Vesoljski boj: poglobite se v bitko med temno snovjo in spremenjeno gravitacijo – svet fizike

Predstavljajte si, da bi lahko z enim zamahom, z eno majhno prilagoditvijo gravitacijskih zakonov, odpravili potrebo po vsej temni snovi v vesolju. Znebili bi se nadležnega delca, za katerega se le domneva, da obstaja in ga doslej niso odkrili. Namesto tega bi jo nadomestili z elegantno teorijo, ki spreminja temeljno delo Isaaca Newtona in Alberta Einsteina.

Vsaj to so sanje modificirane Newtonove dinamike ali MOND. Razvil izraelski fizik Mordehai Milgrom in ameriško-izraelski teoretik mehiškega rodu Jakob Bekenstein v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bil njihov protistrup proti priljubljeni paradigmi "temne snovi". Za njih je bila temna snov nepotreben in neroden priponka na kozmologijo, ki, če je resnična, pomeni, da je 1980 % snovi v vesolju nevidne.

V 40 letih, odkar je bil zasnovan, so dosežki MOND-a še vedno v senci zaljubljenosti kozmologije v temno snov. MOND se prav tako trudi razložiti pojave na lestvicah, večjih in manjših od posameznih galaksij. Je MOND torej nekaj, kar bi morali jemati resno?

Radovedne obline

Naša zgodba se začne v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja pa sta ameriška astronoma Vera Rubin in Kent Ford ugotovila, da zvezde na obrobju galaksij krožijo prav tako hitro kot zvezde blizu središča, kar je očitno v nasprotju z zakoni orbitalnega gibanja Johannesa Keplerja . To so ponazorili z rotacijskimi krivuljami galaksij, v bistvu le z grafom orbitalne hitrosti v odvisnosti od polmera iz središča. Namesto da bi prikazovali negativni naklon, so bili grafi ravna črta. Nekje je bilo nekaj dodatne gravitacije, ki je vlekla te zunanje zvezde.

Temna snov – nevidna oblika snovi, ki je tako bogata, da bi bila prevladujoča gravitacijska sila v vesolju – je bila priljubljena rešitev. Danes je koncept temne snovi tesno povezan z našim standardnim modelom kozmologije in je neločljivo povezan z našim razumevanjem oblikovanja strukture v vesolju.

Slika, ki jo tvori temna snov, je čista, vendar ne dovolj čista za majhno skupnost fizikov in astronomov, ki so se izogibali kozmologiji temne snovi in ​​namesto tega sprejeli MOND. Pravzaprav imajo obilico dokazov za svoj primer. Leta 2016 Stacy McGaugh z univerze Case Western Reserve izmeril rotacijske krivulje 153 galaksij (Fiz. Rev. Lett. 117 201101) in z natančnostjo brez primere ugotovil, da njihove rotacijske krivulje razlaga MOND, ne da bi se morali zateči k haloju temne snovi okoli vsake galaksije. S tem je upravičil Milgromovo napoved.

»Trdim, da MOND te stvari razloži bolje kot temna snov, razlog za to pa je njegova napovedna moč,« pravi McGaugh – nekdanji raziskovalec temne snovi, ki je zdaj zagovornik MOND-a, po epifaniji, ko je zamenjal stran. Sklicuje se na dejstvo, da če poznate vidno maso (vse njene zvezde in pline) galaksije, lahko z uporabo MOND-a izračunate, kakšne bodo vrtilne hitrosti. V paradigmi temne snovi ne morete napovedati hitrosti na podlagi prisotnosti temne snovi. Namesto tega morate izmeriti rotacijsko krivuljo galaksije, da sklepate, koliko temne snovi je prisotne. McGaugh trdi, da je to krožno sklepanje in ne dokaz temne snovi.

Kako spremeniti gravitacijo

Spreminjanje gravitacijskih zakonov je lahko za mnoge fizike anatema – takšna je moč Newtona in Einsteina – vendar to ni tako nenavadna stvar. Navsezadnje živimo v skrivnostnem vesolju, polnem znanstvenih zagat. Kakšna temna energija je odgovorna za pospešitev širjenja vesolja? Zakaj obstaja napetost v različnih meritvah hitrosti širjenja vesolja? Kako hitro nastajajo galaksije v zgodnjem vesolju, kot priča Hubble in Vesoljski teleskopi James Webb? Raziskovalci vedno bolj iščejo spremenjene teorije gravitacije, da bi zagotovili odgovore, vendar niso vsi modeli modificirane gravitacije enaki.

Kar mora vsaka teorija spremenjene gravitacije, vključno z MOND, pojasniti, zakaj nam ostaja skrita v vsakdanjem obsegu in začne delovati šele pod določenimi pogoji

Tessa Baker, kozmologinja in guru modificirane gravitacije na Univerzi v Portsmouthu v Združenem kraljestvu, je svojo kariero zgradila na preizkušanju zakonov gravitacije in iskanju modifikacij, v njenem primeru, da bi poskušala razložiti temno energijo. "MOND, ki je en primer spremenjene gravitacijske teorije, je nenavaden v tem, da je teorija, ki poskuša nadomestiti temno snov," pojasnjuje Baker. "Večina teorij spremenjene gravitacije tega ne počne."

Kar mora vsaka teorija spremenjene gravitacije, vključno z MOND, pojasniti, zakaj nam ostaja skrita v vsakdanjem obsegu in začne delovati šele pod določenimi pogoji. Fiziki imenujejo točko, na kateri pride do tega prehoda, "presejanje" in vse je problem obsega.

"Težaven del je, kako skriti spremembo na lestvicah, kjer vemo, da splošna relativnost deluje zelo dobro?" vpraša Baker. Očitno bi bilo treba začeti z razmislekom o tem, ali se gravitacija spreminja na lestvici razdalje, tako da v našem sončnem sistemu gravitacija bledi po pravilu inverznega kvadrata, na lestvici jat galaksij pa se zmanjšuje z drugačno hitrostjo. "To kategorično ne deluje," pravi McGaugh in dodaja, da obstajajo druge lestvice, ki delujejo.

Na primer, ena teorija spremenjene gravitacije, s katero dela Baker – znana kot f(R) gravitacija – posplošuje Einsteinovo splošno teorijo relativnosti. Spodaj f(R), gravitacija vklopi učinek temne energije na območjih vesolja, kjer postane gostota snovi dovolj nizka, na primer v kozmičnih prazninah. Za MOND je lestvica presejalnega mehanizma pospešek. Spodaj je značilen gravitacijski pospešek, imenovan kot a₀ – kar je približno 0.1 nanometra na sekundo na kvadrat – gravitacija deluje drugače.

Namesto da sledite pravilu inverznega kvadrata, pri spodnjih pospeških a₀ gravitacija upada počasneje, inverzno z razdaljo. Torej bi nekaj, kar kroži na štirikratni razdalji, občutilo četrtino gravitacije, ne 16. Nizki gravitacijski pospeški, potrebni za to, so natanko tisti, ki jih doživljajo zvezde na obrobju galaksij. »MOND torej vklopi te modifikacije pri nizkih pospeških na enak način kot f(R) gravitacija vklopi svoje modifikacije pri nizkih gostotah,« pojasnjuje Baker.

Konflikt in polemika

MOND je odličen za posamezne galaksije, vendar glede na to, s kom govorite, morda ne deluje tako dobro v drugih okoljih. In en neuspeh je že obrnil enega od MOND-ovih najodločnejših zagovornikov proti teoriji.

Idealen laboratorij za testiranje MOND je tisti, kjer se ne pričakuje, da bo temna snov prisotna v kakršnih koli velikih količinah, kar pomeni, da bi morale vse gravitacijske anomalije izhajati le iz samih zakonov gravitacije. Široki binarni zvezdni sistemi so eno od takšnih okolij, sestavljeno iz parov zvezd, ki merijo 500 AU ali več narazen (kjer je ena astronomska enota ali AU povprečna razdalja med Zemljo in Soncem). Pri tako velikih razdaljah je gravitacijsko polje, ki ga čuti vsaka zvezda, šibko.

Zahvaljujoč Astrometrična vesoljska misija Gaia Evropske vesoljske agencije, so ekipe raziskovalcev MOND zdaj lahko izmerile gibanje širokih binarnih sistemov v iskanju dokazov o MOND. Rezultati so bili kontroverzni in nasprotujoči si v smislu preživetja MOND-a kot veljavne teorije.

Ena ekipa, ki jo vodi Kyu-Hyun Chae z univerze Sejong v Seuluje izvedel izčrpno analizo 26,500 širokih binarnih datotek in našel orbitalna gibanja, ki so se ujemala z napovedmi MOND-a (ApJ 952 128). To je podprlo prejšnje delo Xavierja Hernandeza z Universidad Nacional Autónoma de México, ki je pozdravil, kako "razburljiv" je bil Chaejev rezultat. A niso vsi prepričani.

Na univerzi St Andrews v Veliki Britaniji, Indranil Banik je delal na lastnem šestletnem projektu merjenja MOND v širokih binarnih sistemih. Svoje načrte je objavil še pred meritvami, pri čemer je poskrbel, da si je vzel čas za pogovor z drugimi strokovnjaki in pridobil povratne informacije ter natančno prilagodil svojo metodo, da bi se lahko vsi strinjali. Banik je popolnoma pričakoval, da bodo njegovi rezultati pokazali, da je MOND resničen. "Očitno sem pričakoval, da bo scenarij MOND deloval," pravi. "Torej je bilo res veliko presenečenje, ko se ni."

V članku, objavljenem konec leta 2023, Banik sploh ni našel nobenega odstopanja od standardne newtonske gravitacije (Mesečna obvestila Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Rezultati so bili zanj tako hud udarec, da so pretresli Banikov svet, in javno je izjavil, da se MOND moti – kar ga je nekoliko prestrašilo. Zakaj pa bi se njegovi rezultati tako razlikovali od Chaeja in Hernandeza? »Vsekakor še vedno trdijo, da je tam nekaj,« pravi Banik. Vendar pa je skeptičen do njihovih rezultatov in navaja razlike v tem, kako so obravnavali negotovosti v svojih meritvah.

Te sporne točke so zelo tehnične, zato morda ni popolno presenečenje, da je prišlo do različnih razlag. Zunanjim osebam je namreč težko vedeti, kdo ima prav in kdo ne. "Zelo težko je vedeti, kako to oceniti," priznava McGaugh. "Sploh se ne počutim povsem usposobljenega za ocenjevanje na teh lestvicah in sem veliko bolj usposobljen kot večina ljudi!"

Banik ne vidi le širokih binarnih datotek, pri katerih MOND ne uspe. Navaja tudi primer našega sončnega sistema. Eno od osrednjih načel MOND-a je pojav »učinka zunanjega polja«, pri katerem se celotno gravitacijsko polje galaksije Rimske ceste lahko vtisne v manjše sisteme, kot je naš sončni sistem. Ta odtis bi morali videti, zlasti na orbitah zunanjih planetov. Iskanje tega učinka prek podatkov radijskega sledenja iz Nasino vesoljsko plovilo Cassini, ki je krožil okoli Saturna med letoma 2004 in 2017, ni našel dokazov za učinek zunanjega polja na Saturnovo orbito.

»Ljudje se začenjajo zavedati, da MOND ni mogoče uskladiti z nezaznavanjem učinkov v podatkih Cassini in da MOND ne bo deloval na lestvicah pod svetlobnim letom,« pravi Banik. Če ima Banik prav, potem MOND pušča na zelo slabem mestu – vendar to ni edino bojišče, na katerem se MOND bije v vojni proti temni snovi.

Grozdne uganke

Leta 2006 je NASA izdala a spektakularna podoba dveh trčnih jat galaksij, ki ju v njuni združeni obliki imenujemo jata krogla. Vesoljski teleskop Hubble je zagotovil visokoločljive poglede na lokacijo galaksij, medtem ko so rentgenska opazovanja vročega plina med temi galaksijami prišla iz rentgenskega observatorija Chandra. Na podlagi lokacij galaksij in plina ter stopnje gravitacijske leče kot snovi v upognjenem prostoru jate so znanstveniki lahko izračunali lokacijo temne snovi v jati.

"Trdilo se je, da je jata krogel potrdila obstoj temne snovi, kar je bilo uporabljeno za ostre argumente proti MOND-u," pravi Pavel Kroupa, astrofizik na Univerzi v Bonnu. "No, izkazalo se je, da je situacija ravno nasprotna."

Kroupa je divji v svojem navdušenju nad MOND-om in si je zadal cilj, da ga razišče na največjih možnih lestvicah strukture – velikih jatah galaksij. V njegovem križu ni nič manj kot standardni model kozmologije, pogovorno znan kot "lambda-CDM" ali ΛCDM (Λ se nanaša na kozmološko konstanto ali komponento temne energije vesolja, CDM pa je hladna temna snov).

<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="Prvinsko 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”>

Kot prvo, Kroupa verjame, da tako ogromne galaktične jate sploh ne bi smele obstajati, niti ne glede na to, da so imele čas trčiti pri visokih rdečih premikih. ΛCDM trdi, da bi morale strukture rasti počasi, Kroupa pa trdi, da bi bilo to prepočasi za to, kar nam kažejo naši teleskopi: ogromne galaksije in ogromne kopice v zgodnjem vesolju. Bolj pomembno je, da je dinamika samih trkov grozdov tista, ki Kroupi daje upanje. Zlasti ΛCDM napoveduje, da bi morale biti hitrosti galaksij, ki padejo v gravitacijski vodnjak združene jate, veliko nižje od opazovanih.

"Trki jat galaksij so v popolnem neskladju z ΛCDM, medtem ko so v precej naravnem soglasju z MOND," pravi Kroupa. Kljub Kroupovemu navdušenju McGaugh ni tako prepričan. Pravzaprav meni, da so jate galaksij resničen problem za ΛCDM in MOND.

"Nered je," priznava. »Za temno snov so hitrosti trka veliko previsoke. Ljudje s temno snovjo so hodili naprej in nazaj in se prepirali, ali so hitrosti prehitre ali ne? Za MOND je to, da jate galaksij kažejo masno neskladje tudi potem, ko uporabite MOND. Grozdi me skrbijo, ker preprosto ne vidim dobrega izhoda iz tega.«

Teorija vsega?

O grozdih in širokih binarnih datotekah je mogoče razpravljati ad infinitum dokler ena ali druga stran ne prizna poraza. Toda morda je bila najresnejša kritika MOND-a popolno pomanjkanje delujočega kozmološkega modela. Vse je v redu in prav, če poskušamo temno snov zamenjati s spremenjeno gravitacijo v galaksijah, a da bi bila teorija končno uspešna, mora razložiti vse, kar lahko temna snov, in še več. To pomeni, da mora biti tekmec ΛCDM pri pojasnjevanju tega, kar vidimo v kozmično mikrovalovno ozadje (CMB) – prvobitno mikrovalovno sevanje, ki napolnjuje vesolje.

CMB je pogosto označen kot "ognjena krogla velikega poka", vendar je več kot to. Na njej so v obliki subtilnih temperaturnih variacij od samo 379,000 let po velikem poku odtisnjene tako imenovane anizotropije, ki ustrezajo območjem nekoliko višje ali nižje gostote, ki jih tvorijo akustični valovi, ki so odmevali skozi prvotno plazmo. To so semena oblikovanja strukture v vesolju. Iz teh semen je zrasla »kozmična mreža« – mreža filamentov snovi, vzdolž katere rastejo galaksije in, kjer se filamenti srečajo, velike jate galaksij.

MOND je bil zasnovan za razlago rotacijskih krivulj galaksij tako, da se sklicuje na Newtona in ne na Einsteina. Potrebovalo je nadaljnjih 20 let, da je Bekenstein prišel do relativističnega modela MOND, ki bi ga lahko uporabili v sodobni kozmologiji. Imenuje se tenzorsko-vektorsko-skalarna gravitacija (TeVeS) in se je izkazala za nepriljubljeno, saj je težko razložila velikost tretjega akustičnega vrha v anizotropijah, ki jih je v standardnem modelu mogoče pripisati temni snovi, pa tudi omejitve pri modeliranju gravitacijskih leč in gravitacijskih valov .

Mnogi ljudje so mislili, da je problem relativističnega modela MOND tako težak, da ni mogoč. Potem, leta 2021 Constantinos Skordis in Tom Zlośnik Češke akademije znanosti dokazal, da so se vsi motili. V svojem modelu je dvojec predstavil vektorska in skalarna polja, ki spreminjajo gravitacijo, ki delujejo v zgodnjem vesolju, da ustvarijo gravitacijske učinke, ki posnemajo temno snov, preden se sčasoma razvijejo v podobnost običajni teoriji MOND v sodobnem vesolju (Fiz. Rev. 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="Nebeška uganka 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”>

Glede na mučno zgodovino poskusov razvoja relativističnega modela MOND McGaugh verjame, da je "izjemen dosežek", da lahko zapišem takšno teorijo, ki ustreza mikrovalovnemu ozadju. Model Skordis in Złośnik ni popoln. Tako kot TeVeS se trudi razložiti količino gravitacijskih leč, ki jih opazimo v vesolju. Banik prav tako poudarja težave v modelu in pravi, da je "zašel v težave, ker ne zagotavlja dobre razlage za jate galaksij".

Baker ponavlja te pomisleke. »Čeprav je bil za MOND dober korak naprej, da je to lahko naredil,« pravi, »mislim, da to ni bilo dovolj, da smo MOND vrnili v mainstream. Razlog je v tem, da sta mu [Skordis in Złośnik] dodala veliko dodatnih polj, veliko dodatkov in resnično izgubi eleganco. Deluje s CMB, vendar se zdi zelo nenaravno.«

Morda s tem pretirano obremenjujemo manekenka na ramena. Na to bi lahko gledali le kot na začetek, dokaz koncepta. "Ne vem, ali je to zadnja teorija ali celo prava pot," pravi McGaugh. "Toda ljudje so govorili, da tega ni mogoče narediti, in kar sta Skordis in Złośnik pokazala, je, da je to mogoče, in to je pomemben korak naprej."

MOND še naprej fascinira, frustrira in spodbuja prezir učencev temne snovi. Pred znanstveno skupnostjo je še dolga pot, ki jo bo obravnavala kot težkega tekmeca ΛCDM, vsekakor pa jo ovira razmeroma malo ljudi, ki delajo na njej, kar pomeni, da je napredek počasen.

Toda uspehov, ki jih je dosegla ta nadobudna teorija, ne smemo prezreti, pravi McGaugh. Če nič drugega, bi moralo astronome vztrajati pri delu z glavnim modelom temne snovi.

• V drugem delu tridelne serije Keitha Cooperja bo raziskal nekatere nedavne uspehe temne snovi in ​​resne izzive, s katerimi se sooča.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/