През октомври LIGO и европейският му колега VIRGO стават свидетели на гравитационни вълни, които се разкъсват от спиращ дъха между две неутронни звезди. Това безпрецедентно събитие изглеждаше като пореден триумф за нов вид астрономия, която би могла да използва гравитационни вълни за изследване на някои от най-дълбоките мистерии на Вселената. Но при всички вълнения повечето хора не забелязаха, че нещо е умряло: цяла група теории, позициониращи вселена без тъмна материя.
Свързано съдържание
- Учените забелязват искрата от древен сблъсък на неутронни звезди
- Трима учени зад откриването на гравитационни вълни получиха Нобелова награда по физика
- Учените откриват четвъртата гравитационна вълна, която се намира в древен сблъсък в черна дупка
Точно така: по-малко известна последица от новините на LIGO е, че е възможно да видим значителна промяна на дебата за тъмната материя - нещата, които изглежда гравитационно привличат видимия материал и огъващото пространство, но не могат да бъдат видени, Според документ, публикуван на сървъра за предпечат на ArXiv от Ричард Уудърд, професор по физика в Университета на Флорида, неотдавнашното наблюдение обезсилва клас теории, които се стремят да обяснят поведението на гравитацията на скали с размер на галактика без тъмна материя.
Woodard отбелязва, че някои от тези теории, известни като модифицирана гравитация (MOG) или модифицирана нютонова динамика (MOND), прогнозират, че гравитационните вълни и светлинните вълни ще пристигнат в различно време. И все пак LIGO вдигна гравитационните вълни и светлина от две сблъскващи се неутронни звезди в рамките на около 2 секунди една от друга. Тъй като източникът на двете е бил на 130 милиона светлинни години, това е разлика само от 1 част за около 1, 5 квадрилиона. По същество те пристигнаха по едно и също време.
Видовете модели, за които Woodard говори - които той нарича „емулатори на тъмна материя“ - се опитват да дублират ефектите на тъмната материя, като приемат, че гравитацията се държи по различен начин, отколкото повечето учени смятат. "Нашата хартия определено не изключва всички модифицирани гравитационни модели, които се отразяват на тъмната материя", поясни Ууард. "Прилага се само за големия клас от тях."
Но въпреки че може да са се сблъскали с удар, теоретиците на тъмната материя не слизат без бой.
...
В теорията на Алберт Айнщайн за общата относителност пространството е извито от масивни предмети. Един сноп фотони - иначе известен като светлина - се движи по най-малкото разстояние между две точки (което не винаги е права линия). Общата относителност казва, че гравитационните вълни и светлината се движат по едни и същи линии или показатели.
Но докато общата относителност е отменена от късно, това не е последната дума. Някои алтернативни теории за гравитацията имат гравитационни вълни, движещи се по различен път или метричен от светлината. За да постигне този ефект, една модифицирана теория на гравитацията би трябвало да определи, че пътищата на гравитационните вълни са засегнати само от видимата материя, която виждаме, докато светлината (фотоните) ще бъде засегната от видимата материя и каквито и да е дублиращи ефекти, които приличат на тъмна материя.
При този сценарий гравитационните вълни и светлината щяха да пристигнат в различно време. Но тъй като LIGO видя, че и двамата се приближават толкова близо един до друг, това изглежда като мощно доказателство, че гравитацията работи по начина, по който теорията на Айнщайн казва, че го прави - което от своя страна би засилило случая с тъмната материя.
Въпреки това, много преди LIGO, някои физици бяха недоволни от тъмната материя и измислиха други теории, които се опитваха да обяснят какво виждат астрономите. Един набор от теории е известен като тензор-вектор-скаларна гравитация (TeVeS), което добавя допълнително поле към гравитацията. Разработен от Джейкъб Бекенщайн през 2004 г., вече беше под някакъв огън, тъй като изглеждаше, че изисква неутрино по-масивен от това, което физиците са преценили досега, и не винаги е създавал стабилни звезди. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) също добавя друго поле, макар и по различен начин от TeVeS. Теорията казва, че гравитацията става по-силна, когато се увеличаваш от Слънчевата система до галактики и след това до галактически клъстери. Именно онези два класа теории, които според Уърдър са изключени от най-новите данни.
Бихте си помислили, че физиците най-накрая ще приемат, че тъмната материя е там, под каквато и да е форма. Така ли е? Е, привържениците на модифицираната гравитация казват, че все още не са готови.
Джон Мофат, изследовател от Института по периметъра във Ватерлоо, Канада, казва, че Уудърд просто не е характеризирал теорията си. "Те не дават обяснение защо моят MOG е фалшифициран", каза той в имейл. "Вярно е, че тези теории на MOND са изключени от данните за сливане на неутронни звезди. Следователно се оказва, че моят MOG е единствената оцеляла теория на гравитацията, която може да обясни данните за галактиката, клъстерите от галактика и данните от космологията без откриваема тъмна материя в сегашната вселена . " Мофат казва, че неговата теория всъщност предсказва, че светлината и гравитационните вълни ще пристигнат едновременно.
"Най-добрият начин да се интерпретира този резултат не е доказването, че тъмната материя е правилна, а по-скоро като ограничаването на това как трябва да се изграждат модифицирани теории на гравитацията, ако се стремят да се справят с нея", каза Уудърд.
Различни пътища
През 70-те години покойният астроном Вера Рубин, тогава в институцията в Карнеги, установи, че тази видима материя не се движи по-бавно, когато човек излиза от галактическия център (пътят, по който планетите се движат по-бавно, докато една се отдалечава от слънцето). В определен момент всичко се движеше със същата скорост. Или имаше много разсеяна маса около галактиките, които не можахме да видим, или гравитацията се държеше по начини, които не са били видими преди.
Ранните обяснения за невижданата материя включваха: газ, нечестиви планети, неутрино и дори черни дупки. В крайна сметка всички бяха отхвърлени в полза на сегашното схващане на тъмната материя като на нещо, което взаимодействаше само чрез гравитацията.
И все пак няколко физици смятаха, че идеята за тъмната материя е твърде удобна, нещо измислено само за да може математиката да работи. Може би гравитацията е работила различно в различни мащаби и общата относителност просто не е отчитала това, те теоретизират.
Мордехай Милгром, емерит професор в Научния институт на Вайцман в Израел, беше един от ранните теоретици на МООН, като предложи неговата версия през 80-те години. В основата му неговата теория предлага гравитационната динамика да се промени, когато ускоренията, дължащи се на гравитационната сила, стигнат под определена граница. Той също така позиционира, че гравитацията и светлината пътуват по различни показатели.
Взети заедно, тези теории представляват, ако не сериозна заплаха, то поне интимите за проблеми с тъмната материя - досега. "
Тъмно вещество FTW
Тъмната материя не обясни просто кривите на въртене. Той също така отчита наблюденията на гравитационните лещи - огъването на светлина от масивни предмети. Когато погледнем някои далечни галактики, виждаме обекти зад тях, сякаш през леща, на обща относителност. Светлината е огъната от количество, което не може да се обясни с видимата маса. Това беше още едно доказателство за тъмната материя (или нещо подобно).
Тъмната материя също може да обясни защо космическият микровълнов фон изглежда така, както го прави: средно е равномерен, но при по-малки мащаби е тромав, както би могъл да се очаква във вселената с тъмна материя. "Едно от нещата, за които алтернативите на теоретиците на тъмната материя никога не говорят, е, че ако нямате тъмна материя, няма да получите неравности в [космическия микровълнов фон]", казва Уил Кини, професор по физика в Университет в Бъфало. „Доколкото знам, никоя от алтернативните теории за тъмната материя изобщо не е имала обяснение за неравностите в (космическия микровълнов фон) спектър. Това само по себе си ми казва, че тези теории няма да работят.“
Един добър пример е клъстерът Bullet, регион на пространството, в който се сблъскват два галактически клъстера. Наблюденията на клъстера показват лещи, които не са в съответствие с видимата материя в него. Въпреки това, ако човек предположи, че е налице тъмна материя, но все още не се е установила около клъстера, тогава лещирането отговаря на теорията на тъмната материя, каза Кини.
Делото за МОН
Въпреки това архитектите с модифицирана гравитация противопоставят проблемите, които има тъмната материя. Едната е аномалия около Bullet Cluster - същата, за която повечето биха казали, че поддържа теорията за тъмната материя. Според някои наблюдения Bullet Cluster се ускорява твърде бързо; дори да приемем, че тъмната материя скоростите са „грешни“. Също така, тъмната материя предсказва скоростите на въртене на някои галактики по-малко от модифицираната гравитация.
Освен това някои галактики, които изглеждат с по-малко видима материя, все още изглеждат по-масивни. Това може да се дължи на много тъмна материя, но няма конкретна причина, която трябва да е така. Теориите на MOND се справят по-добре с този резултат. "MOND има по-голяма прогнозна сила. Човек може да го използва, за да предскаже кинематиката на галактиките с преобладаваща тъмна материя. Не можете да направите същото прогнозиране с тъмната материя. Всичко, което можете да кажете, е:" Обзалагам се, че галактиката с ниска яркост на повърхността има много тъмно има значение! ", каза Стейси Макгау, астрофизик от университета Case Western Reserve, който работи върху модифицирани теории на гравитацията." Това се основава на предишен опит, а не на теория, за която няма съгласувано прогнозиране. "
Друг проблем е разпределението на въпросната материя. Милгром отбелязва, че в почти всички галактики, които са били наблюдавани досега, кривите на въртене са с еднаква форма до точката, в която ускорението поради гравитацията към центъра е около една десет милиарда от метър в секунда в квадрат (приблизително същото гравитационна сила, усетена от някой на два метра от 10-килограмово тегло).
Ако съществува тъмна материя, човек не би очаквал тя винаги да се разпространява просто така. Би било като да отидете до всички страни на Земята и да установите, че разпределението на доходите е абсолютно еднакво, въпреки много различната история, която има всяка страна.
„В парадигмата [на тъмната материя] днешната динамика е резултат от сложната, катаклизмична и непознаваема история на отделната галактика, която се изследва: колко сливания е извършила и колко тежки са били, при изхвърлянето на бариони от галактиката поради различни слабо разбрани процеси и т.н. “, казва той. Теориите на MOND, добави той, вършат по-добра работа в прогнозирането на движението на галактиката в това отношение.
Дори и Милгром признава, че има някои области, които теориите на MOND също не предвиждат, дори и в техните релативистични MOG версии - не възпроизвеждайки наблюдавания космически микровълнов фон, например. "Нуждаем се от разширение на MOND, което ще отчита космологията. Това е нещо, върху което работим."
Сабине Хосенфелдер, научен сътрудник от Франкфуртския институт за напреднали проучвания в Германия, е съгласна, че наблюдението на Woodard би направило някои видове MOND или MOG остаряли, но също така не е убедена, че тъмната материя е отговорът. „Почти сигурно е, че наблюдението изключва теориите с предположенията, които те изброяват в документа. Но не е ясно кои, ако има такива, модифицирани теории на гравитацията действително изпълняват тези предположения“, каза тя. В блога си тя отбеляза, че тъмната материя работи на всички мащаби, докато модифицираната гравитация не работи толкова добре за космологията.
Итън Сийгъл, астрофизик и автор, каза, че шансовете са, че много модифицирани гравитационни полета са обезсилени от наблюденията на LIGO. Подобно на Hossenfelder, той смята, че проблемът за MOND са мащабите, които описва. "Moffat е правилен: MOND се справя по-добре от тъмната материя на галактическите скали. Ако погледнете отделните галактики и техните динамични свойства, MOND има предимството. MOND се проваля на всички скали, различни от тази, обаче." Някои от теориите на Милгром, каза той, може да оцелеят - ако твърдението на Милгром, че гравитацията спазва различни правила, отколкото материята във Вселената, е вярна например. "Това е теория, която все още може да оцелее при тези резултати от гравитационната вълна."
И въпреки работата си върху алтернативите на гравитацията, МакГау каза, че има неща, от които само тъмната материя може да има смисъл. "Не виждам как да обясня космическия микровълнов фон или клъстери от галактики (всички богати клъстери, а не само струпването на куршуми) без него", казва той. "Това не означава, че не може да се случи, но в момента Не виждам друго жизнеспособно обяснение. " В същото време той все още не е ангажиран с никоя от страните. "Нито едно от двете не е убедително", казва той.
С други думи, очаквайте дебатът да продължи да бушува в обозримо бъдеще - със силата на сблъскване на две неутронни звезди.
