Космічний бій: заглиблення в битву між темною матерією та зміненою гравітацією – Physics World

Уявіть собі, якби одним махом, одним невеликим налаштуванням законів гравітації, ви могли відмовитися від потреби у всій темній матерії у Всесвіті. Ви б позбулися надокучливої ​​частинки, про існування якої лише припускають, але яку поки що не вдалося відкрити. Замість цього ви б замінили його елегантною теорією, яка змінює фундаментальну роботу Ісаака Ньютона та Альберта Ейнштейна.

Принаймні це мрія модифікованої ньютонівської динаміки, або MOND. Розроблено ізраїльським фізиком Мордехай Мілгром і американо-ізраїльський теоретик мексиканського походження Яків Бекенштейн на початку 1980-х це була їхня протиотрута від популярної парадигми «темної матерії». Для них темна матерія була непотрібним і незграбним кріпленням до космології, яка, якщо вона справжня, означає, що 80% матерії в космосі невидимі.

За 40 років, що минули з моменту створення, досягнення MOND продовжують затьмарюватися любов’ю космології до темної матерії. MOND також намагався пояснити явища в масштабах більших і менших, ніж окремі галактики. То чи все-таки MOND варто сприймати серйозно?

Цікаві криві

Наша історія починається в кінці 1960-х років, а в 1970-х роках американські астрономи Віра Рубін і Кент Форд зрозуміли, що зірки на околицях галактик обертаються так само швидко, як і зірки, близькі до центру, в явномусупереч законам орбітального руху Йоганна Кеплера. . Вони проілюстрували це на кривих обертання галактик, по суті, просто графік орбітальної швидкості в залежності від радіуса від центру. Замість від’ємного нахилу графіки були рівною лінією. Десь була якась додаткова сила тяжіння, яка тягнула ці зовнішні зірки.

Популярним рішенням була темна матерія – невидима форма матерії, яка настільки велика, що вона стане домінуючою силою тяжіння у Всесвіті. Сьогодні концепція темної матерії тісно вплетена в нашу стандартну модель космології та є невід’ємною частиною нашого розуміння того, як формується структура у Всесвіті.

Картина темної матерії чітка, але недостатньо чітка для невеликої спільноти фізиків і астрономів, які уникали космології темної матерії та прийняли замість неї MOND. Насправді вони мають чимало доказів на свою користь. У 2016 році Стейсі Макго з Університету Кейс Вестерн Резерв виміряв криві обертання 153 галактик (Фіз. Преподобний Лет. 117 201101) і виявили з безпрецедентною точністю, що їхні криві обертання пояснюються MOND, без необхідності вдаватися до гало темної матерії навколо кожної галактики. Тим самим він виправдав прогноз Мілгрома.

«Я б стверджував, що MOND пояснює ці речі краще, ніж темна матерія, і причина цього полягає в її передбачуваній силі», — каже Макго, колишній дослідник темної матерії, який тепер є прихильником MOND, після прозріння, коли він змінив сторону. Він має на увазі той факт, що якщо ви знаєте видиму масу (всіх її зірок і газів) галактики, то, застосувавши MOND, ви можете обчислити, якими будуть швидкості обертання. У парадигмі темної матерії ви не можете передбачити швидкості на основі присутності темної матерії. Натомість вам потрібно виміряти криву обертання галактики, щоб зробити висновок про те, скільки темної матерії присутня. Макго стверджує, що це кругові міркування, а не доказ існування темної матерії.

Як змінити гравітацію

Зміна законів гравітації може бути анафемою для багатьох фізиків – така сила Ньютона та Ейнштейна, – але це не така вже й дивна річ. Адже ми живемо в таємничому всесвіті, наповненому науковими головоломками. Яка темна енергія відповідає за прискорення розширення Всесвіту? Чому існує напруга в різних вимірюваннях швидкості розширення Всесвіту? Яким чином у ранньому Всесвіті так швидко формуються галактики, про що свідчить Купина та Космічні телескопи Джеймса Вебба? Дослідники все частіше звертаються до модифікованих теорій гравітації, щоб дати відповіді, але не всі модифіковані моделі гравітації однакові.

Те, що кожна теорія модифікованої гравітації, включно з MOND, повинна зробити, так це пояснити, чому вона залишається прихованою від нас у повсякденних масштабах і починає діяти лише за певних умов

Тесса Бейкер, космолог і гуру модифікованої гравітації в Університеті Портсмута у Великій Британії, побудувала свою кар’єру на перевірці законів гравітації та пошуку модифікацій, у її випадку спроба пояснити темну енергію. «MOND, який є одним із прикладів модифікованої теорії гравітації, незвичайний тим, що це теорія, яка намагається замінити темну матерію», — пояснює Бейкер. «Більшість теорій модифікованої гравітації цього не роблять».

Те, що кожна теорія модифікованої гравітації, включно з MOND, повинна зробити, так це пояснити, чому вона залишається прихованою від нас у повсякденних масштабах і починає діяти лише за певних умов. Фізики називають точку, в якій відбувається цей перехід, «екрануванням», і все це проблема масштабу.

«Складна частина полягає в тому, як приховати модифікацію в масштабах, де, як ми знаємо, загальна теорія відносності працює дуже добре?» запитує Бейкер. Очевидною причиною для початку може бути розгляд питання про те, чи гравітація змінюється в масштабі відстані, тому в нашій Сонячній системі гравітація згасає за правилом зворотних квадратів, але в масштабі скупчень галактик вона зменшується з іншою швидкістю. «Це категорично не працює», — каже Макго, додаючи, що існують інші ваги, які працюють.

Наприклад, одна теорія модифікованої гравітації, з якою працює Бейкер, відома як f(R) сила тяжіння – узагальнює загальну теорію відносності Ейнштейна. Під f(R), гравітація вмикає ефект темної енергії в областях космосу, де щільність матерії стає достатньо низькою, наприклад, у космічних пустотах. Для MOND масштабом механізму екранування є прискорення. Нижче характерне гравітаційне прискорення називається a₀ – що становить близько 0.1 нанометра на секунду в квадраті – сила тяжіння діє інакше.

Замість того, щоб дотримуватися правила оберненого квадрата, при прискореннях нижче a₀ сила тяжіння спадає повільніше, навпаки відстані. Отже, щось, що обертається на відстані в чотири рази більшій, буде відчувати чверть сили тяжіння, а не 16-ту. Низькі гравітаційні прискорення, необхідні для цього, є саме такими, які відчувають зірки на околицях галактик. «Тож MOND вмикає ці модифікації на низьких прискореннях таким же чином f(R) гравітація вмикає свої модифікації при низькій щільності», — пояснює Бейкер.

Конфлікти і суперечки

MOND чудово підходить для окремих галактик, але залежно від того, з ким ви розмовляєте, він, можливо, не так добре працює в інших середовищах. І одна невдача, зокрема, вже налаштувала одного з найзатятіших прихильників MOND проти теорії.

Ідеальною лабораторією для тестування MOND є та, де темна матерія не буде присутня у великих кількостях, тобто будь-які гравітаційні аномалії мають виникати лише через самі закони гравітації. Широкі подвійні зоряні системи є одним із таких середовищ, що складається з пар зірок розміром 500 астрономічних одиниць або більше один від одного (де одна астрономічна одиниця або АС середня відстань між Землею і Сонцем). На таких величезних відстанях гравітаційне поле, яке відчуває кожна зірка, слабке.

Завдяки Астрометрична космічна місія Європейського космічного агентства Gaia, команди дослідників MOND тепер змогли виміряти рух широких подвійних систем у пошуках доказів MOND. Результати були суперечливими та суперечливими з точки зору виживання MOND як дійсної теорії.

Одна команда на чолі з Кю-Хюн Че з Університету Седжонг у Сеулі, провів вичерпний аналіз 26,500 XNUMX широких подвійних систем і знайшов орбітальні рухи, які збігалися з прогнозами MOND (ApJ 952 128). Це було підтверджено попередньою роботою Ксав’є Ернандеса з Національного автономного університету Мексики, який привітав, наскільки «захоплюючим» був результат Чае. Але не всі переконані.

В Університеті Сент-Ендрюс у Великобританії, Індраніл Банік працював над власним шестирічним проектом вимірювання MOND у широких подвійних системах. Він опублікував свої плани перед тим, як проводити вимірювання, обов’язково знайшов час, щоб поспілкуватися з іншими експертами та отримати відгуки, точно налаштувавши свій метод, щоб усі могли погодитися. Банік цілком очікував, що його результати покажуть, що MOND справжній. «Я, очевидно, очікував, що сценарій MOND спрацює», — каже він. «Тож коли цього не сталося, справді було дуже великою несподіванкою».

У статті, опублікованій наприкінці 2023 року, Банік взагалі не виявив відхилень від стандартної ньютонівської гравітації (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Результати були для нього таким ударом молотка, що це сколихнуло світ Баніка, і він публічно заявив, що MOND був неправий – що його трохи налякало. Але чому його результати повинні відрізнятися від результатів Чае та Ернандеса? «Звичайно, вони досі сперечаються, що там щось є», — каже Банік. Однак він скептично ставиться до їхніх результатів, посилаючись на відмінності в тому, як вони справлялися з невизначеністю своїх вимірювань.

Ці суперечки є суто технічним характером, тому, мабуть, не дивно, що були отримані різні тлумачення. Дійсно, стороннім людям важко зрозуміти, хто правий, а хто ні. «Дуже важко зрозуміти, як про це судити», — визнає Макго. «Я навіть не відчуваю себе цілком кваліфікованим, щоб судити за цими шкалами, і я набагато кваліфікованіший, ніж більшість людей!»

Банік бачить невдачу MOND не лише у широких двійкових файлах. Він також наводить приклад нашої власної Сонячної системи. Одним із центральних принципів MOND є явище «ефекту зовнішнього поля», за допомогою якого загальне гравітаційне поле галактики Чумацький Шлях здатне відобразити себе на менших системах, таких як наша Сонячна система. Ми повинні побачити цей відбиток, зокрема на орбітах зовнішніх планет. Пошук цього ефекту за даними радіотрекінгу з Космічний корабель НАСА Кассіні, який обертався навколо Сатурна між 2004 і 2017 роками, не знайшов доказів впливу зовнішнього поля на орбіту Сатурна.

«Люди починають розуміти, що немає способу примирити MOND з невиявленням ефектів у даних Cassini і що MOND не працюватиме на масштабах нижче світлового року», — каже Банік. Якщо Банік правий, то він залишає MOND у дуже поганому місці – але це не єдине поле бою, де ведеться війна MOND проти темної матерії.

Кластерні ребуси

У 2006 році NASA випустило a вражаюче зображення двох скупчених скупчень галактик, які в їх об’єднаній формі називають скупченням куль. Космічний телескоп Хаббла надав зображення з високою роздільною здатністю розташування галактик, а рентгенівські спостереження гарячого газу між цими галактиками надійшли з рентгенівської обсерваторії Чандра. На основі розташування галактик і газу, а також ступеня гравітаційного лінзування матерії в зігнутому просторі скупчення вчені змогли розрахувати розташування темної матерії в скупченні.

«Було стверджено, що скупчення куль підтвердило існування темної матерії, що було використано для рішучої аргументації проти MOND», — каже Павло Крупа, астрофізик Боннського університету. «Ну, виявляється, ситуація з точністю до навпаки».

Крупа палкий у своєму ентузіазмі щодо MOND і націлився досліджувати його в найбільшому масштабі структури – великомасштабних скупченнях галактик. У його прицілі — не що інше, як стандартна модель космології, відома в розмовній мові як «лямбда-CDM» або ΛCDM (Λ відноситься до космологічної константи, або темної енергетичної складової Всесвіту, а CDM — це холодна темна матерія).

<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="Первинний Враження художника ESA про те, як міг виглядати дуже ранній Всесвіт (віком менше 1 тисячі мільйонів років), коли в ньому стався різкий спалах зореутворення. (З дозволу: A Schaller/STScI)” title=”Натисніть, щоб відкрити зображення у спливаючому вікні” 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”>

По-перше, Крупа вважає, що такі величезні скупчення галактик не повинні навіть існувати, навіть якщо вони встигли зіткнутися на великих червоних зміщеннях. ΛCDM припускає, що структури повинні рости повільно, а Крупа стверджує, що це було б надто повільно для того, що показують нам наші телескопи: масивні галактики та величезні скупчення в ранньому Всесвіті. Що більш доречно, саме динаміка зіткнень кластерів дає Кроупі надію. Зокрема, ΛCDM передбачає, що швидкості галактик, які потрапляють у гравітаційну яму об’єднаного скупчення, мають бути набагато нижчими, ніж спостерігається.

«Зіткнення скупчень галактик абсолютно не узгоджуються з ΛCDM, але цілком природно узгоджуються з MOND», — каже Крупа. Незважаючи на ентузіазм Крупи, Макго не дуже впевнений. Фактично, він вважає, що скупчення галактик є справжньою проблемою як для ΛCDM, так і для MOND.

«Це безлад», — визнає він. «Для темної матерії швидкість зіткнення занадто висока. Люди з темної матерії ходили туди-сюди, сперечаючись, чи швидкості надто великі чи ні? Для MOND це те, що скупчення галактик показують розбіжність мас навіть після застосування MOND. Кластери мене турбують, тому що я просто не бачу хорошого виходу з цього».

Теорія всього?

Можна обговорювати кластери та широкі подвійні файли нескінченності поки та чи інша сторона не визнає поразку. Але, мабуть, найсерйознішою критикою MOND була відверта відсутність працездатної космологічної моделі. Це все добре і добре, намагаючись замінити темну матерію модифікованою гравітацією в галактиках, але для остаточного успіху теорії вона повинна пояснити все, що може темна матерія, і навіть більше. Це означає, що він повинен бути конкурентом ΛCDM у поясненні того, що ми бачимо в космічний мікрохвильовий фон (CMB) – первинне мікрохвильове випромінювання, що наповнює Всесвіт.

CMB часто характеризують як «вогняну кулю Великого вибуху», але це більше. На ньому у вигляді тонких коливань температури лише через 379,000 XNUMX років після Великого вибуху відображено те, що ми називаємо анізотропією, що відповідає областям дещо вищої або меншої щільності, утвореним акустичними хвилями, які відбивалися крізь первісну плазму. Це зачатки структуроутворення у Всесвіті. З цих зерен виросла «космічна мережа» — мережа ниток матерії, уздовж яких ростуть галактики, а там, де нитки зустрічаються, — великі скупчення галактик.

MOND був розроблений, щоб пояснити криві обертання галактик за допомогою Ньютона, а не Ейнштейна. Бекенштейну знадобилося ще 20 років, щоб створити релятивістську модель MOND, яку можна застосувати до сучасної космології. Називається тензорно-векторно-скалярною гравітацією (TeVeS), вона виявилася непопулярною, намагаючись пояснити розмір третього акустичного піку в анізотропії, який у стандартній моделі приписується темній матерії, а також обмеження в моделюванні гравітаційних лінз і гравітаційних хвиль. .

Багато людей думали, що проблема релятивістської моделі MOND настільки складна, що це неможливо. Потім, у 2021 р Константінос Скордіс та Том Злошник Чеської академії наук довів, що всі помилялися. У своїй моделі дует представив векторні та скалярні поля, що змінюють гравітацію, які діють у ранньому Всесвіті, створюючи гравітаційні ефекти, що імітують темну матерію, перш ніж з часом еволюціонувати, щоб нагадувати звичайну теорію MOND у сучасному Всесвіті (Фіз. Преподобний Лет. 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="Небесна головоломка Місія Planck склала карту космічного мікрохвильового фону. Загальновизнана інтерпретація даних полягає в тому, що Всесвіт складається приблизно з 4.9% звичайної матерії, 26.8% темної матерії та 68.3% темної енергії. Теорія MOND спочатку не могла пояснити коливання температури, виявлені такими місіями, як Planck. У 2021 році Константінос Скордіс і Том Злошнік створили модель, натхненну MOND, яка так само добре відповідає даним Планка та моделям темної матерії. (З дозволу: ESA та Planck Collaboration)” title=”Натисніть, щоб відкрити зображення у спливаючому вікні” 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”>

Враховуючи болісну історію спроб розробити релятивістську модель MOND, Макго вважає, що можливість записати таку теорію, яка відповідає мікрохвильовому фону, є «видатним досягненням». Модель Skordis і Złośnik не ідеальна. Як і TeVeS, йому важко пояснити кількість гравітаційних лінз, які ми спостерігаємо у Всесвіті. Банік також підкреслює труднощі в моделі, кажучи, що «вона зіткнулася з труднощами через те, що не дає хорошого пояснення для скупчень галактик».

Бейкер повторює ці побоювання. «Хоча для MOND це було хорошим кроком вперед, — каже він, — я не думаю, що цього було достатньо, щоб повернути MOND у мейнстрім. Причина в тому, що [Skordis і Złośnik] додали до нього багато додаткових полів, багато наворотів, і він справді втрачає елегантність. Це працює з CMB, але здається дуже неприродним».

Можливо, ми надмірно обтяжуємо плечі моделі. Це можна розглядати як лише початок, доказ концепції. «Я не знаю, чи це остаточна теорія, чи навіть правильний шлях», — каже Макго. «Але люди говорили, що це неможливо зробити, і те, що Скордіс і Злошнік показали, це те, що це можливо, і це важливий крок вперед».

MOND продовжує захоплювати, розчаровувати та викликати зневагу з боку послідовників темної матерії. Науковому співтовариству ще потрібно пройти довгий шлях, щоб вважати його важким конкурентом ΛCDM, і цьому, безумовно, заважає відносно мало людей, які працюють над ним, а це означає, що прогрес йде повільно.

Але успіхи цієї теорії вискочки не слід ігнорувати, каже Макго. Якщо нічого іншого, це повинно змусити астрономів працювати з основною моделлю темної матерії на ногах.

• У другій частині трисерійної серії Кіта Купера він дослідить деякі нещодавні успіхи темної матерії та серйозні проблеми, з якими вона також стикається

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/