Kozmikus harc: elmélyülés a sötét anyag és a módosított gravitáció harcában – Fizikai világ

Képzeld el, ha egy csapásra, a gravitációs törvények egyetlen apró módosításával elháríthatnád az univerzum összes sötét anyagának szükségességét. Megszabadulna egy bosszantó részecskétől, amelynek létezésére csak következtetni lehet, és amely eddig dacolt a felfedezéssel. Ehelyett egy elegáns elmélettel helyettesítené, amely módosítja Isaac Newton és Albert Einstein alapvető munkáját.

Legalábbis ez az álma a módosított newtoni dinamikáról, vagy a MOND-ról. Izraeli fizikus fejlesztette ki Mordehai Milgrom és mexikói születésű amerikai-izraeli teoretikus Jacob Bekenstein az 1980-as évek elején ez volt az ellenszerük a népszerű „sötét anyag” paradigmával szemben. Számukra a sötét anyag a kozmológiához való szükségtelen és ügyetlen rácsatolás volt, ami, ha valós, azt jelenti, hogy a kozmoszban lévő anyag 80%-a láthatatlan.

A kidolgozása óta eltelt 40 év során a MOND eredményeit továbbra is beárnyékolja a kozmológia szerelmi viszonya a sötét anyaggal. A MOND az egyes galaxisoknál nagyobb és kisebb léptékű jelenségek magyarázatával is küzdött. Tehát mégiscsak komolyan kellene vennünk a MOND-ot?

Kíváncsi görbék

Történetünk az 1960-as évek végén kezdődik, és az 1970-es években Vera Rubin és Kent Ford amerikai csillagászok rájöttek, hogy a galaxisok peremén lévő csillagok ugyanolyan gyorsan keringenek, mint a középponthoz közeli csillagok, nyilvánvalóan szembeszállva Johannes Kepler keringési törvényeivel. . Ezt a galaxisok forgási görbéivel illusztrálták, lényegében csak a pályasebesség és a középpont sugárának grafikonján. A grafikonok ahelyett, hogy negatív meredekséget mutattak volna, lapos vonalak voltak. Valahol valami extra gravitáció vonta magával a külső csillagokat.

A sötét anyag – az anyag olyannyira bővelkedő láthatatlan formája, hogy ez lenne a domináns gravitációs erő az univerzumban – volt a népszerű megoldás. Napjainkban a sötét anyag fogalma szorosan összefonódik standard kozmológiai modellünkkel, és velejárója annak, hogy megértjük, hogyan alakul ki az univerzum szerkezete.

A sötét anyagról alkotott kép szép, de nem elég szép a fizikusok és csillagászok kis közössége számára, akik elkerülték a sötét anyag kozmológiáját, és helyette a MOND-ot választották. Valójában bőséges bizonyítékuk van az ügyükre. 2016-ban Stacy McGaugh, a Case Western Reserve Egyetem munkatársa 153 galaxis forgási görbéjét mérte meg (Phys. Rev. Lett. 117 201101), és példátlan pontossággal megállapította, hogy forgási görbéiket a MOND magyarázza anélkül, hogy minden galaxis körül sötét anyag glóriához kellene folyamodni. Ezzel igazolta Milgrom jóslatát.

„Azt állítanám, hogy a MOND jobban megmagyarázza ezeket a dolgokat, mint a sötét anyag, és ennek az az oka, hogy előrejelző ereje van” – mondja McGaugh – egy korábbi sötétanyag-kutató, aki jelenleg a MOND szószólója, miután egy epifánia után oldalra váltott. Arra utal, hogy ha ismeri egy galaxis látható tömegét (az összes csillagát és gázát), akkor a MOND alkalmazásával ki tudja számolni, hogy mekkora lesz a forgási sebessége. A sötét anyag paradigmában nem lehet megjósolni a sebességeket a sötét anyag jelenléte alapján. Ehelyett meg kell mérni a galaxis forgási görbéjét, hogy következtessen, mennyi sötét anyag van jelen. McGaugh azt állítja, hogy ez körkörös érvelés, és nem a sötét anyag bizonyítéka.

Hogyan módosítsuk a gravitációt

A gravitációs törvények módosítása sok fizikus számára felháborító lehet – ilyen például Newton és Einstein ereje –, de ez nem olyan szokatlan dolog. Végül is egy titokzatos univerzumban élünk, tele tudományos rejtvényekkel. Mi a sötét energia felelős az univerzum tágulásának felgyorsulásáért? Miért van feszültség a világegyetem tágulási sebességének különböző méréseiben? Hogyan alakulnak ki olyan gyorsan a galaxisok a korai univerzumban, amint azt a Hubble és a James Webb űrtávcsövek? A kutatók egyre gyakrabban vizsgálják a módosított gravitációs elméleteket, hogy megválaszolják a választ, de nem minden módosított gravitációs modell egyenlő.

A módosított gravitáció minden elméletének, beleértve a MOND-ot is, meg kell magyaráznia, miért marad rejtve előttünk a mindennapi léptékben, és csak bizonyos körülmények között lép működésbe.

Tessa Baker, a brit Portsmouth Egyetem kozmológusa és módosított gravitációs guruja karrierjét a gravitáció törvényeinek tesztelésére és a módosítások keresésére építette fel, hogy az ő esetében megpróbálja megmagyarázni a sötét energiát. „A MOND, amely a módosított gravitációs elmélet egyik példája, szokatlan abból a szempontból, hogy egy olyan elmélet, amely megpróbálja helyettesíteni a sötét anyagot” – magyarázza Baker. "A módosított gravitáció elméleteinek többsége nem ezt teszi."

A módosított gravitáció minden elméletének, beleértve a MOND-ot is, meg kell magyaráznia, miért marad rejtve előttünk a mindennapi léptékben, és csak bizonyos feltételek mellett lép működésbe. A fizikusok azt a pontot, ahol ez az átmenet megtörténik, „szűrésnek” nevezik, és ez mind méretbeli probléma.

"A trükkös rész az, hogy hogyan lehet elrejteni a módosítást azokon a skálákon, amelyekről tudjuk, hogy az általános relativitáselmélet nagyon jól működik?" kérdezi Baker. A kiindulópont kézenfekvő annak mérlegelése lehet, hogy a gravitáció változik-e a távolsági skálán, tehát Naprendszerünkben a gravitáció elhalványul az inverz négyzet szabályával, de a galaxishalmazok skáláján más ütemben csökken. "Ez kategorikusan nem működik" - mondja McGaugh, hozzátéve, hogy vannak más mérlegek is, amelyek működnek.

Például a módosított gravitáció egyik elmélete, amellyel Baker dolgozik – az úgynevezett f(R) gravitáció – általánosítja Einstein általános relativitáselméletét. Alatt f(R), a gravitáció bekapcsolja a sötétenergia-effektust az űr azon területein, ahol az anyag sűrűsége elég alacsony lesz, például a kozmikus üregekben. A MOND esetében az átvilágítási mechanizmus skálája a gyorsulás. Alatta jellegzetes gravitációs gyorsulás ún a₀ – ami körülbelül 0.1 nanométer másodpercenként négyzetesen – a gravitáció másként működik.

Ahelyett, hogy követnénk az inverz négyzet szabályát, az alábbi gyorsulásoknál a₀ A gravitáció lassabban esik le, a távolság inverzével. Tehát valami, ami négyszer nagyobb távolságban kering, a gravitáció negyedét érezné, nem pedig 16-ot. Az ehhez szükséges alacsony gravitációs gyorsulások pontosan azok, amelyeket a galaxisok peremén lévő csillagok tapasztalnak. „Tehát a MOND ugyanolyan módon kapcsolja be ezeket a módosításokat alacsony gyorsulásoknál f(R) a gravitáció alacsony sűrűségnél bekapcsolja a módosításait” – magyarázza Baker.

Konfliktus és vita

A MOND kiváló az egyes galaxisok esetében, de attól függően, hogy kivel beszél, más környezetben talán nem megy olyan jól. Egy kudarc pedig máris az elmélet ellen fordította a MOND egyik legkitartóbb támogatóját.

Ideális laboratórium a MOND tesztelésére, ahol a sötét anyag nem várható nagy mennyiségben, vagyis a gravitációs anomáliáknak maguknak a gravitációs törvényeknek kell származniuk. A széles kettős csillagrendszerek egy ilyen környezet, amely 500 AU vagy annál nagyobb csillagpárokból áll. egymástól (ahol egy csillagászati ​​egység vagy AU van a Föld és a Nap közötti átlagos távolság). Ilyen hatalmas szétválások esetén az egyes csillagok által érzett gravitációs tér gyenge.

Köszönhetően a Az Európai Űrügynökség Gaia csillagászati ​​űrmissziója, a MOND kutatóinak csoportjai mostanra meg tudták mérni a széles binárisok mozgását a MOND bizonyítékát keresve. Az eredmények ellentmondásosak és ellentmondásosak a MOND mint érvényes elmélet fennmaradását illetően.

Egy csapat vezetésével Kyu-Hyun Chae a szöuli Sejong Egyetemről, kimerítő elemzést végzett 26,500 XNUMX széles binárisról, és olyan orbitális mozgásokat talált, amelyek megfeleltek a MOND (ApJ 952 128). Ezt Xavier Hernandez, az Universidad Nacional Autónoma de México munkatársának korábbi munkája is alátámasztotta, aki üdvözölte, mennyire „izgalmas” Chae eredménye. De nem mindenki győzött meg.

A St Andrews Egyetemen, az Egyesült Királyságban, Indranil Banik saját hatéves projektjén dolgozott a MOND mérésére széles binárisokban. Terveit még a mérések elvégzése előtt nyilvánosságra hozta, ügyelve arra, hogy időt szakítson a többi szakértővel való beszélgetésre és a visszajelzések megszerzésére, finomhangolja módszerét, hogy mindenki egyetérthessen. Banik teljes mértékben arra számított, hogy eredményei azt mutatják, hogy a MOND valódi. „Nyilvánvalóan arra számítottam, hogy a MOND forgatókönyve működni fog” – mondja. "Szóval ez valóban nagyon nagy meglepetés volt, amikor nem."

Egy 2023 végén publikált tanulmányában Banik egyáltalán nem talált eltérést a standard newtoni gravitációtól (A Királyi Csillagászati ​​Társaság havi értesítése 10.1093/mnras/stad3393). Az eredmény akkora kalapácsütés volt számára, hogy az megrázta Banik világát, és nyilvánosan kijelentette, hogy MOND tévedett – ami elkapta őt. De miért kellene az ő eredményei annyira eltérőek Chae-től és Hernandeztől? „Persze, még mindig vitatkoznak, hogy van valami” – mondja Banik. Eredményeiket azonban szkeptikusan fogadja, arra hivatkozva, hogy különbségek vannak abban, hogy hogyan kezelték a mérési bizonytalanságokat.

Ezek a vitapontok erősen technikai jellegűek, így talán nem is meglepő, hogy eltérő értelmezések születtek. Valójában a kívülállók számára nehéz eldönteni, kinek van igaza és kinek nem. „Nagyon nehéz ezt megítélni” – ismeri el McGaugh. „Nem is érzem magam teljesen alkalmasnak arra, hogy ezen a mérlegen ítélkezzek, és sokkal képzettebb vagyok, mint a legtöbb ember!”

Banik nem csak a széles binárisokban látja, hogy a MOND megbukik. A saját naprendszerünk esetét is idézi. A MOND egyik központi alapelve a „külső térhatás” jelensége, amelynek révén a Tejútrendszer-galaxis teljes gravitációs tere képes rányomni magát kisebb rendszerekre, például a Naprendszerünkre. Látnunk kell ezt a lenyomatot, különösen a külső bolygók pályáján. Ennek a hatásnak a keresése a következőtől származó rádiókövetési adatokon keresztül A NASA Cassini űrszondája, amely 2004 és 2017 között keringett a Szaturnusz körül, nem talált bizonyítékot a Szaturnusz pályáján kifejtett külső térhatásra.

„Az emberek kezdik felismerni, hogy a MOND-t semmiképpen nem lehet összeegyeztetni azzal, hogy a Cassini-adatokban nem észlelnek hatásokat, és hogy a MOND nem fog működni fényév alatti léptékeken” – mondja Banik. Ha Baniknak igaza van, akkor nagyon rossz helyen hagyja a MOND-ot – de nem ez az egyetlen csatatér, ahol a MOND sötét anyag elleni háborúja folyik.

Klaszteres rejtvények

2006-ban a NASA kiadott egy látványos kép két összeütköző galaxishalmazról, amelyeket kombinált formájukban Bullet Cluster néven emlegetnek. A Hubble Űrteleszkóp nagy felbontású képeket biztosított a galaxisok hollétéről, míg a galaxisok közötti forró gáz röntgenfelvételei a Chandra röntgenmegfigyelőközpontból származtak. A galaxisok és a gáz elhelyezkedése, valamint a halmaz meghajlított térben lévő anyagként való gravitációs lencsék mértéke alapján a tudósok ki tudták számítani a sötét anyag helyét a halmazban.

„Azt állították, hogy a Bullet Cluster megerősítette a sötét anyag létezését, amelyet a MOND elleni határozott érvelésre használnak fel” – mondja. Pavel Kroupa, a Bonni Egyetem asztrofizikusa. – Nos, kiderült, hogy a helyzet pont az ellenkezője.

Kroupa vad lelkesedése a MOND iránt, és azt a célt tűzte ki maga elé, hogy a lehető legnagyobb szerkezeti skálán – nagyméretű galaxishalmazokon – fedezze fel azt. Célkeresztjében nem kevesebb, mint a kozmológia standard modellje, a köznyelvben „lambda-CDM” vagy ΛCDM (a Λ a kozmológiai állandóra vagy az univerzum sötétenergia-komponensére utal, a CDM pedig a hideg sötét anyagra).

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/03/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="Ősi Egy ESA művész benyomása arról, hogyan nézhetett ki a nagyon korai univerzum (kevesebb mint 1 ezer millió éves), amikor hirtelen csillagkeletkezésen ment keresztül. (Jó: A Schaller/STScI)” title=”Kattintson a kép megnyitásához a felugró ablakban” href=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/03/cosmic-combat-delving-into-the- battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg”>

Egyrészt Kroupa úgy véli, hogy ilyen hatalmas galaxishalmazoknak nem is szabadna létezniük, nem számít, hogy volt idejük összeütközni, magas vöröseltolódásnál. A ΛCDM azt állítja, hogy a struktúráknak lassan kell növekedniük, Kroupa pedig azzal érvel, hogy ez túl lassú lenne ahhoz, amit távcsöveink mutatnak: hatalmas galaxisok és hatalmas halmazok a korai univerzumban. Inkább maga a klaszterütközések dinamikája ad reményt Kroupának. A ΛCDM különösen azt jósolja, hogy a kombinált halmaz gravitációs kútjába eső galaxisok sebességének sokkal kisebbnek kell lennie a megfigyeltnél.

„A galaxishalmazok ütközései teljes mértékben nem értenek egyet a ΛCDM-mel, miközben meglehetősen természetes egyetértésben vannak a MOND-dal” – mondja Kroupa. Kroupa lelkesedése ellenére McGaugh nem biztos benne. Valójában szerinte a galaxishalmazok valódi problémát jelentenek mind a ΛCDM, mind a MOND számára.

„Ez egy rendetlenség” – ismeri el. „A sötét anyag esetében az ütközési sebesség túlságosan nagy. A sötét anyag emberei oda-vissza jártak, azon vitatkozva, hogy túl gyorsak-e a sebességek, vagy sem? A MOND esetében ez az, hogy a galaxishalmazok tömegbeli eltérést mutatnak még a MOND alkalmazása után is. A klaszterek aggasztanak, mert egyszerűen nem látok ebből szép kiutat.”

Mindennek elmélete?

A klaszterekről és a széles binárisokról lehet vitatkozni végtelenségig amíg az egyik vagy a másik fél be nem ismeri a vereségét. De talán a MOND-dal szemben intézett legkomolyabb kritika az volt, hogy nincs működőképes kozmológiai modell. Jó és jó, ha a sötét anyagot módosított gravitációval próbálják helyettesíteni a galaxisokban, de ahhoz, hogy az elmélet végül sikeres legyen, meg kell magyaráznia mindent, amit a sötét anyag képes, és még többet. Ez azt jelenti, hogy a ΛCDM riválisának kell lennie abban, hogy elmagyarázza, mit látunk a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) – az univerzumot betöltő ősi mikrohullámú sugárzás.

A CMB-t gyakran „az ősrobbanás tűzgolyójaként” jellemezik, de ez több annál. A mindössze 379,000 XNUMX évvel az Ősrobbanás utáni finom hőmérséklet-változások formájában az úgynevezett anizotrópiák, amelyek az ősplazmán átverődő akusztikus hullámok által alkotott, valamivel nagyobb vagy kisebb sűrűségű régióknak felelnek meg. Ezek a struktúra kialakulásának magvai az univerzumban. Ezekből a magokból nőtt ki a „kozmikus háló” – anyagszálak hálózata, amely mentén galaxisok nőnek, és ahol a filamentumok találkoznak, nagy galaxishalmazok alakulnak ki.

A MOND-ot arra találták ki, hogy a galaxisok forgási görbéit Newton, nem pedig Einstein riffelésével magyarázza. További 20 évbe telt, mire Bekenstein előállt a MOND relativisztikus modelljével, amely alkalmazható a modern kozmológiára. A Tensor-Vector-Scalar (TeVeS) gravitáció néven népszerűtlennek bizonyult, és nem tudta megmagyarázni az anizotrópiák harmadik akusztikus csúcsának méretét, amely a standard modellben a sötét anyagnak tulajdonítható, valamint a gravitációs lencsék és a gravitációs hullámok modellezésének korlátait. .

Sokan úgy gondolták, hogy a MOND relativisztikus modelljének problémája olyan nehéz, hogy nem lehetséges. Aztán 2021 Constantinos Skordis és a Tom Złośnik a Cseh Tudományos Akadémia bebizonyította, hogy mindenki téved. Modelljükben a duó gravitációmódosító vektorokat és skalármezőket vezetett be, amelyek a korai univerzumban működnek, hogy a sötét anyagot utánzó gravitációs hatásokat hozzanak létre, mielőtt idővel a modern univerzum szabályos MOND-elméletéhez hasonlítanának (Phys. Rev. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/03/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Sky puzzle A Planck-küldetés feltérképezte a kozmikus mikrohullámú hátteret. Az adatok széles körben elfogadott értelmezése szerint az univerzum 4.9%-a közönséges anyag, 26.8%-a sötét anyag és 68.3%-a sötét energia. A MOND-elmélet kezdetben nem tudta megmagyarázni a Planck-hez hasonló küldetések során feltárt hőmérséklet-ingadozásokat. 2021-ben Constantinos Skordis és Tom Złośnik létrehoztak egy MOND-ihlette modellt, amely éppúgy megfelel a Planck-adatoknak, mint a sötét anyag modelleknek. (Jó: ESA és a Planck együttműködés)” title=”Kattintson a kép megnyitásához a felugró ablakban” href=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/03/cosmic-combat-delving-into-the -battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg”>

Tekintettel a MOND relativisztikus modelljének kidolgozásának gyötrelmes történetére, McGaugh úgy véli, hogy „figyelemre méltó teljesítmény” egy ilyen elméletet leírni, amely megfelel a mikrohullámú háttérnek. A Skordis és Złośnik modell nem tökéletes. A TeVeS-hez hasonlóan ez is nehezen tudja megmagyarázni az univerzumban megfigyelt gravitációs lencsék mennyiségét. Banik a modell nehézségeire is rávilágít, mondván, hogy „nehézségbe került, mert nem ad jó magyarázatot a galaxishalmazokra”.

Baker megismétli ezeket az aggodalmakat. „Bár jó előrelépés volt a MOND számára, hogy ezt megtehette” – mondja, „nem hiszem, hogy ez volt elég ahhoz, hogy a MOND-ot visszahozzuk a mainstreambe. Ennek az az oka, hogy [Skordis és Złośnik] sok extra mezőt adott hozzá, sok harangot és sípot, és tényleg elveszti az eleganciáját. Működik a CMB-vel, de nagyon természetellenesnek tűnik.”

Talán túlzott terhet fektetünk a modell vállára. Ez csak a kezdet, a koncepció bizonyítéka tekinthető. „Hogy ez a végső elmélet, vagy akár a helyes út, azt nem tudom” – mondja McGaugh. "De az emberek azt mondták, hogy ezt nem lehet megtenni, és amit Skordis és Złośnik megmutattak, hogy meg lehet csinálni, és ez egy fontos előrelépés."

A MOND továbbra is lenyűgözi, frusztrálja és előmozdítja a sötét anyag tanítványainak megvetését. Még hosszú utat kell megtennie ahhoz, hogy a tudományos közösség a ΛCDM nehézsúlyú riválisának tekintse, és ezt minden bizonnyal hátráltatja, hogy viszonylag kevesen dolgoznak rajta, vagyis lassú a haladás.

McGaugh szerint azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni a feltörekvő elmélet sikereit. Ha mást nem, akkor a csillagászokat a sötét anyag főáramú modelljével kell folytatnia.

• Keith Cooper háromrészes sorozatának második részében feltárja a sötét anyag néhány közelmúltbeli sikerét és a komoly kihívásokat, amelyekkel az is szembesül.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/