Oktobra so bili v LIGO in njegovem evropskem kolegu VIRGO priča gravitacijskim valovom, ki so se odrivali od osupljivega trka dveh nevtronskih zvezd. Ta dogodek brez primere je bil videti še eno zmago nove astronomije, ki bi lahko s pomočjo gravitacijskih valov preizkusila nekatere najgloblje skrivnosti vesolja. Toda v vsem navdušenju večina ljudi ni opazila, da je nekaj umrlo: cela skupina teorij, ki postavljajo vesolje brez temne snovi.
Sorodne vsebine
- Znanstveniki so opazili iskrico v starodavnem trčenju nevtronskih zvezd
- Trije znanstveniki za zaznavo gravitacijskih valov so prejeli Nobelovo nagrado za fiziko
- Znanstveniki zaznajo četrti gravitacijski val, ki prihaja v trk v starodavno črno luknjo
Tako je: manj znana posledica novosti LIGO je, da bomo kmalu videli veliko preoblikovanje razprave o temni snovi - stvari, ki se zdi, da gravitacijsko privlačijo vidni material in prostor upogibanja, vendar ga ni mogoče opaziti . Glede na prispevek, ki ga je na strežnik za tisk ArXiv objavil Richard Woodard, profesor fizike na univerzi na Floridi, nedavno opazovanje razveljavi razred teorij, ki je želel razložiti gravitacijsko vedenje na lestvicah velikosti galaksije brez temne snovi.
Woodard ugotavlja, da nekatere od teh teorij, znanih kot spremenjena gravitacija (MOG) ali spremenjena newtonska dinamika (MOND), predvidevajo, da bodo gravitacijski valovi in svetlobni valovi prišli v različnih obdobjih. Pa vendar je LIGO v približno 2 sekundah dvignil gravitacijske valove in svetlobo iz dveh nevtronskih zvezd, ki se spopadata. Ker je bil vir obeh oddaljen 130 milijonov svetlobnih let, je to razlika le 1 dela v približno 1, 5 kvadratnih milijard. V bistvu so prispeli istočasno.
Vrste modelov, o katerih govori Woodard - ki jih imenuje "emulatorji temne snovi", poskušajo podvojiti učinke temne snovi, če predpostavljamo, da se gravitacija obnaša drugače, kot si misli večina znanstvenikov. "Naš papir vsekakor ne izključuje vseh modificiranih gravitacijskih modelov, ki ne uporabljajo temne snovi, " je pojasnil Woodard. "Velja samo za velik razred le-teh."
Kljub temu, da so se morda soočili z udarcem, teoretiki o temni materiji ne grejo brez boja.
…
V teoriji splošne relativnosti Alberta Einsteina je prostor ukrivljen z masivnimi predmeti. Žare fotonov - sicer znane kot svetloba - potuje po najkrajši razdalji med dvema točkama (kar ni vedno ravna črta). Splošna relativnost pravi, da se gravitacijski valovi in svetloba premikajo po istih premicah ali metrikah.
Toda čeprav je splošna relativnost že od nekdaj potrjena, to ni zadnja beseda. Nekatere alternativne teorije gravitacije so imele gravitacijske valove, ki se premikajo po drugi poti ali metrični svetlobi. Da bi dosegli ta učinek, bi morala spremenjena teorija gravitacije trditi, da na poti gravitacijskih valov vpliva samo vidna snov, ki jo vidimo, medtem ko bi na svetlobo (fotone) vplivala vidna snov in ne glede na podvajanje učinkov, ki so videti kot temna snov.
V tem primeru bi gravitacijski valovi in svetloba prišli v zelo različnih časih. Ker pa je LIGO videl, da se oba približata drug drugemu, je videti kot močan dokaz, da gravitacija deluje tako, kot to pravi Einsteinova teorija - kar bi v tem primeru podkrepilo temno snov.
Vendar so že pred LIGO nekateri fiziki nezadovoljni s temno snovjo in zasnovali druge teorije, ki so poskušale razložiti, kaj vidijo astronomi. En sklop teorij je znan kot Tensor-vektorsko skalarna gravitacija (TeVeS), ki gravitaciji doda dodatno polje. Razvil jo je Jacob Bekenstein leta 2004, je bil že pod nekim ognjem, ker se je zdelo, da so potrebni nevtrini bolj masivni od tistega, kar so ocenili fiziki doslej, in ni vedno ustvaril stabilnih zvezd. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) doda tudi drugo polje, čeprav na drugačen način kot TeVeS. Teorija pravi, da se gravitacija krepi, ko naraščate od sončnega sistema do galaksij in nato v galaksije. Po mnenju Woodarda ta dva razreda teorij izključujeta najnovejše podatke.
Mislili bi si, da bi fiziki končno sprejeli, da je tam temna snov, v kakršni koli obliki. Prav? No, zagovorniki spremenjene gravitacije pravijo, da še niso končani.
John Moffat, raziskovalec na Inštitutu Perimeter v Waterlou v Kanadi, pravi, da je Woodard preprosto napačno določil svojo teorijo. "Ne dajejo pojasnila, zakaj je moj MOG ponarejen, " je dejal v elektronskem sporočilu. "Res je, da so te teorije o MOND izključene s podatki o združitvi nevtronskih zvezd. Zato se zdi, da je moj MOG edina preživela teorija gravitacije, ki lahko razloži podatke o galaksiji, galaksičnih grozdih in podatke o kozmologiji brez zaznavne temne snovi v sedanjem vesolju . " Moffat pravi, da njegova teorija v resnici ne predvideva, da bi hkrati prišli svetloba in gravitacijski valovi.
"Najboljši način za razlago tega rezultata ni kot dokazovanje pravilne temne snovi, ampak kot omejevanje tega, kako je treba zgraditi spremenjene teorije gravitacije, če se želijo odpovedati temu, " je dejal Woodard.
Različne poti
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je pokojna astronomka Vera Rubin, takrat na Carnegie ustanovi, ugotovila, da se vidna snov ne giblje počasneje, ko gre ven iz galaktičnega središča (pot, ko se planeti gibljejo počasneje, ko se eden odmika od sonca). V določenem trenutku se je vse gibalo z isto hitrostjo. Ali okoli galaksij, ki jih nismo mogli videti, je bilo veliko razpršene mase, ali se je gravitacija obnašala na način, ki prej ni bil viden.
Zgodnja razlaga nevidne snovi je bila vključena: plin, loputi, planeti, nevtrini in celo črne luknje. Na koncu so bili vsi zavrženi v prid sedanjemu pojmovanju temne snovi kot nekaj, kar je vplivalo samo z gravitacijo.
Nekaj fizikov je menilo, da je ideja o temni snovi preveč priročna, nekaj, kar so izumili samo zato, da bi matematika delovala. Mogoče je gravitacija delovala drugače na različnih lestvicah, splošna relativnost pa tega preprosto ni upoštevala, so teoretizirali.
Mordehai Milgrom, profesor emeritus na Weizmannovem inštitutu za znanost v Izraelu, je bil eden izmed zgodnjih teoretikov MOND, ki je njegovo različico predlagal v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Njegova teorija predlaga, da se gravitacijska dinamika spremeni, ko se pospeški zaradi gravitacijske sile spustijo pod določeno mejo. Postavlja tudi, da gravitacija in svetloba potujeta v različnih metrikah.
Skupaj so te teorije predstavljale, če že ne resno grožnjo, vsaj namige o težavah s temno snovjo - do zdaj. "
Dark Matter FTW
Temna snov ni le razložila vrtilnih krivulj. Upoštevali so tudi opažanja gravitacijske leče - upogibanje svetlobe z masivnimi predmeti. Ko gledamo nekatere oddaljene galaksije, vidimo za njimi predmete kot skozi lečo, na splošno relativnost. Svetloba je upognjena za količino, ki je ni mogoče razložiti z vidno maso. To je bil še en dokaz za temno snov (ali kaj podobnega).
Temna snov lahko tudi razloži, zakaj je kozmično ozadje mikrovalov videti tako, kot je videti: v povprečju je enotno, na manjših lestvicah pa je nerodno, kot bi lahko pričakovali v vesolju temne snovi. "Ena izmed stvari, o kateri teoretiki temne snovi nikoli ne govorijo, je ta, da če nimate temne snovi, ne boste imeli udarcev v [kozmičnem mikrovalovnem ozadju], " pravi Will Kinney, profesor fizike na Univerza v Buffalu. "Kolikor vem, nobena od alternativnih teorij temne snovi sploh ni imela nobene razlage za sunke v (kozmičnem mikrovalovnem ozadju) spektru. To samo po sebi govori, da te teorije ne bodo delovale."
Dober primer je grozd Bullet, območje vesolja, v katerem se trčita dva galaksija. Opazovanja grozda kažejo učinke leče, ki se ne ujemajo z vidno snovjo v njem. Kljub temu, da če domnevamo, da je prisotna temna snov, vendar se še ni ustalila okoli grozda, potem lečenje ustreza teoriji temne snovi, je dejal Kinney.
Primer za MOND
Kljub temu se arhitekti spremenjene gravitacije soočajo s težavami, ki jih ima temna snov. Ena je anomalija okrog Bullet grozda - enaka, za katero bi večina rekla, da podpira teorijo temne snovi. Po nekaterih opažanjih se Bullet grozd prehitro pospešuje; celo ob predpostavki, da so hitrosti "napačne." Prav tako temna snov napoveduje hitrosti vrtenja nekaterih galaksij manj dobro kot spremenjena gravitacija.
Poleg tega so nekatere galaksije, za katere je videti, da imajo manj vidne snovi, še vedno bolj masivne. To bi lahko bilo posledica veliko temne snovi, vendar ni nobenega posebnega razloga. Teorije MOND so glede tega boljše. "MOND ima večjo napovedno moč. Lahko ga uporabimo za napovedovanje kinematike navidezno tematičnih galaksij, ki prevladujejo. Ne morete enake napovedi s temno snovjo. Vse, kar lahko rečete, je:" Stavim, da ima galaksija nizke površinske svetlosti veliko temnega zadeva! "" je dejala Stacy McGaugh, astrofizičarka na Univerzi Case Western Reserve, ki je delala na podlagi spremenjenih teorij gravitacije. "To temelji na predhodnih izkušnjah, ne na teoriji, za katero ni dogovorjenega predvidevanja."
Drugo vprašanje je distribucija omenjene snovi. Milgrom ugotavlja, da so v skoraj vseh galaksijah, ki smo jih do zdaj opazili, rotacijske krivulje enake oblike do točke, ko je pospešek zaradi gravitacije proti središču približno deset deset milijard metra na sekundo na kvadrat (približno enako gravitacijska sila, ki jo občuti nekdo dva metra od teže 10-kilogramske teže).
Če obstaja temna snov, človek ne bi pričakoval, da se bo vedno tako porazdelila. Bilo bi tako, kot da bi šli v vse države na Zemlji in ugotovili, da je bila porazdelitev dohodka popolnoma enaka, kljub zelo različnim zgodovinam, ki jih ima vsaka država.
"V paradigmi [temna snov] je današnja dinamika rezultat zapletene, kataklizmične in neznane zgodovine posamezne proučevane galaksije: koliko združitev je bilo podvrženo in kako nasilno je bilo ob izmetu barionov iz galaksije zaradi različnih slabo razumljenih procesov itd., «pravi. Teorije MOND je, je dodal, boljše delo pri napovedovanju gibanja galaksije v zvezi s tem.
Tudi Milgrom priznava, da obstajajo nekatera področja, ki jih teorije MOND tudi v svojih relativističnih različicah MOG ne napovedujejo - na primer ne reproducirajo opazovanega kozmičnega mikrovalovnega ozadja. "Potrebujemo razširitev MOND, ki bo upoštevala kozmologijo. To je nekaj, na čemer delamo."
Sabine Hossenfelder, znanstvena sodelavka na Frankfurtskem inštitutu za napredne študije v Nemčiji, se strinja, da bi Woodardovo opazovanje nekaterih vrst MOND ali MOG postalo zastarelo, vendar tudi ni prepričana, da je odgovor temna snov. "Skoraj zagotovo je pravilno, da opazovanje izključuje teorije s predpostavkami, ki jih navajajo v prispevku. Ni pa jasno, katere, če sploh, spremenjene teorije gravitacije dejansko izpolnjujejo predpostavke, " je dejala. Na svojem blogu je ugotovila, da temna snov deluje na vseh lestvicah, medtem ko spremenjena gravitacija ne deluje dobro za kozmologijo.
Ethan Siegel, astrofizik in avtor, je dejal, da je veliko možnosti, da veliko spremenjenih gravitacijskih polj razveljavi z opazovanji LIGO. Tako kot Hossenfelder tudi on meni, da so težave pri MOND lestvice, ki jih opisuje. "Moffat ima prav: MOND deluje bolje kot temna snov na galaktičnih lestvicah. Če pogledate posamezne galaksije in njihove dinamične lastnosti, ima prednost MOND. Vendar pa MOND ne uspe na vseh lestvicah razen tega." Nekatere Milgromove teorije so, kot je dejal, morda preživele - če na primer trdi, da gravitacija upošteva drugačna pravila kot zadeva v vesolju. "To je teorija, ki še vedno lahko preživi te rezultate gravitacijskega valovanja."
In kljub svojemu delu nad alternativami gravitaciji je McGaugh dejal, da obstajajo stvari, ki jih lahko ima samo temna snov. "Ne razumem, kako bi razložil kozmično mikrovalovno ozadje ali grozde galaksij (vsi bogati grozdi, ne samo kroglasti kroglice), " ne pomeni, da se to ne more zgoditi, vendar trenutno Druge izvedljive razlage ne vidim. " Hkrati še ni zavezan nobeni strani. "Niti prepričljivi niso, " pravi.
Z drugimi besedami, pričakujte, da bo razprava še naprej divjala v prihodnosti - s silama dveh nevtronskih zvezd.
