U listopadu je LIGO i njegov europski kolega, VIRGO, bili svjedoci gravitacijskih valova koji su otkidali od udara dviju neutronskih zvijezda koji oduzimaju dah. Ovaj neviđeni događaj izgledao je kao još jedan trijumf za novu vrstu astronomije, koja bi mogla koristiti gravitacijskim valovima za ispitivanje nekih od najdubljih misterija u svemiru. No u svom uzbuđenju, većina ljudi nije primijetila da je nešto umrlo: čitava skupina teorija koje su postavile svemir bez tamne materije.
Povezani sadržaj
- Znanstvenici su uočili iskru u drevnom sudaru neutronskih zvijezda
- Trojica znanstvenika iza otkrivanja gravitacijskih valova dodijelili su Nobelovu nagradu za fiziku
- Znanstvenici otkrivaju četvrti gravitacijski val koji je naletio na sudar drevne crne rupe
Točno: manje poznata posljedica LIGO vijesti je da ćemo možda vidjeti značajno preoblikovanje rasprave o tamnoj materiji - stvari koje izgledaju kao da gravitaciono privlače vidljivi materijal i prostor savijanja, ali se ne mogu vidjeti, Prema radu objavljenom na arXiv poslužitelju za tisak Richarda Woodarda, profesora fizike na Sveučilištu na Floridi, nedavno promatranje poništava klasu teorija koja je pokušala objasniti ponašanje gravitacije na skali galaksije bez tamne materije.
Woodard napominje da neke od tih teorija, poznate kao modificirana gravitacija (MOG) ili modificirana newtonska dinamika (MOND), predviđaju da će gravitacijski valovi i svjetlosni valovi dolaziti u različito vrijeme. Ipak LIGO je podigao gravitacijske valove i svjetlost iz dviju neutronskih zvijezda koje se sudaraju u roku od oko 2 sekunde jedna od druge. Budući da je izvor obojice bio udaljen 130 milijuna svjetlosnih godina, to je razlika od samo 1 dijela u oko 1, 5 kvadratnih milijardi. U osnovi su stigli u isto vrijeme.
Vrste modela o kojima Woodard govori - koje naziva "oporavcima tamne materije" - pokušavaju duplicirati učinke tamne materije, pretpostavljajući da se gravitacija ponaša drugačije nego što većina znanstvenika misli. "Naš rad definitivno ne isključuje sve modificirane gravitacijske modele koji ne mogu koristiti tamnu tvar", pojasnio je Woodard. "To se odnosi samo na veliku klasu njih."
Iako su se možda suočili s udarcem, teoretičari za tamnu materiju ne propadaju bez borbe.
...
U teoriji Alberta Einsteina o općoj relativnosti prostor je zakrivljen masivnim objektima. Snop fotona - inače poznat kao svjetlost - putuje najkraćim razmakom između dviju točaka (što nije uvijek ravna linija). Opća relativnost kaže da se gravitacijski valovi i svjetlost kreću istim linijama ili mjernim podacima.
No, iako je opća relativnost dokazana od kasnog, to nije posljednja riječ. Neke alternativne teorije gravitacije imale su gravitacijske valove koji se kreću drugačijom stazom, ili metričkom, od svjetlosti. Da bi postigao ovaj efekt, modificirana teorija gravitacije trebala bi tvrditi da na putanje gravitacijskih valova utječe samo vidljiva materija koju vidimo, dok bi svjetlost (fotoni) utjecala na vidljivu tvar i sve što duplicira efekte koji izgledaju poput tamne materije.
U tom bi slučaju gravitacijski valovi i svjetlost stizali u vrlo različitim vremenima. Ali budući da su LIGO vidjeli kako se oboje toliko približavaju, to izgleda kao snažan dokaz da gravitacija djeluje onako kako Einsteinova teorija kaže - što bi zauzvrat pojačalo slučaj tamne materije.
Međutim, mnogo prije LIGO-a, neki fizičari nisu bili zadovoljni tamnom materijom i osmislili su druge teorije koje su pokušale objasniti što astronomi vide. Jedan skup teorija poznat je kao Tensor-vektorska skalarna gravitacija (TeVeS), koja gravitaciji dodaje dodatno polje. Razvio ih je Jacob Bekenstein 2004. godine, već je bio pod nekim vatrom jer se činilo da će trebati neutrini masivniji od onoga što su fizičari dosad procjenjivali i nije uvijek stvarao stabilne zvijezde. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) također dodaje još jedno polje, iako na drugačiji način od TeVeS-a. Teorija kaže da gravitacija postaje jača kako se povećavate iz Sunčevog sustava u galaksije, a zatim u galaksije. Te dvije klase teorija za koje Woodard kaže da isključuju najnoviji podaci.
Mislili biste da bi fizičari napokon prihvatili da je tamna tvar vani, u bilo kojem obliku ona bila. Pravo? Pa, zagovornici modificirane gravitacije kažu da još nisu gotovi.
John Moffat, istraživač sa Instituta Perimeter u Waterlouu u Kanadi, kaže da je Woodard jednostavno pogrešno definirao svoju teoriju. "Ne daju nikakvo objašnjenje zbog čega je moj MOG lažiran", rekao je u e-poruci. "Točno je da su ove teorije MOND-a isključene podacima o spajanju neutronskih zvijezda. Stoga se čini da je moj MOG jedina preživjela teorija gravitacije koja može objasniti podatke o galaksiji, klasterima galaksija i kozmološke podatke bez otkrivene tamne materije u sadašnjem svemiru „. Moffat kaže da njegova teorija u stvari predviđa da bi svjetlosni i gravitacijski valovi stigli u isto vrijeme.
"Najbolji način da se ovaj rezultat protumači nije kao dokazivanje da je tamna tvar tačna, već kao ograničavanje načina na koji se moraju izraditi modificirane teorije gravitacije ako se ne žele riješiti", rekao je Woodard.
Različiti putevi
U 1970-ima pokojna astronomka Vera Rubin, tada u Carnegie ustanovi, otkrila je da se ta vidljiva materija ne kreće sporije dok se izlazi iz galaktičkog centra (put kojim se planeti kreću sporije kako se čovjek udaljava od sunca). U određenom trenutku sve se kretalo istom brzinom. Ili je bilo dosta difuzne mase oko galaksija koje nismo mogli vidjeti, ili se gravitacija ponašala na način koji ranije nije bio vidljiv.
Rana objašnjenja za neviđenu materiju obuhvaćala su: plin, skromne planete, neutrine, pa čak i crne rupe. Na kraju su svi odbačeni u korist trenutne predstave tamne materije stvorene od nečega što je djelovalo samo putem gravitacije.
Ipak, nekoliko fizičara smatralo je da je ideja tamne materije previše prikladna, nešto što je izmišljeno samo zato da bi matematika funkcionirala. Možda je gravitacija djelovala drugačije na različitim mjerilima, a opća relativnost jednostavno nije to uzela u obzir, teoretizirali su.
Mordehai Milgrom, profesor emeritus na Weizmannovom institutu za znanost u Izraelu, bio je jedan od ranih teoretičara MOND-a, koji je svoju verziju predložio u 1980-ima. U svom srcu, njegova teorija predlaže da se gravitaciona dinamika promijeni kada ubrzanja zahvaljujući gravitacijskoj sili dođu ispod određene granice. Također je stavio da gravitacija i svjetlost putuju na različitim mjernim podacima.
Uzeto zajedno, ove su teorije predstavljale, ako ne i ozbiljnu prijetnju, barem nagoveštanja problema s tamnom materijom - do sada. "
Dark Matter FTW
Tamna materija nije objasnila krivulje rotacije. Također je obuhvatio opažanja gravitacijskog leća - savijanje svjetlosti masivnim predmetima. Kad pogledamo neke udaljene galaksije, vidimo objekte iza njih kao kroz objektiv, po općoj relativnosti. Svjetlost se savija za količinu koja se ne može objasniti vidljivom masom. Ovo je bio još jedan dokaz za tamnu materiju (ili nešto slično).
Tamna materija također može objasniti zašto kozmička mikrovalna pozadina izgleda onako kako izgleda: ujednačena je u prosjeku, ali na manjim je mjestima nespretna, kao što bi se moglo očekivati u svemiru tamne materije. "Jedna od stvari o kojoj alternativa teoretičarima tamne materije nikad ne govori jest da ako nemate tamnu materiju, nećete naletiti na [kozmičku mikrovalnu pozadinu]", kaže Will Kinney, profesor fizike na Sveučilište u Buffalu. "Koliko znam, nijedna alternativna teorija tamne materije uopće nije imala objašnjenje za nalet u (kozmičkoj mikrovalnoj pozadini) spektru. To samo po sebi govori da te teorije neće raditi."
Dobar primjer je Bullet cluster, područje prostora u kojem se sudaraju dva galaksija. Promatranja klastera pokazuju efekte leće koji se ne podudaraju sa vidljivom materijom u njemu. Ipak, ako pretpostavimo da je prisutna tamna tvar, ali još se nije složila oko nakupine, tada se leće uklapa u teoriju tamne materije, rekao je Kinney.
Slučaj za MOND
Unatoč tome, arhitekti modificirane gravitacije suprotstavljaju se problemima koje ima tamna tvar. Jedna je anomalija oko Bullet Clustera - ista ona za koju bi većina rekla da podržava teoriju tamne materije. Prema nekim opažanjima Bullet grozd ubrzava; čak i ako pretpostavimo da su brzine "pogrešne". Također, tamna tvar predviđa brzine rotacije nekih galaksija manje dobro od modificirane gravitacije.
Pored toga, neke galaksije za koje se čini da imaju manje vidljive materije i dalje su masivne. To bi moglo biti zbog puno mračne materije, ali ne postoji neki poseban razlog tome. MOND teorije su u tom smislu bolje. "MOND ima više predviđajuće moći. Može se koristiti za predviđanje kinematike galaksija koje dominiraju na tamnoj materiji. Ne možete predvidjeti istu predviđanje s tamnom materijom. Sve što možete reći je:" Kladim se da galaksija slabe svjetlosti površine ima puno mraka stvar! ", rekla je Stacy McGaugh, astrofizičarka sa sveučilišta Case Western Reserve koja je radila na modificiranim teorijama gravitacije." To se temelji na prethodnom iskustvu, a ne teoriji za koju ne postoji dogovoreno predviđanje. "
Drugi problem je raspodjela navedene materije. Milgrom napominje da su u gotovo svim galaksijama koje su do sada promatrane krivulje rotacije istog oblika do točke u kojoj je ubrzanje zbog gravitacije prema središtu približno jedno deset milijardi milijardi metra u sekundi (približno isto gravitacijsku silu koju netko osjeti dva metra od težine od 10 kilograma).
Ako postoji tamna materija, ne bi se očekivalo da će se ona uvijek distribuirati upravo tako. Bilo bi poput odlaska u sve zemlje na Zemlji i otkrivanja da je raspodjela dohotka potpuno ista, usprkos vrlo različitim povijesti koje svaka zemlja ima.
"U paradigmi [mračne materije] današnja dinamika rezultat je komplicirane, kataklizmičke i nepoznate povijesti pojedine proučavane galaksije: koliko je spajanja pretrpjelo i koliko su bili nasilni, na izbacivanju barijena iz galaksija zbog raznih slabo razumljivih procesa itd. ", kaže on. MOND teorije, dodao je, čine bolji posao u predviđanju kretanja galaksije u tom pogledu.
Čak i Milgrom, međutim, priznaje da postoje određena područja za koja MOND teorije također ne predviđaju, čak i u svojim relativističkim MOG verzijama - na primjer, ne reproducira zapaženu kozmičku mikrovalnu pozadinu. "Potrebno nam je proširenje MOND-a koji će uzeti u obzir kozmologiju. Na tome radimo."
Sabine Hossenfelder, znanstvena suradnica Frankfurtskog instituta za napredne studije u Njemačkoj, slaže se da bi Woodardovo opažanje neke vrste MOND-a ili MOG-a postalo zastarjelo, ali također nije uvjerena da je tamna tvar odgovor. "Gotovo je ispravno da promatranje odbacuje teorije s pretpostavkama koje su navedene u radu. Ali nejasno je koje, ako postoje, modificirane teorije gravitacije zapravo ispunjavaju ove pretpostavke", rekla je. Na svom blogu napomenula je da tamna tvar djeluje na svim mjerilima, dok modificirana gravitacija ne djeluje dobro za kosmologiju.
Ethan Siegel, astrofizičar i autor, rekao je da su izgledi da se mnoštvo modificiranih gravitacijskih polja poništava LIGO opažanjima. Poput Hossenfeldera, vjeruje da je problem za MOND vaga koju opisuje. "Moffat je u pravu: MOND djeluje bolje od tamne materije na galaktičkim mjerilima. Ako pogledate pojedine galaksije i njihova dinamička svojstva, MOND ima prednost. MOND ipak uspijeva na svim ljestvicama osim one." Neke Milgromove teorije, rekao je, mogu preživjeti - na primjer, ako je Milgromova tvrdnja da gravitacija poštuje drugačija pravila od one u svemiru, na primjer, istinita. "Ovo je teorija koja još uvijek može preživjeti ove rezultate gravitacijskog vala."
Unatoč svom radu na alternativama gravitaciji, McGaugh je rekao da postoje stvari koje samo tamnoj materiji mogu dati smisla. "Ne vidim kako objasniti kozmičku mikrovalnu pozadinu ili grozdove galaksija (svi bogati klasteri, ne samo nakupine metaka) bez toga", kaže on. "To ne znači da se to ne može dogoditi, ali trenutno Ne vidim drugo održivo objašnjenje. " U isto vrijeme, još nije predan niti jednoj strani. "Ni jedno ni drugo nisu uvjerljivo", kaže on.
Drugim riječima, očekujte da će se rasprava nastaviti u dogledno vrijeme - kad se sudaraju dvije neutronske zvijezde.
