Kosmisk strid: djupdykning i kampen mellan mörk materia och modifierad gravitation – Physics World

Föreställ dig om du i ett svep med en liten justering av tyngdlagarna kunde vifta bort behovet av all mörk materia i universum. Du skulle bli av med en irriterande partikel som bara antas existera och som hittills har trotsat upptäckter. Istället skulle du ersätta den med en elegant teori som modifierar Isaac Newtons och Albert Einsteins grundläggande arbete.

Det är åtminstone drömmen om modifierad newtonsk dynamik, eller MOND. Utvecklad av israelisk fysiker Mordehai Milgrom och mexikanskfödd amerikansk-israelisk teoretiker Jacob Bekenstein i början av 1980-talet var det deras motgift mot det populära paradigmet för "mörk materia". För dem var mörk materia en onödig och klumpig koppling till kosmologin som, om den är verklig, betyder att 80 % av materien i kosmos är osynlig.

Under de 40 år som gått sedan det skapades fortsätter MONDs prestationer att överskuggas av kosmologins kärleksaffär med mörk materia. MOND har också kämpat för att förklara fenomen i skalor större och mindre än enskilda galaxer. Så är MOND något vi trots allt borde ta på allvar?

Nyfikna kurvor

Vår historia börjar i slutet av 1960-talet, och in på 1970-talet insåg de amerikanska astronomerna Vera Rubin och Kent Ford att stjärnor i utkanten av galaxer kretsade lika snabbt som stjärnor nära mitten, i uppenbar trots mot Johannes Keplers lagar för omloppsrörelse. . De illustrerade detta i galaxernas rotationskurvor, i huvudsak bara en graf över omloppshastighet kontra radie från centrum. Istället för att visa en negativ lutning var graferna en platt linje. Någonstans fanns det lite extra gravitation som drog runt de yttre stjärnorna.

Mörk materia – en osynlig form av materia som är så riklig att den skulle vara den dominerande gravitationskraften i universum – var den populära lösningen. Idag är begreppet mörk materia intimt sammanflätat i vår standardmodell av kosmologi och är inneboende i vår förståelse av hur struktur i universum bildas.

Bilden av att mörk materia bildas är snygg, men inte riktigt snygg nog för ett litet samhälle av fysiker och astronomer som har undvikit mörkmateriakosmologi och anammat MOND istället. Faktum är att de har gott om bevis för sitt fall. År 2016 Stacy McGaugh från Case Western Reserve University mätte rotationskurvorna för 153 galaxer (Phys. Pastor Lett. 117 201101) och fann, med en aldrig tidigare skådad noggrannhet, att deras rotationskurvor förklaras av MOND, utan att behöva tillgripa en gloria av mörk materia runt varje galax. Därmed motiverade han Milgroms förutsägelse.

"Jag skulle hävda att MOND förklarar dessa saker bättre än mörk materia, och anledningen till det är dess prediktiva kraft", säger McGaugh – en före detta mörkmateriaforskare som nu är en MOND-förespråkare, efter en uppenbarelse som såg honom byta sida. Han syftar på det faktum att om du känner till den synliga massan (alla dess stjärnor och gaser) för en galax, så kan du genom att använda MOND beräkna vad rotationshastigheterna kommer att bli. I mörkmateriaparadigmet kan du inte förutsäga hastigheterna baserat på närvaron av mörk materia. Istället måste du mäta galaxens rotationskurva för att sluta dig till hur mycket mörk materia som finns. McGaugh hävdar att det är cirkulärt resonemang, och inte bevis på mörk materia.

Hur man ändrar gravitationen

Att modifiera tyngdlagarna kan vara en förbannelse för många fysiker – sådan är kraften hos Newton och Einstein – men det är inte så konstigt att göra. Vi lever trots allt i ett mystiskt universum, fyllt av vetenskapliga gåtor. Vilken är den mörka energin ansvarig för accelerationen av universums expansion? Varför finns det en spänning i olika mätningar av universums expansionshastighet? Hur bildas galaxer så snabbt i det tidiga universum, vilket bevittnas av Hubble och James Webb rymdteleskop? Forskare tittar alltmer på modifierade gravitationsteorier för att ge svaren, men alla modifierade gravitationsmodeller är inte lika.

Vad varje teori om modifierad gravitation, inklusive MOND, måste göra är att förklara varför den förblir gömd för oss på vardagliga skalor, bara träder i kraft under vissa förhållanden

Tessa Baker, en kosmolog och modifierad gravitationsguru vid University of Portsmouth i Storbritannien, har byggt sin karriär på att testa gravitationens lagar och leta efter modifieringar, i hennes fall för att försöka förklara mörk energi. "MOND, som är ett exempel på en modifierad gravitationsteori, är ovanlig eftersom det är en teori som försöker ersätta mörk materia," förklarar Baker. "Majoriteten av teorierna om modifierad gravitation gör inte det."

Vad varje teori om modifierad gravitation, inklusive MOND, måste göra är att förklara varför den förblir gömd för oss på vardagliga skalor, bara igång under vissa förhållanden. Fysiker kallar punkten där denna övergång inträffar som "screening", och allt är ett skalaproblem.

"Den knepiga delen är, hur döljer man modifieringen på skalor där vi vet att generell relativitetsteori fungerar mycket bra?" frågar Baker. Det uppenbara stället att börja kan vara att överväga om gravitationen varierar på en avståndsskala, så i vårt solsystem bleknar gravitationen med den omvända kvadratiska regeln, men på skalan för galaxhopar minskar den i en annan takt. "Det här fungerar kategoriskt inte", säger McGaugh och tillägger att det finns andra skalor som fungerar.

Till exempel en teori om modifierad gravitation som Baker arbetar med – känd som f(R) gravitation – generaliserar Einsteins allmänna relativitetsteori. Under f(R), slår gravitationen på den mörka energieffekten i områden i rymden där materiens densitet blir tillräckligt låg, till exempel i kosmiska tomrum. För MOND är screeningmekanismens skala acceleration. Nedan en karakteristisk gravitationsacceleration som kallas a₀ – vilket är cirka 0.1 nanometer per sekund i kvadrat – gravitationen fungerar annorlunda.

Istället för att följa regeln om omvänd kvadrat, vid accelerationer nedan a₀ tyngdkraften avtar långsammare, med omvänd avstånd. Så något som kretsar på fyra gånger avståndet skulle kännas en fjärdedel av gravitationen, inte en 16:e. De låga gravitationsaccelerationerna som krävs för detta är exakt de som upplevs av stjärnor i utkanten av galaxer. "Så MOND slår på dessa modifieringar vid låga accelerationer på samma sätt som f(R) tyngdkraften slår på sina modifieringar vid låga densiteter”, förklarar Baker.

Konflikter och kontroverser

MOND utmärker sig för enskilda galaxer, men beroende på vem du pratar med, kanske det inte går så bra i andra miljöer. Och ett misslyckande i synnerhet har redan vänt en av MOND:s starkaste anhängare mot teorin.

Ett idealiskt laboratorium för att testa MOND är ett där mörk materia inte förväntas finnas närvarande i några stora mängder, vilket betyder att gravitationsavvikelser bara borde komma från själva gravitationslagarna. Breda binära stjärnsystem är en sådan miljö som består av par av stjärnor som är 500 AU eller mer isär (där en astronomisk enhet eller AU är medelavståndet mellan jorden och solen). Vid sådana enorma separationer är gravitationsfältet som känns av varje stjärna svagt.

Tack vare den Europeiska rymdorganisationens Gaia astrometriska rymduppdrag, har team av MOND-forskare nu kunnat mäta rörelserna hos breda binärer i jakt på bevis för MOND. Resultaten har varit kontroversiella och motstridiga, när det gäller överlevnaden av MOND som en giltig teori.

Ett lag, ledd av Kyu-Hyun Chae från Sejong University i Seoul, genomförde en uttömmande analys av 26,500 XNUMX breda binärer och hittade orbitala rörelser som matchade förutsägelserna av MOND (ApJ 952 128). Detta stöddes av tidigare arbete från Xavier Hernandez från Universidad Nacional Autónoma de México, som hyllade hur "spännande" Chaes resultat var. Men alla är inte övertygade.

Vid University of St Andrews i Storbritannien, Indranil Banik arbetade på sitt eget sexåriga projekt för att mäta MOND i breda binärer. Han hade publicerat sina planer inför sina mätningar, se till att ta sig tid att prata med andra experter och få feedback, finjustera sin metod så att alla kunde vara överens. Banik förväntade sig fullt ut att hans resultat skulle visa att MOND var verklig. "Jag förväntade mig uppenbarligen att MOND-scenariot skulle fungera", säger han. "Så det var verkligen en mycket stor överraskning när det inte gjorde det."

I en tidning publicerad i slutet av 2023 fann Banik ingen avvikelse från standard Newtonsk gravitation alls (Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Resultaten var ett sådant hammarslag för honom att det skakade Baniks värld, och han deklarerade offentligt att MOND hade fel – vilket fångade honom lite. Men varför skulle hans resultat vara så annorlunda än Chae och Hernandez? "Visst, de hävdar fortfarande att det finns något där," säger Banik. Han är dock skeptisk till deras resultat och hänvisar till skillnader i hur de hanterade osäkerheter i sina mätningar.

Dessa stridspunkter är mycket tekniska, så det är kanske inte en total överraskning att man har kommit fram till olika tolkningar. För utomstående är det faktiskt svårt att veta vem som har rätt och vem som inte har det. "Det är väldigt svårt att veta hur man ska bedöma detta", medger McGaugh. "Jag känner mig inte ens helt kvalificerad att döma på de skalorna, och jag är mycket mer kvalificerad än de flesta människor!"

Det är inte bara breda binärer där Banik ser att MOND misslyckas. Han citerar också fallet med vårt eget solsystem. En av de centrala principerna i MOND är fenomenet med den "externa fälteffekten", där Vintergatans övergripande gravitationsfält kan prägla sig på mindre system, som vårt solsystem. Vi borde se detta avtryck, särskilt på de yttre planeternas banor. Söker efter denna effekt genom radiospårningsdata från NASA:s rymdfarkost Cassini, som kretsade runt Saturnus mellan 2004 och 2017, har inte hittat några bevis för den yttre fälteffekten på Saturnus bana.

"Människor börjar inse att det inte finns något sätt att förena MOND med icke-detektering av effekter i Cassini-data och att MOND inte kommer att fungera på skalor under ett ljusår", säger Banik. Om Banik har rätt, så lämnar det MOND på en mycket dålig plats – men det är inte det enda slagfältet där MONDs krig mot mörk materia utkämpas.

Cluster gåtor

2006 släppte NASA en spektakulär bild av två kolliderande galaxhopar, kallade i sin kombinerade form som Bullet Cluster. Rymdteleskopet Hubble gav högupplösta bilder av var galaxerna befann sig, medan röntgenobservationer av den heta gasen mellan dessa galaxer kom från Chandra X-ray Observatory. Baserat på platsen för galaxerna och gasen, såväl som graden av gravitationslinsning som materia i det böjda utrymmet i klustret, kunde forskare beräkna platsen för den mörka materian i klustret.

"Det påstods att Bullet Cluster bekräftade förekomsten av mörk materia, som har använts för att argumentera starkt mot MOND," säger Pavel Kroupa, en astrofysiker vid universitetet i Bonn. "Tja, det visar sig att situationen är precis den motsatta."

Kroupa är grym i sin entusiasm för MOND och har siktet inställt på att utforska den på den största möjliga strukturskalan – storskaliga galaxhopar. I hans hårkors finns inget mindre än standardmodellen för kosmologi, i vardagsspråket känd som "lambda-CDM" eller ΛCDM (Λ hänvisar till den kosmologiska konstanten, eller den mörka energikomponenten i universum, och CDM är kall mörk 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="Ursprunglig En ESA-konstnärs intryck av hur det mycket tidiga universum (mindre än 1 tusen miljoner år gammalt) kan ha sett ut när det gick igenom ett abrupt utbrott av stjärnbildning. (Med tillstånd: A Schaller/STScI)” title=”Klicka för att öppna bild i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- strid-mellan-mörk-materia-och-modifierad-gravitation-fysik-världen-3.jpg”>

För det första anser Kroupa att sådana enorma galaxhopar inte ens borde existera, aldrig har haft tid att kollidera, vid höga rödförskjutningar. ΛCDM hävdar att strukturer bör växa långsamt, och Kroupa hävdar att det skulle vara för långsamt för vad våra teleskop visar oss: massiva galaxer och enorma kluster i det tidiga universum. Mer relevant är det dynamiken i själva klusterkollisionerna som ger Kroupa hopp. I synnerhet förutspår ΛCDM att hastigheterna för de galaxer som faller in i det kombinerade klustrets gravitationsbrunn bör vara mycket lägre än vad som observeras.

"Galaxyklusterkollisioner är helt oense med ΛCDM samtidigt som de är ganska naturliga överens med MOND", säger Kroupa. Trots Kroupas entusiasm är McGaugh inte så säker. Faktum är att han tror att galaxhopar är ett verkligt problem för både ΛCDM och MOND.

"Det är en röra", medger han. "För mörk materia är kollisionshastigheterna alldeles för höga. Människor med mörk materia har gått fram och tillbaka och argumenterat är hastigheterna för höga eller inte? För MOND är det att galaxhopar visar en massavvikelse även efter att du applicerat MOND. Kluster bekymrar mig eftersom jag helt enkelt inte ser en bra väg ut ur det.”

En teori om allt?

Kluster och breda binärer kan diskuteras oändlighet tills den ena eller andra sidan erkänner nederlag. Men den kanske allvarligaste kritiken mot MOND har varit dess direkta brist på en fungerande kosmologisk modell. Det är väl och bra att försöka ersätta mörk materia med modifierad gravitation i galaxer, men för att teorin i slutändan ska bli framgångsrik måste den förklara allt som mörk materia kan och mer. Detta betyder att det måste vara en rival till ΛCDM när det gäller att förklara vad vi ser i kosmisk mikrovågsugn bakgrund (CMB) – den ursprungliga mikrovågsstrålningen som fyller universum.

CMB karakteriseras ofta som "Big Bangs eldklot", men det är mer än så. Inpräglat på den i form av subtila temperaturvariationer från bara 379,000 XNUMX år efter Big Bang är vad vi kallar anisotropier, motsvarande regioner med något högre eller lägre densitet som bildas av akustiska vågor som ekade genom urplasman. Dessa är fröna till strukturbildning i universum. Ur dessa frön växte den "kosmiska webben" - ett nätverk av materiefilament längs vilka galaxer växer och, där filamenten möts, stora galaxhopar.

MOND skapades för att förklara galaxrotationskurvor genom att riffa på Newton, inte Einstein. Det tog ytterligare 20 år för Bekenstein att komma med en relativistisk modell av MOND som kunde tillämpas på modern kosmologi. Kallas Tensor–Vector–Scalar (TeVeS) gravitation, visade det sig vara impopulärt, och kämpade för att förklara storleken på den tredje akustiska toppen i anisotropierna som i standardmodellen kan tillskrivas mörk materia, såväl som begränsningar i modellering av gravitationslinser och gravitationsvågor .

Många trodde att problemet med en relativistisk modell av MOND var så svårt att det inte var möjligt. Sedan, 2021 Constantinos Skordis och Tom Złośnik från den tjeckiska vetenskapsakademin visade att alla hade fel. I sin modell introducerade duon gravitationsmodifierande vektor- och skalära fält som verkar i det tidiga universum för att skapa gravitationseffekter som efterliknar mörk materia, innan de utvecklades över tiden för att likna den vanliga MOND-teorin i det moderna universum (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="Sky pussel Planck-uppdraget kartlade den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Den allmänt accepterade tolkningen av data är att universum består av cirka 4.9 % vanlig materia, 26.8 % mörk materia och 68.3 % mörk energi. MOND-teorin kunde initialt inte förklara temperaturvariationerna som avslöjades av uppdrag som Planck. År 2021 skapade Constantinos Skordis och Tom Złośnik en MOND-inspirerad modell som matchar Planck-data lika bra som modeller av mörk materia. (Med tillstånd: ESA and the Planck Collaboration)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -kamp-mellan-mörk-materia-och-modifierad-gravitation-fysik-världen-4.jpg”>

Med tanke på den plågsamma historien om att försöka utveckla en relativistisk modell av MOND, anser McGaugh att det är en "anmärkningsvärd prestation" att kunna skriva ner en sådan teori som passar mikrovågsbakgrunden. Modellen Skordis och Złośnik är inte perfekt. Liksom TeVeS kämpar den för att förklara mängden gravitationslinser vi observerar i universum. Banik lyfter också fram svårigheter i modellen och säger att "den hamnade i svårigheter eftersom den inte ger en bra förklaring till galaxhopar".

Baker upprepar dessa farhågor. "Även om det var ett bra steg framåt för MOND att kunna göra det", säger han, "tror jag inte att det var tillräckligt för att få MOND tillbaka till mainstream. Anledningen är att [Skordis och Złośnik] har lagt till en hel del extra fält till den, många bjällror och visselpipor, och det tappar verkligen elegans. Det fungerar med CMB, men det verkar väldigt onaturligt.”

Kanske lägger vi onödig vikt på modellens axlar. Det kan ses som bara en början, ett proof of concept. "Om detta är den sista teorin, eller till och med på rätt väg, vet jag inte", säger McGaugh. "Men folk har sagt att det inte kan göras, och vad Skordis och Złośnik har visat är att det kan göras, och det är ett viktigt steg framåt."

MOND fortsätter att fascinera, frustrera och främja förakt från mörk materias lärjungar. Det är fortfarande en lång väg kvar att gå för forskarsamhället att betrakta det som en tungviktskonkurrent till ΛCDM, och det är verkligen hämmat av att det har relativt få människor som arbetar med det, vilket betyder att framstegen går långsamt.

Men de framgångar som denna uppkomlingsteori har haft bör inte ignoreras, säger McGaugh. Om inte annat borde det hålla astronomer som arbetar med den vanliga mörka materiamodellen på tårna.

• I del två av Keith Coopers tredelade serie kommer han att utforska några av mörk materias senaste framgångar och de allvarliga utmaningar den också står inför

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/