Едно наскоро излязло изследване, за което ви разказахме, хвърли предизвикателство към съвременната теория на гравитацията и нуждата от съществуването на тъмната материя.
Дали теорията на "Модифицираната Нютонова динамика" (Modified Newtonian dynamics - MOND) няма да се справи по-добре с обяснението на Вселената и дали не е време да забравим вече за тази неуловима и невидяна от никой тъмна материя?
На тези въпроси отговаря известният астрофизик Итън Сийгъл (Ethan Siegel) в своя блог.
За да се разбере по-добре за какво става въпрос, трябва да се върнем в IXX век и да видим проблемите, които са съществували много преди проблема с "липсваща маса" (или "липсвата светлина"), който се опитва да реши MOND: проблемът на Уран и Меркурий.
Илюстрация: Voyager 2, NASA (L); Messenger Mission, NASA (R).
Законите на гравитацията, разработени от Нютон през XVII век, много добре се справят с описанието на всичко, към което се приложат. От движението на летящите снаряди до търкалящи се обекти, махалото, орбитите на планетите.
Трите закона на Кеплер, които са частни случаи на Нютоновата гравитация, важат за всички известни планети:
1. Всяка планета в Слънчевата система има орбита в форма на елипса, в единия фокус на която е Слънцето.
2. Всяка планета се движи в равнина, минаваща през центъра на Слънцето, при това за равни промеждутъци от време радиус-векторът, свързващ Слънцето и планетата, описва равни площи.
3. Квадратите на периодите на обиколките на планетите около Слънцето се отнасят както кубовете на полуосите на орбитите на планетите.
Илюстрация: Armagh Observatory, College Hill, via http://star.arm.ac.uk/history/instruments/Glikerson-orrery.html.
Всички познати светове сe подчиняват на тези закони и за стотици години не са открити никакви отклонения. Но с откриването на Уран през 1781 година всичко се е променило. Новата планета се движи по елипса около Слънцето, но скоростта й не съответства на предвижданията на законите на гравитацията.
В първите 20 години след откриването й тя се е движила по-бързо, отколкото се предсказва от законите. През следващите 20-25 години скоростта й отговаря на изчисленията. След това тя забавя още повече и скоростта й пада под изчислената.
Нима законът за гравитацията е бил погрешен? Може би. Но може би има още някаква материя, някакъв вид невидима или тъмна материя, забавяща Уран.
Илюстрация: Michael Richmond of R.I.T. Neptune is in blue, Uranus in green, with Jupiter and Saturn in cyan and orange, respectively.
Оказва се, че е така. След войната между теоретиците Юрбен Жан Жозеф Льовелие и Джон Коуч Адамс, по време на която те правят независими прогнози за местоположението на новата планета, на 23 септември, 1846 г. изчисления Льовелие са потвърдени от Йохан Готфрид Гале и неговият помощник Генрих Луи Д’Арре. Открит е Нептун, първият обект, чието съществуване е предсказано от гравитационните ефекти на неговата маса.
Илюстрация: Starry Night Software, via http://www.space.com/19090-earth-closest-sun-perihelion-2013.html.
От друга страна, най-вътрешната планета, Меркурий, в резултат на увеличената точност на инструментите за наблюдение и на натрупаните през вековете измервания, започнаха да показват странно отклонение от законите на гравитацията. Кеплер предсказва, че планетите трябва да се движат около Слънцето в перфектна елипса с фокус в Слънцето, но само при липса на други маси, влияещи на системата. Но явно тука има други маси, а Меркурий не се движи по идеално затворена елипса. Елипсата прави прецесия.
.gif)
Илюстрация: Wikimedia Commons user WillowW.
Използвайки законите на Нютон за гравитацията, ние можем да вземем предвид влиянието на всички планети, включително Нептун и прецесия на земните равноденствия. След това ще остане само една малка разлика между наблюденията и прогнозите - прецесия от 43" за сто години или 0.012° за сто години. Но това не е случайност.
Така че къде е проблемът? Има ли все още неизвестна маса, може би вътрешна по отношение на Меркурий? Може би проблемът е законът за гравитацията? Водеше се досадно търсене на теоретичната планета Вулкан, разположена още по-близо до Слънцето. Но няма никакъв Вулкан. Решението идва през 1915 година, когато Айнщайн представи своята теория на относителността.
Илюстрация: wiseGEEK, via http://www.wisegeek.com/what-is-the-theory-of-relativity.htm#.
Да се пренесем в 70-те години на миналия век и да разгледаме наблюденията, за първи път направени от Вера Рубин. Ние наблюдаваме отделни галактики, особено ръба на галактиките - и измерване на техните скоростни профили. Очакваме и виждаме в единия край на галактиката, че тя се движи към нас (синьо отместване), а след това гледаме другия и виждаме, че той се отдалечава от нас (червено отместване) - следствие на въртенето на галактиката. Това, което очакваме да открием е, че подобно на нашата Слънчева система, вътрешните звездите да се въртят по-бързо, със скорост, която пада с отдалечаване от центъра. Но виждаме съвсем друго.
.gif)
Илюстрация: Stefania.deluca of Wikimedia Commons.
Вместо това, скоростта на въртенето на галактиката остава постоянно с отдалечаването от центъра. Защо? Има две възможности - или законите на гравитацията изискват корекция, или трябва да приемем съществуването на допълнителна, невидима маса.
Илюстрация: Stacy McGaugh, via https://www.astro.umd.edu/~ssm/mond/fit_compare.html.
MOND (MOdified Newtonian Dynamics – МОдифицирана Нютонова Динамика) е представена за първи път през 1981 г. от Моти Милгром, който забеляза, че ако променим законите на Нютон за гравитацията при много малки ускорения - нещо като части от нанометър за секунда на квадрат, ще можем да обясним и да получим точно такива криви на скоростите на въртене. Освен това, една и съща модификация, може да се обясни на въртенето на всички галактики, от най-малките до най-големите. И MOND досега се справя с това много добре.
Илюстрация: NASA, ESA, and T. Brown and J. Tumlinson (STScI).
Хипотезата за тъмната материя, от друга страна, предполага, че в допълнение към обикновените частици от Стандартния модел, цялата нормалната материя от "протони, неутрони и електрони", които съставляват почти всичко, което ни е известно, има нов вид материя. За да се обясни феномена на въртенето, е предножен голям ореол от материя, която не взаимодейства със светлината и не взаимодейства с обикновената материя. Това е идеята на тъмната материя.
Тъмната материя може да обясни тези криви на ротация, но не така хубаво, както и MOND. Числените симулации на ореолите, получени от най-простите модели на тъмната материя не съвпадат съвсем с наблюденията - ореолите са твърде "плътни" в центъра и твърде "пухкави" в покрайнините. (технически казано, те се появяват като по-изотермични, отколкото се очаква). Ако имахме само тези криви на въртене, MOND щеше да бъде безспорен лидер.
Но имаме цяла Вселена.
Илюстрация: Illustrated London News, Issue 4205. — Vol CLV, Nov, 22 1919, Page 6 of 39.
Ако ви предложат нова теория в замяна на една стара - както Общата теория на относителността замени законите на Нютон - вашата теория трябва да отговаря на три условия:
- Тя трябва да възпроизвежда всички успехи на предходната водеща теория.
- Тя трябва успешно да обяснява новото явление (или явления), заради които е разработена.
- И тя трябва да прави нови прогнози, които могат да бъдат експериментално или чрез наблюдения проверени и съответно потвърдени или опровергани, които са уникални за тази нова теория.
Ако говорим за успехите на предходната водеща теория - те са в изобилие.
Илюстрация: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Blakeslee (NRC Herzberg Astrophysics Program, Dominion Astrophysical Observatory), and H. Ford (JHU).
Гравитационните лещи, огъващи звездната светлина заради масата, включително силни и слаби гравитационни лещи. Ефект на Шапиро - на гравитационно забавяне на сигнала. Гравитационно забавяне на времето и гравитационно червено отместване. Платформа, свързана с Големия взрив и концепцията за разширяване на Вселената. Движенията на галактиките в клъстерите и групиране на галактиките в големи мащаби.
И във всички тези случаи MOND ефектно се проваля, или не предлагайки никакви прогнози или прогнози в конфликт с наличните данни. Ако кажете, че MOND никога не е била предназначена да бъде пълна теория, а по-скоро описание на едно явление, което може да доведе до пълна теория, може да продължите да се надявате. Има много хора, които работят по разширение на MOND, което може да обясни тези наблюдения, но особени успехи засега няма, включително теорията TeVeS (Tensor-Vector-Scalar gravity - тензор-вектор-скалярна гравитация) от Бекенщайн, MoG (Modified Gravity - модифицирана гравитация) от Джон Мофат и др.
Но ако оставим законите за гравитацията на Айнщайн и просто да добавим нова съставка, студена тъмна материя, неизпитваща взаимодействия, може да обясни всичко, включително и някои зрелищни, нови подробности.
Илюстрация: ESA and the Planck Collaboration (top); Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint (below).
Можете да се обяснят флуктуациите в космическия микровълнов фон, включително "акустични върхове", които просто не могат да съществуват без някаква форма на тъмна материя.
Илюстрация: L. Anderson et al. (2012), for the Sloan Digital Sky Survey. Via http://arxiv.org/abs/1203.6594.
Можете да се обясни схемата на клъстерите, видима в мащабната структурата на Вселената, включително голямата "крива" горе, и колебанията в кривата, ако се приеме наличието на около пет пъти повече тъмна материя, отколкото обикновена.
И най-интересното е, че може да получите една напълно нова прогноза - при сблъсък на две групи галактики, вътрешния газ трябва да се нагрее, да се забави и отдели рентгенови лъчи (горе, в розово), а видимата през гравитационната леща маса (в синьо, по-горе) трябва да следва тъмната материя и да се отдели от рентгеновите лъчи. Тази прогноза се потвърди от наблюдения и се задържа през последните десет години, служейки като ефектно непряко доказателство за съществуването на тъмна материя.
Илюстрация: X-ray: NASA/ CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right).
MOND засега не побеждава тъмната материя - тя обяснява кривите на въртене на галактиките по-добре от тъмна материя и досега. Но тя все още не е физическа теория и тя е несъвместима с пълния набор от наблюдения, които имаме на разположение. И слушаме за тъмната материя, защото тя може да ни даде цялата Вселена, без противоречия. MOND може да се окаже ключ към по-пълна теория на гравитацията и има много, които се надяват някой ден да се извлече феноменологията на MOND от самата тъмна материя, наистина една много амбициозна цел!
Но за момента MOND не се справя с космологията, което не я прави за предпочитане в сравнение с тъмната материя. Тя има своите привърженици и заслужава да бъде разгледана и разработена, но тя все още не е жизнеспособна алтернатива. Но ако направите версия, която отговаря на тези три критерия:
- Възпроизвежда всички успехи на ОТО,
- Обяснява набор от нови, познати явления,
- и прави нови прогнози, които могат да бъдат тествани и проверени,
"и аз ще запея друга песен, както би направил всеки свестен учен" - обещава ексцентричният астрофизик Итън Сийгъл.
Итън Сийгъл (Ethan Siegel)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
15914
1
20.11 2016 в 14:25
Последни коментари