В продължение на много години астрономи и физици са в конфликт. Дали мистериозната тъмна материя, която наблюдаваме дълбоко във Вселената, е реална или това, което виждаме, е резултат от фини отклонения от законите на гравитацията, такива, каквито ги познаваме?
През 2016 г. холандският физик Ерик Верлинде (Erik Verlinde) предлага теория от втория вид: възникваща гравитация (emergent gravity).
Ново изследване, публикувано в Astronomy & Astrophysics, разширява границите на наблюденията на тъмната материя до непознатите външни области на галактиките така преоценява няколко модела на тъмната материя и алтернативни теории за гравитацията.
Измерванията на гравитацията на 259 000 изолирани галактики показват много тясна връзка между приноса на тъмната материя и на обикновената материя, както се предвижда в теорията на Верлинде за възникващата гравитация и алтернативен модел, наречен Модифицирана Нютонова динамика (MOdified Newtonian Dynamics или MOND). Резултатите обаче изглежда също се съгласуват и с компютърна симулация на Вселената, която приема, че тъмната материя е „истинска“.
Новото изследване е извършено от международен екип от астрономи, воден от Марго Брауър (Margot Brouwer). През 2016 г. Брауър извършва първия тест на идеите на Верлинде като този път самият Верлинде се присъединява към изследователския екип.
MoND се опитва да оспори фундаментално предположение, вградено както в теориите за гравитацията на Нютон, така и в Айнщайн - където гравитационната сила (или кривината на пространството-времето), упражнена от масивен обект, намалява с квадрата на разстоянието от него. И двете теории предполагат, че тази връзка е универсална - няма значение каква е масата или какво е разстоянието, тази връзка остава постоянна.
При кръгово движение MoND предлага модификация на Втория закон за движение на Нютон - където силата се равнява на масата по ускорението ( F = m.a) - макар че в този контекст а всъщност представлява гравитационната сила (която се изразява като ускорение).
Ако a изразява гравитационна сила, тогава F изразява принципа на тежестта. Така например, можете лесно да упражните достатъчна сила, за да повдигнете тухла от повърхността на Земята, но е малко вероятно да успеете да вдигнете тухла със същата маса от повърхността на неутронна звезда.
Както и да е, идеята на MoND е, че позволявайки на F = m.a да има нелинейна връзка при ниски стойности на a, една много слаба гравитационна сила, действаща на голямо разстояние, все пак може да задържи нещо в хлабава орбита около галактика, въпреки принципа на линейна F = ma връзка, предсказваща, че това не трябва да се случва.
Ляво изображение: Необичайната плоска крива (B) на скоростите на обектите в дисковите галактики спрямо това, което би могло да се очаква от прилагането на Третия закон на Кеплер (A). Дясно изображение: Разпръснат график от избрани двойни системи от каталога на SLoWPoKE (синьо), начертан срещу тенденцията, очаквана от Третия закон на Кеплер (червено). Кредит: Hernandez et al. (Третият закон на планетарното движение на Кеплер отговаря на контекста на Слънчевата система, където 99% от масата се съдържа в Слънцето. Приложимостта му към движението на звездите в галактически диск, с много по-равномерно разпределение на масата, е несигурно)
MoND е извън научната парадигма, необикновено твърдение, изискващо необикновени доказателства, тъй като ако теориите за гравитацията на Нютон или Айнщайн не могат да се приемат за универсални, цял куп други физически, астрофизични и космологични принципи започват да се разплитат.
Материя или гравитация?
Досега тъмната материя никога не е била наблюдавана директно - оттук идва и името й. Това, което астрономите наблюдават в нощното небе, са последиците от материята, която е потенциално налична - огъване на звездна светлина, звезди, които се движат по-бързо от очакваното, и дори ефекти върху движението на цели галактики. Без съмнение всички тези ефекти са причинени от гравитацията, но въпросът е: дали наистина наблюдаваме допълнителна гравитация, причинена от невидима материя, или все още не сме разбрали напълно самите закони на гравитацията?
За да отговори на този въпрос, новото изследване използва метод, подобен на този, използван в оригиналния тест през 2016 г. Брауър и нейните колеги използват текуща поредица от фотографски измервания, започнали преди десет години: Проучването KiloDegree (KiDS), проведено с помощта на телескопа VLT на ESO в Чили. В тези наблюдения човек измерва как звездната светлина от далечни галактики се огъва от гравитацията по пътя си към нашите телескопи.
Докато през 2016 г. измерванията на такива „ефекти на линдзиране“ са обхващали площ само от около 180 квадратни градуса на нощното небе, сега това е разширено до около 1000 квадратни градуса - което позволява на изследователите да измерват разпределението на гравитацията в милион различни галактики.
Сравнително тестване
Брауър и нейните колеги избират над 259 000 изолирани галактики, за които успяват да измерят така наречената „връзка с радиалното ускорение“ (RAR). Този RAR сравнява количеството гравитация, което се очаква въз основа на видимата материя в галактиката, с количеството гравитация, което всъщност е налице - с други думи: резултатът показва колко "допълнителна" гравитация има към тази, дължаща се на нормалната материя.
Досега количеството на допълнителната гравитация бе определяно само във външните райони на галактиките чрез наблюдение на движенията на звездите и в регион около пет пъти по-голям чрез измерване на скоростта на въртене на студения газ. Използвайки ефекти на гравитационната леща, изследователите вече могат да определят RAR при гравитационни сили, които са сто пъти по-малки, което им позволява да проникнат много по-дълбоко в регионите далеч извън отделните галактики.
Това прави възможно измерването на допълнителната гравитация изключително прецизно - но дали тази гравитация е резултат от невидима тъмна материя или трябва да подобрим нашето разбиране за самата гравитация?
Авторът Кайл Оман (Kyle Oman) посочва, че предположението за „нещо реално“ изглежда поне частично работи:
„В нашето изследване сравняваме измерванията с четири различни теоретични модела: два, които предполагат съществуването на тъмна материя и формират основата на компютърни симулации нашата Вселена и две, които модифицират законите на гравитацията - моделът на възникващата гравитация на Ерик Верлинде и така наречената „Модифицирана нютонова динамика“ или MOND.
„Една от двете симулации на тъмна материя, MICE, прави прогнози, които съвпадат много добре с нашите измервания. За нас беше изненада, че другата симулация, BAHAMAS, доведе до съвсем различни прогнози. Това, че прогнозите за двата модела изобщо се различаваха, вече беше изненадващо, тъй като моделите са толкова сходни. Но освен това бихме очаквали, че ако се появи разлика, BAHAMAS ще се представи най-добре. BAHAMAS е много по-подробен модел от MICE, доближаващ се до сегашното ни разбиране за това как галактиките се образуват във вселена с тъмна материя много по-близо. И все пак MICE се представя по-добре, ако сравним прогнозите му с нашите измервания. В бъдеще, въз основа на нашите констатации, искаме да проучим допълнително какво причинява разликите между симулациите".
Млади и стари галактики
По този начин изглежда, че поне един модел на тъмната материя изглежда работи. Обаче алтернативните модели на гравитацията опровергават измерената RAR. Изглежда задънена улица - как тогава да разберем кой модел е правилен?
Марго Брауър (Margot Brouwer), която ръководи изследователския екип, продължава:
„Въз основа на нашите тестове първоначалното ни заключение беше, че двата алтернативни гравитационни модела и MICE съвпадат с наблюденията сравнително добре.
„Най-вълнуващата част обаче тепърва предстои: тъй като имахме достъп до над 259 000 галактики, можехме да ги разделим на няколко типа - относително млади, сини спирални галактики спрямо сравнително стари, червени елиптични галактики".
Тези два типа галактики възникват по много различни начини: червените елиптични галактики се образуват, когато различни галактики си взаимодействат, например когато две сини спирални галактики преминават близо една до друга или дори се сблъскват. В резултат на това в теорията на частиците на тъмната материя се очаква, че съотношението между нормалната и тъмната материя в различните видове галактики може да варира. Модели като теорията на Верлинде и MOND, от друга страна, не използват частици от тъмна материя и следователно предсказват фиксирано съотношение между очакваната и измерена гравитация в двата типа галактики - тоест независимо от техния тип.
„Открихме, че RAR за двата типа галактики се различават значително. Това би било силен намек за съществуването на тъмна материя във вид на частици", заявява Брауър.
Графика, показваща връзката на радиалното ускорение (RAR). Фонът е изображение на елиптичната галактика M87, показващо разстоянието до центъра на галактиката. Графиката показва как измерванията варират от високо гравитационно ускорение в центъра на галактиката до ниско гравитационно ускорение в далечните външни региони. Кредит: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO) (кликнете върху изображението, за да го увеличите)
Има обаче предупреждение: газовете. Много галактики вероятно са заобиколени от дифузен облак горещ газ, който е много трудно да се наблюдава.
Ако беше така, че почти да няма газ около младите сини спирални галактики, но старите червени елиптични галактики да са в голям облак газ - с приблизително същата маса като самите звезди - тогава това би могло да обясни разликата в RAR между двата типа.
За да се стигне до окончателна преценка за измерената разлика, следователно ще трябва да се измерват и количествата дифузен газ - и точно това е невъзможно с помощта на телескопите KiDS. Други измервания са направени за малка група от около сто галактики и тези измервания наистина са открили повече газ около елиптичните галактики, но все още не е ясно колко представителни са тези измервания за 259 000 галактики, които са били изследвани в настоящото изследване.
Победи ли тъмната материя?
Ако се окаже, че допълнителният газ не може да обясни разликата между двата типа галактики, тогава резултатите от измерванията са по-лесни за разбиране от гледна точка на частиците тъмна материя, отколкото по отношение на алтернативните модели на гравитацията. Но дори и тогава въпросът все още не е уреден. Докато измерените разлики са трудни за обяснение с помощта на MOND, Ерик Верлинде все пак вижда изход за собствения си модел.
„Моят настоящ модел се прилага само за статични, изолирани, сферични галактики, така че не може да се очаква да се разграничават различните видове галактики. Разглеждам тези резултати като предизвикателство и вдъхновение за разработване на асиметрична, динамична версия на моята теория, в която галактиките с различна форма и история могат да имат различно количество „очевидна тъмна материя“, обявява Верлинде.
Следователно, дори след новите измервания, спорът между тъмната материя и алтернативните теории за гравитацията все още не е разрешен. И все пак новите резултати са голяма стъпка напред: ако измерената разлика в гравитацията между двата типа галактики е вярна, тогава крайният модел, който и да е, ще трябва да бъде достатъчно точен, за да обясни тази разлика. Това по-специално означава, че много съществуващи модели могат да бъдат отхвърлени, което значително прецизира полето на възможните обяснения. На всичкото отгоре новото изследване показва, че са необходими систематични измервания на горещия газ около галактиките.
„Като наблюдателни астрономи сме достигнали точката, в която сме в състояние да измерим допълнителната гравитация около галактиките по-точно, отколкото можем да измерим количеството видима материя. Контраинтуитивното заключение е, че първо трябва да измерим присъствието на обикновена материя под формата на горещ газ около галактиките, преди бъдещите телескопи като "Евклид" най-накрая да разрешат загадката на тъмната материя", заключава съавторът на изследването Едуин Валентийн (Edwin Valentijn).
Справка: “The weak lensing radial acceleration relation: Constraining modified gravity and cold dark matter theories with KiDS-1000” by Margot M. Brouwer, Kyle A. Oman, Edwin A. Valentijn, Maciej Bilicki, Catherine Heymans, Henk Hoekstra, Nicola R. Napolitano, Nivya Roy, Crescenzo Tortora, Angus H. Wright, Marika Asgari, Jan Luca van den Busch, Andrej Dvornik, Thomas Erben, Benjamin Giblin, Alister W. Graham, Hendrik Hildebrandt, Andrew M. Hopkins, Arun Kannawadi, Konrad Kuijken, Jochen Liske, HuanYuan Shan, Tilman Tröster, Erik Verlinde and Manus Visser, 22 June 2021, Astronomy & Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202040108
Източници:
Dark Matter: Is It “Real Stuff” or Gravity Misunderstood?, Universiteit van Amsterdam, University of Groningen
Astronomy Without A Telescope – SLoWPoKES, Universe Today
Още по темата
Космос
Алтернатива на тъмната материя премина критичен тест
Космос
Вселена, в която не важат законите на Нютон, е изненадващо близко до реалността
Космос
Тъмната материя съществува: Наблюденията опровергават алтернативните обяснения
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари