I oktober var LIGO og dens europeiske motstykke, VIRGO, vitne til tyngdekraftsbølger som rippet ut fra en fantastisk kollisjon mellom to nøytronstjerner. Denne enestående hendelsen så ut som nok en triumf for en ny type astronomi, en som kunne bruke gravitasjonsbølger for å undersøke noen av universets dypeste mysterier. Men i all spenningen la de fleste ikke merke til at noe hadde dødd: en hel gruppe teorier som posiserer et univers uten mørk materie.
Relatert innhold
- Forskere oppdager gnisten fra eldgamle kollisjon med nøytronstjerner
- Tre forskere bak deteksjonen av gravitasjonsbølger tildelt nobelpris i fysikk
- Forskere oppdager den fjerde gravitasjonsbølgen, hjemme i en eldgammel svart kollisjon
Det er riktig: en mindre kjent konsekvens av LIGO-nyhetene er at vi kan være i ferd med å se en betydelig omforming av debatten om mørk materie - ting som ser ut til å tiltrekke det synlige materialet og bøye plass, men ikke kan sees . I følge et papir som ble lagt ut på ArXiv-forhåndstrykkserveren av Richard Woodard, professor i fysikk ved University of Florida, annullerer den nylige observasjonen en klasse teorier som forsøkte å forklare tyngdekraftenes oppførsel på galaksstørrelsesskala uten mørk materie.
Woodard bemerker at noen av disse teoriene, kjent som modifisert gravitasjon (MOG) eller modifisert Newtonsk dynamikk (MOND), forutsier at gravitasjonsbølger og lysbølger ville ankomme til forskjellige tider. Likevel hentet LIGO tyngdekraftsbølgene og lyset fra to sammenstøtende nøytronstjerner innen omtrent 2 sekunder fra hverandre. Siden kilden til begge var 130 millioner lysår unna, er det en forskjell på bare 1 del i omtrent 1, 5 kvadrillion. I hovedsak ankom de samtidig.
Den typen modeller Woodard snakker om - som han kaller "mørk materie-emulatorer" - forsøker å duplisere effekten av mørk materie, ved å anta at tyngdekraften oppfører seg annerledes enn de fleste forskere tror. Woodard utelukker definitivt ikke alle modifiserte gravitasjonsmodeller som dispenserer for mørk materie, avklarte Woodard. "Det gjelder bare den store klassen av dem."
Selv om de kan ha fått et slag, vil ikke teoretikere mot mørke saker gå ned uten kamp.
...
I Albert Einsteins teori om generell relativitet er rommet buet av massive gjenstander. En lysstråle - ellers kjent som lys - reiser langs den korteste avstanden mellom to punkter (som ikke alltid er en rett linje). Generell relativitet sier at gravitasjonsbølger og lys beveger seg på de samme linjene, eller målinger.
Men mens generell relativitet er blitt bekreftet fra sent, er det ikke det siste ordet. Noen alternative teorier om tyngdekraft hadde gravitasjonsbølger som beveget seg på en annen bane, eller metrisk, fra lys. For å få denne effekten, vil en modifisert gravitasjonsteori måtte påpeke at gravitasjonsbølgenes veier bare påvirkes av det synlige materialet vi ser, mens lys (fotoner) vil bli påvirket av det synlige materialet og uansett duplikateffekter som ser ut som mørk materie.
I dette scenariet ville gravitasjonsbølger og lys ankomme til vidt forskjellige tider. Men siden LIGO så begge komme så nær hverandre, ser det ut som et kraftig bevis som tyder på at tyngdekraften fungerer slik Einsteins teori sier at den gjør - noe som igjen vil styrke saken for mørk materie.
Lenge før LIGO var imidlertid noen fysikere utilfredse med mørk materie og utviklet andre teorier som forsøkte å forklare hva astronomene ser. Ett sett av teorier er kjent som Tensor-vector-scalar gravity (TeVeS), som tilfører et ekstra felt til tyngdekraften. Utviklet av Jacob Bekenstein i 2004, var allerede under en viss ild fordi det så ut til å kreve nøytrinoer mer massive enn det fysikere har estimert så langt, og det produserte ikke alltid stabile stjerner. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) legger også til et annet felt, men på en annen måte enn TeVeS. Teorien sier at tyngdekraften blir sterkere når du skalerer opp fra solsystemet til galakser og deretter til galakse klynger. Det er de to klassene av teorier som Woodard sier blir utelukket av de nyeste dataene.
Du skulle tro at fysikere endelig ville akseptere at mørk materie er der ute, i hvilken form det måtte være. Ikke sant? Talsmenn for endret tyngdekraft sier de ikke er gjort ennå.
John Moffat, forsker ved Perimeter Institute i Waterloo, Canada, sier Woodard ganske enkelt miskarakteriserte teorien sin. "De gir ingen forklaring på hvorfor MOG-en min er forfalsket, " sa han i en e-post. "Det er sant at disse MOND-teoriene er ekskludert av nøytronstjernens fusjonsdata. Derfor ser det ut til at MOG er den eneste overlevende tyngdekraften som kan forklare galaksen, galakse-klyngedataene og kosmologidataene uten påvisbar mørk materie i det nåværende universet. ." Moffat sier at teorien hans faktisk spår at lys og gravitasjonsbølger ville ankommet samtidig.
"Den beste måten å tolke dette resultatet er ikke så å bevise at mørk materie er riktig, men snarere som å begrense hvordan modifiserte gravitasjonsteorier må konstrueres hvis de prøver å dispensere fra det, " sa Woodard.
Ulike stier
På 1970-tallet fant den avdøde astronomen Vera Rubin, da ved Carnegie Institution, at den synlige saken ikke beveget seg saktere når man går ut fra det galaktiske sentrum (måten planeter beveger seg saktere når man beveger seg fra solen). På et bestemt tidspunkt beveget det seg i samme hastighet. Enten var det mye diffus masse rundt galaksen vi ikke kunne se, eller tyngdekraften oppførte seg på måter som ikke var synlige før.
Tidlige forklaringer på den usettede saken inkluderer: gass, useriøse planeter, nøytrinoer og til og med sorte hull. Etter hvert ble alle kastet til fordel for den nåværende forestillingen om mørk materie som laget av noe som bare samhandlet via tyngdekraften.
Likevel syntes noen få fysikere at ideen om mørk materie var for praktisk, noe som ble oppfunnet bare for å få matematikken til å fungere. Kanskje tyngdekraften fungerte annerledes på forskjellige skalaer, og generell relativitet gjorde ganske enkelt ikke rede for det, teoretiserte de.
Mordehai Milgrom, en emeritus-professor ved Weizmann Institute of Science i Israel, var en av de tidlige MOND-teoretikerne, etter å ha foreslått sin versjon på 1980-tallet. I hjertet foreslår hans teori at gravitasjonsdynamikken endres når akselerasjoner på grunn av gravitasjonskraft kommer under en viss grense. Han antyder også at tyngdekraft og lys beveger seg på forskjellige målinger.
Sammensatt presenterte disse teoriene, om ikke en alvorlig trussel, i det minste intimasjonene om problemer med mørk materie - frem til nå. ”
Dark Matter FTW
Mørk materie forklarte ikke bare rotasjonskurver. Den stod også for observasjoner av gravitasjonslinser - bøyning av lys av massive gjenstander. Når vi ser på noen fjerne galakser, ser vi objekter bak seg som gjennom en linse, per generell relativitet. Lyset bøyes av en mengde som ikke kan forklares med den synlige massen. Dette var nok et bevis for mørk materie (eller noe lignende).
Mørk materie kan også forklare hvorfor den kosmiske mikrobølgebakgrunnen ser ut som den gjør: den er ensartet i gjennomsnitt, men i mindre skalaer er den klumpete, som man kan forvente i et mørkstoffunivers. "En av tingene som alternativ til mørk materie-teoretikere aldri snakker om, er at hvis du ikke har mørk materie, får du ikke ujevnheter i den [kosmiske mikrobølgebakgrunnen], " sier Will Kinney, professor i fysikk ved Universitetet i Buffalo. "Så vidt jeg vet, har ingen av de alternative teoriene om mørk materiell noen gang forklart på støt i (kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn) spektrum. Det i seg selv forteller at disse teoriene ikke kommer til å fungere."
Et godt eksempel er Bullet-klyngen, et område i rommet der to galakse-klynger kolliderer. Observasjoner av klyngen viser linsevirkninger som ikke stemmer overens med det synlige stoffet i den. Likevel, hvis man antar at mørk materie er til stede, men ikke har lagt seg ennå rundt klyngen, så passer linseringen mørk materie teori, sa Kinney.
Saken for MOND
Likevel teller arkitektene med modifisert tyngdekraft med problemene som mørk materie har. Den ene er en anomali rundt Bullet Cluster - den samme som de fleste vil si støtter mørk materie teori. I følge noen observasjoner akselererer Bullet Cluster for raskt; selv om man antar mørk materie at hastighetene er "gale." Dessuten spår mørk materie rotasjonshastighetene for noen galakser mindre bra enn modifisert tyngdekraft.
I tillegg fremstår noen galakser som ser ut til å ha mindre synlig materiale fremdeles mer massive. Det kan skyldes mye mørk materie, men det er ingen spesiell grunn til det. MOND-teorier klarer seg bedre på den poengsummen. "MOND har mer forutsigbar kraft. Man kan bruke den til å forutsi kinematikken til tilsynelatende mørk materie dominerte galakser. Du kan ikke gjøre den samme forutsigelsen med mørk materie. Alt du kan si er" Jeg vedder på at galaksen med lav overflate lyshet har mye mørk betyr noe! ", sa Stacy McGaugh, en astrofysiker ved Case Western Reserve University som har arbeidet med modifiserte gravitasjonsteorier." Dette er basert på tidligere erfaringer, ikke teori, som det ikke er noen avtalt forutsigelse for. "
En annen sak er fordelingen av nevnte sak. Milgrom bemerker at i nesten alle galaksene som er observert så langt, er rotasjonskurvene samme form ut til det punktet hvor akselerasjon på grunn av tyngdekraften mot sentrum er omtrent en ti-milliardedels meter per sekund i kvadratet (omtrent det samme tyngdekraft følt av noen to meter fra en vekt på 10 kilo).
Hvis mørk materie eksisterer, kan man ikke forvente at den alltid vil bli distribuert bare slik. Det ville være som å dra til alle land på jorden og finne at inntektsfordelingen var nøyaktig den samme, til tross for de veldig forskjellige historiene som hvert land har.
"I [mørk materie] -paradigmet er dagens dynamikk et resultat av den kompliserte, kataklysmiske og uvitende historien til den enkelte galakse som er studert: om hvor mange fusjoner den gjennomgikk og hvor voldelige de var, på utstøting av baryoner fra galaksen på grunn av forskjellige dårlig forstått prosesser osv., "sier han. MOND-teorier, la han til, gjør en bedre jobb med å forutsi galaksebevegelse i den forbindelse.
Selv Milgrom erkjenner imidlertid at det er noen områder som MOND-teoriene ikke forutsier så bra, selv i deres relativistiske MOG-versjoner - for eksempel ikke gjengi den observerte kosmiske mikrobølgebakgrunnen. "Vi trenger en utvidelse av MOND som vil redegjøre for kosmologi. Dette er noe vi jobber med."
Sabine Hossenfelder, stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, er enig i at Woodards observasjon ville gjøre noen slags MOND eller MOG foreldet, men er heller ikke overbevist om at mørk materie er svaret. "Det er nesten helt sikkert riktig at observasjonen utelukker teorier med forutsetningene som de viser i papiret. Men det er uklart hvilke, om noen, modifiserte gravitasjonsteorier som faktisk oppfyller forutsetningene, " sa hun. På bloggen sin bemerket hun at mørk materie fungerer på alle skalaer, mens modifisert tyngdekraft ikke fungerer så bra for kosmologien.
Ethan Siegel, en astrofysiker og forfatter, sa at sjansen er stor for at mange modifiserte tyngdekraftsfelt blir ugyldiggjort av LIGO-observasjonene. I likhet med Hossenfelder, mener han problemet for MOND er skalaene det beskriver. "Moffat har rett: MOND gjør det bedre enn mørk materie på galaktiske skalaer. Hvis du ser på individuelle galakser og deres dynamiske egenskaper, har MOND fordelen. MOND mislykkes på alle andre skalaer enn det." Noen av Milgroms teorier, sa han, kan overleve - hvis Milgroms påstand om at tyngdekraften adlyder andre regler enn saken i universet gjør, er f.eks. "Dette er en teori som fremdeles kan overleve disse gravitasjonsbølgeresultatene."
Og til tross for sitt arbeid med alternativer til tyngdekraften, sa McGaugh at det er ting som bare mørk materie kan gi mening om. "Jeg ser ikke hvordan jeg kan forklare den kosmiske mikrobølgebakgrunnen eller klyngene av galakser (alle rike klynger, ikke bare kuleklyngen) uten det, " sier han. "Det betyr ikke at det ikke kan skje, men for tiden Jeg ser ingen annen levedyktig forklaring. " Samtidig er han ennå ikke forpliktet til noen av sidene. "Heller ikke er overbevisende, " sier han.
Med andre ord, forvent at debatten fortsetter å raste i overskuelig fremtid - med kraften fra to nøytronstjerner kolliderer.
