Kozmik savaş: Karanlık madde ile değiştirilmiş yerçekimi arasındaki savaşın derinliklerine inmek – Fizik Dünyası

Yerçekimi yasalarında yapılacak küçük bir değişiklikle, tek bir hamlede, evrendeki tüm karanlık maddeye olan ihtiyacı ortadan kaldırabileceğinizi hayal edin. Yalnızca var olduğu anlaşılan ve şu ana kadar keşfedilmeye meydan okuyan sinir bozucu bir parçacıktan kendinizi kurtarmış olursunuz. Bunun yerine, onu Isaac Newton ve Albert Einstein'ın temel çalışmalarını değiştiren zarif bir teoriyle değiştirirsiniz.

En azından değiştirilmiş Newton dinamiğinin veya MOND'un hayali bu. İsrailli fizikçi tarafından geliştirildi Mordehay Milgrom ve Meksika doğumlu Amerikalı-İsrailli teorisyen Jacob Bekenstein 1980'lerin başında bu, onların popüler "karanlık madde" paradigmasına karşı panzehiriydi. Onlara göre karanlık madde, kozmolojiye gereksiz ve beceriksiz bir eklemeydi; bu, eğer gerçekse, evrendeki maddenin %80'inin görünmez olduğu anlamına gelir.

Tasarlanmasından bu yana geçen 40 yılda MOND'un başarıları, kozmolojinin karanlık maddeyle olan aşk ilişkisinin gölgesinde kalmaya devam ediyor. MOND ayrıca bireysel galaksilerden daha büyük ve daha küçük ölçeklerdeki olguları açıklamakta da zorlandı. Peki MOND ciddiye almamız gereken bir şey mi?

Meraklı eğriler

Hikayemiz 1960'ların sonlarında başlıyor ve 1970'lere gelindiğinde ABD'li gökbilimciler Vera Rubin ve Kent Ford, Johannes Kepler'in yörünge hareketi yasalarına açıkça meydan okuyarak, galaksilerin eteklerindeki yıldızların merkeze yakın yıldızlar kadar hızlı yörüngede döndüğünü fark ettiler. . Bunu galaksilerin dönüş eğrilerinde gösterdiler; esasen merkezden yarıçapa karşı yörünge hızının grafiği. Negatif bir eğim göstermek yerine grafikler düz bir çizgiydi. Bir yerlerde, dış yıldızları çeken fazladan bir yerçekimi vardı.

Karanlık madde (maddenin evrendeki baskın çekim kuvveti olacak kadar bol miktarda bulunan, görünmeyen bir formu) popüler çözümdü. Bugün, karanlık madde kavramı standart kozmoloji modelimiz ile yakından iç içe geçmiş durumda ve evrendeki yapının nasıl oluştuğuna dair anlayışımızın doğasında var.

Karanlık maddenin oluşturduğu resim güzel ama karanlık madde kozmolojisinden uzak durup MOND'u benimseyen küçük bir fizikçi ve gökbilimci topluluğu için yeterince düzgün değil. Aslında onların davalarına dair pek çok delilleri var. 2016 yılında Case Western Reserve Üniversitesi'nden Stacy McGaugh 153 galaksinin dönüş eğrilerini ölçtük (Fizik Rev. Lett. 117 201101) ve benzeri görülmemiş bir doğrulukla, dönme eğrilerinin, her galaksinin etrafındaki karanlık madde halesine başvurmaya gerek kalmadan MOND tarafından açıklandığını buldu. Bunu yaparak Milgrom'un tahminini haklı çıkardı.

Eski bir karanlık madde araştırmacısı olan ve şu anda MOND'un savunucusu olan McGaugh, taraf değiştirdiğini gören bir aydınlanmanın ardından "MOND'un bu şeyleri karanlık maddeden daha iyi açıkladığını iddia ediyorum ve bunun nedeni de tahmin gücüdür" diyor. Bir galaksinin görünür kütlesini (tüm yıldızları ve gazları) biliyorsanız, MOND uygulayarak dönüş hızlarının ne olacağını hesaplayabileceğiniz gerçeğinden bahsediyor. Karanlık madde paradigmasında, karanlık maddenin varlığına dayanarak hızları tahmin edemezsiniz. Bunun yerine, ne kadar karanlık maddenin mevcut olduğunu anlamak için galaksinin dönüş eğrisini ölçmeniz gerekir. McGaugh bunun döngüsel bir akıl yürütme olduğunu ve karanlık maddenin kanıtı olmadığını savunuyor.

Yer çekimi nasıl değiştirilir?

Yerçekimi yasalarını değiştirmek pek çok fizikçi için nefret uyandırıcı olabilir - Newton ve Einstein'ın gücü böyledir - ama bu o kadar da tuhaf bir şey değil. Sonuçta bilimsel bilmecelerle dolu gizemli bir evrende yaşıyoruz. Evrenin genişlemesinin hızlanmasından sorumlu olan karanlık enerji nedir? Evrenin genişleme hızına ilişkin farklı ölçümlerde neden bir gerilim var? Evrenin erken dönemlerinde galaksiler nasıl bu kadar hızlı oluşuyor? Hubble ve James Webb uzay teleskopları? Araştırmacılar cevapları sağlamak için değiştirilmiş yerçekimi teorilerine giderek daha fazla bakıyorlar, ancak değiştirilmiş yerçekimi modellerinin tümü eşit değil.

MOND da dahil olmak üzere her değiştirilmiş yerçekimi teorisinin yapması gereken şey, bunun neden günlük ölçeklerde bizden gizli kaldığını, yalnızca belirli koşullar altında faaliyete geçtiğini açıklamaktır.

Tessa BakerBirleşik Krallık'taki Portsmouth Üniversitesi'nde kozmolog ve değiştirilmiş yerçekimi gurusu olan , kariyerini yerçekimi yasalarını test etmek ve kendi durumunda karanlık enerjiyi açıklamaya çalışmak için değişiklikler aramak üzerine inşa etti. Baker, "Değiştirilmiş yerçekimi teorisinin bir örneği olan MOND, karanlık maddenin yerini almaya çalışan bir teori olması açısından sıra dışıdır" diye açıklıyor. "Değiştirilmiş yerçekimi teorilerinin çoğu bunu yapmıyor."

MOND da dahil olmak üzere her değiştirilmiş yerçekimi teorisinin yapması gereken şey, bunun neden günlük ölçeklerde bizden gizli kaldığını ve yalnızca belirli koşullar altında faaliyete geçtiğini açıklamaktır. Fizikçiler bu geçişin gerçekleştiği noktayı “tarama” olarak adlandırıyor ve bu tamamen bir ölçek sorunu.

"Zor olan kısım, genel göreliliğin çok iyi çalıştığını bildiğimiz ölçeklerdeki değişikliği nasıl gizleyeceğiniz?" Baker'a soruyor. Başlamak için bariz nokta, yerçekiminin uzaklık ölçeğinde değişip değişmediğini düşünmek olabilir; yani güneş sistemimizde yerçekimi ters kare kuralıyla azalırken galaksi kümeleri ölçeğinde farklı bir oranda azalır. McGaugh, "Bu kategorik olarak işe yaramıyor" diyor ve işe yarayan başka ölçeklerin de olduğunu ekliyor.

Örneğin, Baker'ın üzerinde çalıştığı değiştirilmiş yerçekimi teorisi f(R) yer çekimi – Einstein'ın genel görelilik teorisini genelleştirir. Altında f(R), yerçekimi, kozmik boşluklar gibi madde yoğunluğunun yeterince düşük olduğu uzay alanlarında karanlık enerji etkisini etkinleştirir. MOND için tarama mekanizmasının ölçeği ivmedir. Karakteristik yer çekimi ivmesinin altında a₀ - ki bu yaklaşık 0.1 nanometre bölü saniye karedir - yerçekimi farklı şekilde çalışır.

Aşağıdaki ivmelerde ters kare kuralını takip etmek yerine a₀ yerçekimi mesafenin tersiyle daha yavaş azalır. Yani mesafenin dört katı yörüngede dönen bir şey yer çekiminin 16'sını değil dörtte birini hissedecektir. Bunun için gerekli olan düşük kütleçekim ivmeleri, galaksilerin eteklerindeki yıldızların deneyimlediği ivmelerin aynısıdır. "Dolayısıyla MOND, bu modifikasyonları düşük hızlanmalarda aynı şekilde devreye sokuyor. f(R) yerçekimi, düşük yoğunluklarda modifikasyonlarını devreye sokuyor," diye açıklıyor Baker.

Çatışma ve tartışma

MOND, bireysel galaksiler için mükemmeldir, ancak kiminle konuştuğunuza bağlı olarak, belki de diğer ortamlarda o kadar iyi performans göstermeyebilir. Ve özellikle bir başarısızlık MOND'un en sadık destekçilerinden birinin teoriye karşı çıkmasına neden oldu.

MOND'u test etmek için ideal bir laboratuvar, karanlık maddenin çok fazla miktarda bulunmasının beklenmediği bir laboratuvardır; bu, herhangi bir kütleçekimsel anormalliğin yalnızca yerçekimi yasalarından kaynaklanması gerektiği anlamına gelir. Geniş ikili yıldız sistemleri, 500 AU veya daha fazla yıldız çiftlerinden oluşan böyle bir ortamdır. ayrı (burada bir astronomik birim veya AU Dünya ile Güneş arasındaki ortalama mesafe). Bu kadar büyük ayrımlarda her yıldızın hissettiği çekim alanı zayıftır.

Sayesinde Avrupa Uzay Ajansı'nın Gaia astrometrik uzay misyonuMOND araştırmacılarından oluşan ekipler artık MOND'un kanıtını bulmak için geniş ikili dosyaların hareketlerini ölçebiliyor. Sonuçlar, MOND'un geçerli bir teori olarak hayatta kalması açısından tartışmalı ve çelişkili olmuştur.

Liderliğindeki bir ekip Seul'deki Sejong Üniversitesi'nden Kyu-Hyun Chae26,500 geniş ikili dosyanın kapsamlı bir analizini gerçekleştirdi ve MOND'un tahminleriyle eşleşen yörünge hareketleri buldu (ApJ 952 128). Bu, Chae'nin sonucunun ne kadar "heyecan verici" olduğunu öven Universidad Nacional Autónoma de México'dan Xavier Hernandez'in daha önceki çalışmaları tarafından desteklendi. Ancak herkes ikna olmuş değil.

İngiltere'deki St Andrews Üniversitesi'nde, Indranil Banik MOND'u geniş ikili dosyalarda ölçmek için kendi altı yıllık projesi üzerinde çalışıyordu. Ölçümlerini yapmadan önce planlarını yayınlamış, diğer uzmanlarla konuşmaya ve geri bildirim almaya zaman ayırmış, herkesin hemfikir olabilmesi için yöntemine ince ayar yapmıştı. Banik, sonuçlarının MOND'un gerçek olduğunu göstermesini bekliyordu. “Açıkçası MOND senaryosunun işe yarayacağını bekliyordum” diyor. “Yani gerçekleşmemesi gerçekten çok büyük bir sürprizdi.”

2023'ün sonlarında yayınlanan bir makalede Banik, standart Newton yerçekiminden hiçbir sapma bulamadı (Kraliyet Astronomi Topluluğu Aylık Bildirimleri 10.1093/mnras/stad3393). Sonuçlar onun için o kadar büyük bir darbe oldu ki Banik'in dünyasını sarstı ve MOND'un yanıldığını açıkça ilan etti ve bu da onu biraz eleştirdi. Peki sonuçları neden Chae ve Hernandez'den bu kadar farklı olsun ki? Banik, "Elbette hâlâ orada bir şeyler olduğunu savunuyorlar" diyor. Ancak ölçümlerindeki belirsizliklerle nasıl başa çıktıklarındaki farklılıklara dikkat çekerek sonuçlarına şüpheyle yaklaşıyor.

Bu çekişme noktaları son derece tekniktir, dolayısıyla farklı yorumlara varılması belki de tamamen sürpriz değildir. Aslında dışarıdan bakanlar için kimin haklı kimin haksız olduğunu bilmek zordur. McGaugh, "Bunu nasıl değerlendireceğimizi bilmek çok zor" diye itiraf ediyor. "Kendimi bu ölçeklere göre değerlendirme yapmaya bile tam olarak yetkili hissetmiyorum ve çoğu insandan çok daha nitelikliyim!"

Banik'in MOND'un başarısız olduğunu düşündüğü şey yalnızca geniş ikili dosyalar değil. Ayrıca kendi güneş sistemimiz örneğinden de bahsediyor. MOND'un temel ilkelerinden biri, Samanyolu galaksisinin genel çekim alanının, güneş sistemimiz gibi daha küçük sistemlere kendisini damgalayabildiği "dış alan etkisi" olgusudur. Bu izi özellikle dış gezegenlerin yörüngelerinde görmeliyiz. Bu etkiyi radyo izleme verileri aracılığıyla aramak NASA'nın Cassini uzay aracı2004 ile 2017 yılları arasında Satürn'ün yörüngesinde dönen uzay aracı, Satürn'ün yörüngesi üzerindeki dış alan etkisine dair hiçbir kanıt bulamadı.

Banik, "İnsanlar MOND'u Cassini verilerindeki etkilerin tespit edilememesiyle bağdaştırmanın bir yolu olmadığını ve MOND'un bir ışık yılının altındaki ölçeklerde çalışmayacağını anlamaya başlıyor" diyor. Banik haklıysa bu MOND'u çok kötü bir durumda bırakıyor; ancak MOND'un karanlık maddeye karşı savaşının yürütüldüğü tek savaş alanı bu değil.

Küme bilmeceleri

2006 yılında NASA bir yayınladı Çarpışan iki gökada kümesinin, birleşik halleriyle Kurşun Kümesi olarak anılan muhteşem görüntüsü. Hubble Uzay Teleskobu galaksilerin bulunduğu yer hakkında yüksek çözünürlüklü görüntüler sağlarken, bu galaksiler arasındaki sıcak gazın X-ışını gözlemleri Chandra X-ışını Gözlemevi'nden geldi. Bilim adamları, galaksilerin ve gazların konumlarının yanı sıra kümenin bükülmüş uzayındaki madde olarak yerçekimsel merceklenmenin derecesine dayanarak, kümedeki karanlık maddenin konumunu hesaplayabildiler.

"Kurşun Kümesinin, MOND'a karşı güçlü bir şekilde argüman olarak kullanılan karanlık maddenin varlığını doğruladığı iddia edildi" diyor Pavel Kroupa, Bonn Üniversitesi'nden bir astrofizikçi. “Eh, durumun tam tersi olduğu ortaya çıktı.”

Kroupa, MOND'a karşı çok şiddetli bir tutkuya sahip ve gözlerini onu mümkün olan en geniş yapı ölçeklerinde (büyük ölçekli galaksi kümeleri) keşfetmeye dikti. Artı işaretlerinde, halk arasında "lambda-CDM" veya ΛCDM (Λ kozmolojik sabiti veya evrenin karanlık enerji bileşenini ifade eder ve CDM, soğuk karanlık maddedir) olarak bilinen standart kozmoloji modelinden başka bir şey yoktur.

<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="ilkel Bir ESA sanatçısının, çok erken dönemdeki evrenin (1 milyar yıldan daha genç) ani bir yıldız oluşumu patlamasından geçtiğinde nasıl görünebileceğine dair izlenimi. (Nezaket: A Schaller/STScI)” title=”Resmi açılır pencerede açmak için tıklayın” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- karanlık-madde ile-değiştirilmiş-yerçekimi-fiziği-dünya-3.jpg arasındaki-savaş”>

Öncelikle Kroupa, yüksek kırmızıya kayma oranlarında çarpışacak zamanları olması bir yana, bu kadar büyük gökada kümelerinin var olmaması gerektiğine inanıyor. ΛCDM, yapıların yavaş büyümesi gerektiğini öne sürüyor ve Kroupa, teleskoplarımızın bize gösterdiği şeye göre bunun çok yavaş olacağını savunuyor: devasa galaksiler ve erken evrendeki devasa kümeler. Daha da önemlisi, Kroupa'ya umut veren şey küme çarpışmalarının dinamikleri. Özellikle ΛCDM, birleşik kümenin çekim kuyusuna düşen gökadaların hızlarının gözlemlenenden çok daha düşük olması gerektiğini öngörüyor.

Kroupa, "Gökada kümesi çarpışmaları ΛCDM ile tam bir anlaşmazlık içindeyken, MOND ile oldukça doğal bir uyum içindedir" diyor. Kroupa'nın coşkusuna rağmen McGaugh o kadar emin değil. Aslında galaksi kümelerinin hem ΛCDM hem de MOND için gerçek bir sorun olduğunu düşünüyor.

"Bu bir karmaşa," diye kabul ediyor. "Karanlık madde için çarpışma hızları çok yüksek. Karanlık madde insanları ileri geri giderek hızların çok mu hızlı olduğunu mu tartışıyorlar? MOND için, MOND'u uyguladıktan sonra bile galaksi kümelerinin kütlesel bir farklılık göstermesidir. Kümelenmeler beni endişelendiriyor çünkü bundan kurtulmanın iyi bir yolunu göremiyorum."

Her şeyin teorisi mi?

Kümeler ve geniş ikili dosyalar tartışılabilir ebediyen Ta ki taraflardan biri yenilgiyi kabul edene kadar. Ancak MOND'a yöneltilen belki de en ciddi eleştiri, uygulanabilir bir kozmolojik modelin açıkça bulunmaması oldu. Galaksilerdeki karanlık maddeyi değiştirilmiş yerçekimi ile değiştirmeye çalışmak iyi ve güzel, ancak teorinin sonuçta başarılı olması için karanlık maddenin yapabileceği her şeyi ve daha fazlasını açıklaması gerekiyor. Bu, uygulamada gördüklerimizi açıklamada ΛCDM'ye rakip olması gerektiği anlamına gelir. kozmik mikrodalga arka plan (CMB) – evreni dolduran ilkel mikrodalga radyasyonu.

SPK genellikle “büyük patlamanın ateş topu” olarak nitelendirilir, ancak bundan daha fazlasıdır. Büyük Patlama'dan sadece 379,000 yıl sonrasına ait hafif sıcaklık değişimleri şeklinde, anizotropi dediğimiz şeyler, ilksel plazmada yankılanan akustik dalgaların oluşturduğu biraz daha yüksek veya daha düşük yoğunluklu bölgelere karşılık gelir. Bunlar evrendeki yapı oluşumunun tohumlarıdır. Bu tohumlardan, galaksilerin büyüdüğü ve filamentlerin buluştuğu yerde büyük galaksi kümelerinin bulunduğu, madde filamentlerinden oluşan bir ağ olan "kozmik ağ" büyüdü.

MOND, galaksilerin dönüş eğrilerini Einstein'a değil Newton'a dayanarak açıklamak için tasarlandı. Bekenstein'ın modern kozmolojiye uygulanabilecek göreceli bir MOND modeli bulması bir 20 yıl daha aldı. Tensör-Vektör-Skaler (TeVeS) yerçekimi olarak adlandırılan bu yerçekiminin popüler olmadığı ortaya çıktı; standart modelde karanlık maddeye atfedilebilen anizotropilerdeki üçüncü akustik zirvenin boyutunun yanı sıra yerçekimsel mercekleme ve kütleçekim dalgalarının modellenmesindeki sınırlamaları açıklamakta zorlanıyordu. .

Pek çok kişi MOND'un göreli modeli probleminin çok zor olduğunu ve mümkün olmadığını düşünüyordu. Daha sonra 2021'de Constantinos Skordis ve Tom Zlośnik Çek Bilimler Akademisi'nin raporu herkesin yanıldığını kanıtladı. İkili, modellerinde, modern evrendeki normal MOND teorisine benzeyecek şekilde zamanla evrimleşmeden önce, karanlık maddeyi taklit eden yerçekimsel etkiler yaratmak için erken evrende çalışan yer çekimini değiştiren vektör ve skaler alanları tanıttı (Fizik 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="Gökyüzü yapboz Planck misyonu kozmik mikrodalga arka planının haritasını çıkardı. Verilerin yaygın kabul gören yorumu, evrenin yaklaşık %4.9'unun sıradan madde, %26.8'inin karanlık madde ve %68.3'ünün karanlık enerjiden oluştuğu yönünde. MOND teorisi başlangıçta Planck gibi misyonların ortaya çıkardığı sıcaklık değişimlerini açıklayamadı. 2021'de Constantinos Skordis ve Tom Złośnik, Planck verilerinin yanı sıra karanlık madde modelleriyle de eşleşen, MOND'dan ilham alan bir model yarattı. (Nezaket: ESA ve Planck İşbirliği)” title=”Resmi açılır pencerede açmak için tıklayın” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -karanlık-madde ile-değiştirilmiş-yerçekimi-fiziği-dünya-4.jpg arasındaki-savaş”>

Göreli bir MOND modeli geliştirmeye çalışmanın zorlu geçmişi göz önüne alındığında McGaugh, mikrodalga arka planına uyan böyle bir teoriyi yazmanın "dikkate değer bir başarı" olduğuna inanıyor. Skordis ve Złośnik modeli mükemmel değil. TeVeS gibi, evrende gözlemlediğimiz yerçekimsel merceklenme miktarını açıklamakta zorlanıyor. Banik, modeldeki zorluklara da dikkat çekerek, "galaksi kümeleri için iyi bir açıklama sağlamadığı için zorluk yaşadı" diyor.

Baker da bu endişeleri dile getiriyor. “MOND'un bunu yapabilmesi ileriye doğru atılmış iyi bir adım olsa da, bunun MOND'u tekrar ana akım haline getirmek için yeterli olduğunu düşünmüyorum. Bunun nedeni [Skordis ve Złośnik]'in ona çok fazla ekstra alan, çok sayıda zil ve ıslık eklemesi ve gerçekten zarafetini kaybetmesi. SPK ile çalışıyor ama pek doğal görünmüyor.”

Belki de modelin omuzlarına gereğinden fazla ağırlık yüklüyoruz. Bu sadece bir başlangıç, kavramın bir kanıtı olarak görülebilir. McGaugh, "Bu son teori mi, hatta doğru yolda mı bilmiyorum" diyor. "Fakat insanlar bunun yapılamayacağını söylüyor ve Skordis ile Złośnik bunun yapılabileceğini gösterdi ve bu ileriye doğru atılmış önemli bir adım."

MOND, karanlık maddenin öğrencilerini büyülemeye, hayal kırıklığına uğratmaya ve onları küçümsemeye devam ediyor. Bilim camiasının onu ΛCDM'ye ağır sıklet bir rakip olarak görmesi için hala kat edilmesi gereken uzun bir yol var ve üzerinde nispeten az sayıda insanın çalışıyor olması kesinlikle engelleniyor, bu da ilerlemenin yavaş olduğu anlamına geliyor.

Ancak McGaugh, bu yeni başlayan teorinin elde ettiği başarıların göz ardı edilmemesi gerektiğini söylüyor. Başka bir şey olmasa bile, bu durum gökbilimcilerin ana akım karanlık madde modeliyle çalışmaya devam etmelerini sağlamalı.

• Keith Cooper'ın üç bölümlük serisinin ikinci bölümünde karanlık maddenin son zamanlardaki başarılarından bazılarını ve karşı karşıya olduğu ciddi zorlukları keşfedecek

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/