, пытаясь объяснить размер третьего акустического пика в анизотропии, который в стандартной модели приписывается темной материи, а также ограничения в моделировании гравитационного линзирования и гравитационных волн. .

Многие думали, что проблема релятивистской модели МОНД настолько сложна, что невозможна. Затем, в 2021 году Константинос Скордис и Том Злосник Чешской академии наук доказали, что все были неправы. В своей модели дуэт представил модифицирующие гравитацию векторные и скалярные поля, которые действовали в ранней Вселенной и создавали гравитационные эффекты, имитирующие темную материю, а затем развивались с течением времени, чтобы напоминать обычную теорию MOND в современной Вселенной (Phys. Преподобный Летт. 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="Небесная головоломка Миссия «Планк» составила карту космического микроволнового фона. Широко распространенная интерпретация данных состоит в том, что Вселенная состоит примерно на 4.9% из обычной материи, на 26.8% из темной материи и на 68.3% из темной энергии. Теория МОНД изначально не могла объяснить изменения температуры, обнаруженные такими миссиями, как «Планк». В 2021 году Константинос Скордис и Том Злосник создали модель, вдохновленную MOND, которая соответствует данным Планка так же, как и моделям темной материи. (Любезно предоставлено: ЕКА и сотрудничество Планка)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -битва-между-темной-материей-и-модифицированной-гравитацией-физикой-миром-4.jpg”>

Учитывая мучительную историю попыток разработать релятивистскую модель МОНД, Макгоф считает, что это «замечательное достижение» — написать такую ​​теорию, которая соответствует микроволновому фону. Модель Скордиса и Злосника не идеальна. Как и TeVeS, он изо всех сил пытается объяснить количество гравитационного линзирования, которое мы наблюдаем во Вселенной. Баник также подчеркивает трудности модели, говоря, что «она столкнулась с трудностями, поскольку не дает хорошего объяснения скоплениям галактик».

Бейкер разделяет эти опасения. «Хотя возможность сделать это для MOND была хорошим шагом вперед, — говорит он, — я не думаю, что этого было достаточно, чтобы вернуть MOND в мейнстрим. Причина в том, что [Скордис и Злосник] добавили к нему много дополнительных полей, много наворотов, и он действительно теряет элегантность. Это работает с CMB, но кажется очень неестественным».

Возможно, мы возлагаем на плечи модели ненужный груз. Это можно рассматривать как начало, подтверждение концепции. «Я не знаю, является ли это окончательной теорией или даже правильным путем», — говорит Макгоф. «Но люди говорят, что это невозможно, а Скордис и Злосник показали, что это возможно, и это важный шаг вперед».

MOND продолжает очаровывать, разочаровывать и вызывать презрение у последователей темной материи. Научному сообществу еще предстоит пройти долгий путь, чтобы считать его тяжеловесным конкурентом ΛCDM, и этому, безусловно, мешает то, что над ним работает относительно мало людей, а это означает, что прогресс идет медленно.

Но успехи этой новой теории не следует игнорировать, говорит Макгоф. По крайней мере, это должно держать астрономов, работающих с основной моделью темной материи, в напряжении.

• Во второй части серии из трех частей Кит Купер исследует некоторые из недавних успехов темной материи и серьезные проблемы, с которыми она также сталкивается.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/