Модифицираните теории за гравитацията никога не са можели да опишат първата светлина на Вселената. Нова тяхна формулировка обаче успява.
От десетилетия група теоретици бунтари водят война с едно от основните понятия на космологията - идеята, че невидима, неуловима форма на материята формира основната структура на Вселената. Съществуването на тази тъмна материя, която сякаш надминава 5 пъти веществото, от което е направено всичко познато, се обосновава от множество, макар и косвени наблюдения: движението на галактиките и галактическите клъстери, начинът, по който светлината от далечните галактики ще се огъва по пътя си към земни телескопи и влакнестата структура на ранната Вселена, фактът, че скоростта на движение на звездите не намалява по краищата на галактиките и др.
Физиците революционери търсят алтернативна космическа рецепта. Те заместват тъмната материя с фино модифицираната сила на гравитацията. Но опитите да се преведе тяхната груба идея на прецизен математически език винаги са противоречали на поне едно ключово наблюдение. Някои формулировки правилно описват галактиките, някои получават правилно изкривяване на светлинните лъчи, но никоя не успява да заобиколи най-непробиваемото доказателство за тъмната материя: точните карти на древната светлина, известна като космически микровълнов фон (CMB).
„Една теория ще е наистина добра, ако се съгласува с тези данни“, коментира Рут Дюрер (Ruth Durrer), космолог от Университета в Женева. "Това е тясното място."
Сега двама теоретици твърдят, че най-накрая са извели алтернативна теория за гравитацията през това препятствие. Тяхната работа, която е публикувана онлайн в края на юни и все още не е преминала партньорска проверка, използва модифицирана версия на теорията на гравитацията на Айнщайн, за да възпроизведе картата на ранната Вселена, подвиг, за който някои физици бунтари се опасяваха, че е невъзможен.
Други смятат, че предварителните резултати на модела изглеждат обещаващи. "Тъй като нищо друго не работеше досега, все пак съм впечатленa, че в този случай изглежда се получава", споделя Дюрер.
Повечето космолози все още предпочитат тъмната материя като по-проста от двете парадигми, но са съгласни, че новата теория е интригуваща - ако тя наистина съответства на допълнителни космологични наблюдения. „Това би било голяма бариера“, коментира Дан Хупър (Dan Hooper), астрофизик от Чикагския университет. "Това би било доста интересно."
Пробив
Предизвикателствата пред алтернативните теории за гравитацията, известни като модифицирана нютонова динамика или MOND (MOdified Newtonian dynamics), са описани в отделен препринт, случайно публикуван в деня след появата на новия модел. Главна сред тях е преработването на водещата роля на тъмната материя в състава на Вселената, както е описан от утвърдения космологичен модел, известен като Ламбда студена тъмна материя (LCDM - Lambda cold dark matter).
Най-просто казано, LCDM твърди, че няма да сме тук, ако я нямаше тъмната материя. Ранната вселена е била толкова гладка, че гравитационното привличане само на обикновената материя не би било достатъчно, за да събере частиците в галактики, звезди и планети. Според LCDM са нужни и частици тъмна материя, за да се извае нормална материя в съвременните космически структури, които изучават астрономите.
LCDM се превърна в стандартния модел на космологията отчасти защото така прецизно се съгласува с космическия микровълнов фон CMB. Тази карта на ранната Вселена показва почти незабележимите по-плътни и по-фини петна, изпълващи космоса. Съвсем наскоро изследователите успяват по-точно да измерят ориентацията или поляризацията на светлината на CMB. Всяка успешна космологична теория ще трябва да установи цялостната история на космоса чрез възпроизвеждане на тези три наблюдения: температурата на CMB, поляризацията на CMB и текущото разпределение на галактики и галактически клъстери.
Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine; Източник: doi: 1303.5076v3
Във втория препринт Крис Пардо (Kris Pardo), астрофизик от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, и Дейвид Спергел (David Spergel), директор на Центъра за изчислителна астрофизика на Института Флатирон, определят колко трудно би било за всяка алтернативна теория на гравитацията да се конкурира с една конкретна характеристика на LCDM. Когато по-плътните зони на тъмната материя привличат материя към себе си, евентуално образувайки галактики и звезди, това до голяма степен - но не изцяло - би размило първоначалните вълни в материята. Сравнявайки поляризацията на CMB със съвременните структури на материята, космолозите могат точно да измерят този този ефект: остатъците от пулсации 100 пъти по-малки от вълните, наблюдавани в CMB днес.
Както показва Спергел, пресъздаването на тези и други особености без основната съставка на LCDM, изисква най-добрите теоретични настройки.
„Не сме опровергали съществуването на всички тези [теории за модифицирана гравитация]“, отбелязва той. "Но всяка алтернативна теория трябва да прескочи тези препятствия."
Тъмен прах
Том Злосник (Tom Złosnik) и Константинос Скордис (Constantinos Skordis), теоретици в Централноевропейския институт за космология и фундаментална физика, смятат, че са направили точно това - макар по начин, който може да изненада скептиците и феновете на MOND. Те успяват да конструират теория за гравитацията, която съдържа съставка, която действа точно като невидима форма на материята в космически мащаби, размивайки границата между парадигмите на тъмната материя и MOND.
Тяхната теория, наречена RelMOND, добавя към уравненията на Общата теория на относителността вездесъщо поле, което се държи различно в различни скали. На най-големите мащаби, където Вселената забележимо се разтяга, разширявайки се, полето действа като невидима материя. В този режим, който Злосник нарича "тъмен прах", полето би могло да оформи видимата вселена, точно както тъмната материя. Моделът възпроизвежда вярно температурата на CMB - резултатът, който двамата теоретици публикуват в предпечатния им текст. Злосник твърди, че резултатите съответстват на поляризационния спектър и разпределението на материята, въпреки че авторите все още не са публикували тези сценарии.
„[RelMOND] не се справя по-зле от LCDM“, отбелязва Злосник, тъй като много точно имитира тази теория за вселената като цяло.
Но ако увеличим мащаба на галактиката, където тъканта на космоса по-скоро стои неподвижна, полето действа по начин, който е верен на корените на MOND: То се преплита със стандартното гравитационно поле, като го модифицира достатъчно, за да държи галактика заедно без допълнителна материя. (Изследователите все още не са сигурни как полето действа за по-големи струпвания на галактики, дългогодишно слабо място на MOND и предполагат, че този междинен мащаб може да е добро място за търсене на наблюдателни улики, които биха могли да разделят теорията.)
Въпреки математическите постижения на двамата теоретици, тъмната материя остава по-простата теория. Но конструирането на новото поле изисква много по-сложна математика от тъмната материя на LCDM. Дан Хупър оприличава ситуацията с детектив, който се чуди дали човекът на местопрестъплението е убиецът или това е инсценировка на агенти на ЦРУ. Дори ако наличните доказателства съответстват и на двете теории, в едната има по-малко усложнения.
Все пак той не разубеждава другите, работещи върху тази хипотеза, макар да я смята за космологична теория на конспирацията. „Радвам се, че умни хора мислят за MOND“, подччертава Дан Хупър.
Злосник се надява, че тъмната материя ще бъде открита скоро, но междувременно той вижда работата си по MOND повече като стречинг упражнение на Общата теория на относителността до нейните граници, отколкото като атака срещу космологичния стандарт. Засега той е просто доволен, че е помогнал да покаже, че математиката на гравитацията може да побере по-странни явления, отколкото мнозина смятат.
„Има опасност да се пропусне нещо полезно само защото приемаме, че това не е възможно“, заявява Злосник. „Това може да насочи пътя към нещо малко по-успешно.“
Справка: A new relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics
Constantinos Skordis, Tom Złosnik, arxiv.org/pdf/2007.00082.pdf
Източник: An Alternative to Dark Matter Passes Critical Test, Quanta magazine
Още по темата
Космос
Вселена, в която не важат законите на Нютон, е изненадващо близко до реалността
Космос
Тъмната материя съществува: Наблюденията опровергават алтернативните обяснения
Физика
Тъмната материя и тъмната енергия могат да се заменят с отрицателна маса
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари