Τον Οκτώβριο, ο LIGO και ο ευρωπαίος ομόλογός του, ο VIRGO, είδαν τα κύματα βαρύτητας να εξαπλώνονται από μια συγκλονιστική σύγκρουση ανάμεσα σε δύο αστέρια νετρονίων. Αυτό το πρωτοφανές γεγονός έμοιαζε με ένα ακόμη θρίαμβο για ένα νέο είδος αστρονομίας, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τα κύματα βαρύτητας για να διερευνήσει μερικά από τα βαθύτερα μυστήρια του σύμπαντος. Όμως, σε όλο τον ενθουσιασμό, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν διαπίστωσαν ότι κάτι είχε πεθάνει: μια ολόκληρη ομάδα θεωριών που θέτουν ένα σύμπαν χωρίς σκοτεινή ύλη.
σχετικό περιεχόμενο
- Οι επιστήμονες εντοπίζουν τον σπινθήρα από την αρχική σύγκρουση των αστρικών ουδετέρων
- Τρεις επιστήμονες πίσω από την ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας απονεμήθηκαν βραβείο Νόμπελ στη Φυσική
- Οι επιστήμονες ανιχνεύουν το τέταρτο κύμα της βαρύτητας, προσφέροντας μια σύγκρουση αρχαίων μαύρων τρυπών
Αυτό είναι σωστό: μια λιγότερο γνωστή συνέπεια των ειδήσεων του LIGO είναι ότι μπορεί να είμαστε έτοιμοι να δούμε μια σημαντική αναδιαμόρφωση της συζήτησης για τη σκοτεινή ύλη - τα πράγματα που φαίνεται να προσελκύουν βαρυτικά το ορατό υλικό και το χώρο κάμψης, αλλά δεν μπορούν να τα δουν . Σύμφωνα με ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στον αρχικό διακομιστή ArXiv από τον Richard Woodard, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα, η πρόσφατη παρατήρηση ακυρώνει μια τάξη θεωριών που επεδίωξαν να εξηγήσουν τη συμπεριφορά της βαρύτητας σε κλίμακες γαλαξίας χωρίς σκοτεινή ύλη.
Ο Woodard σημειώνει ότι μερικές από αυτές τις θεωρίες, γνωστές ως τροποποιημένη βαρύτητα (MOG) ή τροποποιημένη νευτώνεια δυναμική (MOND), προβλέπουν ότι τα κύματα βαρύτητας και τα φωτεινά κύματα θα φτάσουν σε διαφορετικούς χρόνους. Ωστόσο, η LIGO πήρε τα κύματα βαρύτητας και το φως από δύο αστέρια νετρονίων που συγκρούονται μέσα σε περίπου 2 δευτερόλεπτα το ένα από το άλλο. Δεδομένου ότι η πηγή και των δύο ήταν 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αυτή είναι η διαφορά μόνο ενός μέρους σε περίπου 1, 5 τετρακλίους. Ουσιαστικά, έφτασαν ταυτόχρονα.
Τα είδη μοντέλων που ο Woodard μιλάει - που ονομάζει "εξομοιωτές σκοτεινής ύλης" - προσπαθούν να αντιγράψουν τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης, υποθέτοντας ότι η βαρύτητα συμπεριφέρεται διαφορετικά από ό, τι πιστεύουν οι περισσότεροι επιστήμονες. "Το χαρτί μας σίγουρα δεν αποκλείει όλα τα τροποποιημένα μοντέλα βαρύτητας που δεν περιέχουν σκοτεινή ύλη" διευκρίνισε ο Woodard. "Ισχύει μόνο για τη μεγάλη κατηγορία τους".
Ωστόσο, ενώ μπορεί να έχουν αντιμετωπίσει ένα χτύπημα, οι θεωρητικοί κατά της σκοτεινής ύλης δεν κατεβαίνουν χωρίς αγώνα.
...
Στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Albert Einstein, ο χώρος είναι κυρτός από τεράστια αντικείμενα. Μια δέσμη φωτονίων - γνωστή και ως φως - ταξιδεύει κατά μήκος της μικρότερης απόστασης μεταξύ δύο σημείων (που δεν είναι πάντα μια ευθεία γραμμή). Η γενική σχετικότητα λέει ότι τα βαρυτικά κύματα και το φως κινούνται στις ίδιες γραμμές ή μετρήσεις.
Αλλά ενώ η γενική σχετικότητα έχει δικαιωθεί αργά, δεν είναι η τελευταία λέξη. Ορισμένες εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας είχαν βαρυτικά κύματα κινούμενα σε διαφορετική διαδρομή, ή μετρικά, από το φως. Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα, μια θεωρία της τροποποιημένης βαρύτητας θα πρέπει να υποθέσει ότι τα μονοπάτια των βαρυτικών κυμάτων επηρεάζονται μόνο από την ορατή ύλη που βλέπουμε, ενώ το φως (φωτόνια) θα επηρεαστεί από την ορατή ύλη και οτιδήποτε αντίκειται σε φαινόμενα που μοιάζουν με σκοτεινή ύλη.
Σε αυτό το σενάριο, τα βαρυτικά κύματα και το φως θα έφταναν σε πολύ διαφορετικούς χρόνους. Αλλά από τη στιγμή που ο LIGO είδε και τους δύο να φτάνουν τόσο κοντά ο ένας στον άλλο, μοιάζει με ένα ισχυρό κομμάτι απόδειξη ότι η βαρύτητα λειτουργεί με τον τρόπο που η θεωρία του Αϊνστάιν λέει ότι κάνει - που με τη σειρά του θα ενισχύσει την υπόθεση για τη σκοτεινή ύλη.
Ωστόσο, πολύ πριν από το LIGO, ορισμένοι φυσικοί δεν ήταν ικανοποιημένοι από τη σκοτεινή ύλη και επινόησαν άλλες θεωρίες που επεδίωξαν να εξηγήσουν τι βλέπουν οι αστρονόμοι. Ένα σύνολο θεωριών είναι γνωστό ως Tensor-vector-scalar gravity (TeVeS), το οποίο προσθέτει ένα επιπλέον πεδίο στη βαρύτητα. Αναπτύχθηκε από τον Jacob Bekenstein το 2004, ήταν ήδη υπό κάποια πυρκαγιά επειδή φαινόταν να απαιτεί νετρίνα πιο μαζική από ό, τι εκτιμούσαν οι φυσικοί μέχρι σήμερα, και δεν παρήγαγε πάντα σταθερά αστέρια. Το Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) προσθέτει επίσης ένα άλλο πεδίο, αν και με διαφορετικό τρόπο από το TeVeS. Η θεωρία λέει ότι η βαρύτητα γίνεται ισχυρότερη καθώς μεγαλώνετε από το ηλιακό σύστημα στους γαλαξίες και έπειτα σε συστάδες γαλαξιών. Είναι αυτές οι δύο κατηγορίες θεωριών που ο Woodard λέει αποκλείονται από τα τελευταία δεδομένα.
Θα πίστευε κανείς ότι οι φυσικοί θα δέχονταν τελικά ότι η σκοτεινή ύλη είναι εκεί έξω, ανεξάρτητα από τη μορφή της. Σωστά? Λοιπόν, οι υποστηρικτές της τροποποιημένης βαρύτητας λένε ότι δεν έχουν ακόμη ολοκληρωθεί.
Ο John Moffat, ερευνητής στο Περιφερειακό Ινστιτούτο του Waterloo, Καναδάς, λέει ότι ο Woodard αποδίδει απλώς λάθος στη θεωρία του. "Δεν παρέχουν καμία εξήγηση για το γιατί το MOG μου είναι παραποιημένο", είπε σε ένα email. "Είναι αλήθεια ότι αυτές οι θεωρίες MOND εξαιρούνται από τα δεδομένα συγκέντρωσης των νετρονίων και επομένως φαίνεται ότι η MOG μου είναι η μοναδική σώρευση της θεωρίας της βαρύτητας που μπορεί να εξηγήσει τα στοιχεία των γαλαξιών, των συστάδων των γαλαξιών και της κοσμολογίας χωρίς ανιχνεύσιμη σκοτεινή ύλη στο παρόν σύμπαν . " Ο Moffat λέει ότι η θεωρία του στην πραγματικότητα προβλέπει ότι τα φως και τα κύματα βαρύτητας θα φτάσουν ταυτόχρονα.
"Ο καλύτερος τρόπος για να ερμηνεύσει αυτό το αποτέλεσμα δεν είναι να αποδείξει ότι η σκοτεινή ύλη είναι σωστή, αλλά μάλλον ως περιορισμός των τροποποιημένων θεωριών βαρύτητας που πρέπει να οικοδομηθούν εάν επιδιώξουν να το εγκαταλείψουν", δήλωσε ο Woodard.
Διαφορετικές διαδρομές
Στη δεκαετία του '70, ο αείμνηστος αστρονόμος Βέρα Ρούμπιν, τότε στο ίδρυμα Carnegie, διαπίστωσε ότι αυτή η ορατή ύλη δεν κινήθηκε πιο αργά καθώς βγαίνει από το γαλαξιακό κέντρο (ο τρόπος με τον οποίο οι πλανήτες κινούνται πιο αργά καθώς κάποιος απομακρύνεται από τον ήλιο). Σε ένα συγκεκριμένο σημείο όλα κινούνταν με την ίδια ταχύτητα. Είτε υπήρχε μεγάλη διάχυτη μάζα γύρω από τους γαλαξίες που δεν μπορούσαμε να δούμε, ούτε η βαρύτητα συμπεριφερόταν με τρόπους που δεν ήταν προφανείς.
Οι πρώτες εξηγήσεις για το αόρατο θέμα περιελάμβαναν: φυσικό αέριο, πλανήτες αδίστακτους, νετρίνα, ακόμη και μαύρες τρύπες. Τελικά όλα απορρίφθηκαν υπέρ της τρέχουσας αντίληψης της σκοτεινής ύλης, όπως φτιάχτηκε από κάτι που αλληλεπίδρασε μόνο μέσω της βαρύτητας.
Ακόμα λίγοι φυσικοί θεώρησαν ότι η ιδέα της σκοτεινής ύλης ήταν πολύ βολική, κάτι που εφευρέθηκε μόνο για να κάνουν τα μαθηματικά να δουλέψουν. Ίσως η βαρύτητα να δούλευε διαφορετικά σε διαφορετικές κλίμακες, και η γενική σχετικότητα απλώς δεν το αντιλήφθηκε, θεωρούσαν.
Ο Mordehai Milgrom, καθηγητής στο Weizmann Institute of Science στο Ισραήλ, ήταν ένας από τους πρώτους θεωρητικούς του MOND, έχοντας προτείνει την εκδοχή του στη δεκαετία του 1980. Στην καρδιά του, η θεωρία του προτείνει την αλλαγή της δυναμικής της βαρύτητας όταν οι επιταχύνσεις λόγω της βαρυτικής δύναμης φτάνουν κάτω από ένα ορισμένο όριο. Θεωρεί επίσης ότι η βαρύτητα και το φως ταξιδεύουν σε διαφορετικές μετρήσεις.
Συνολικά, αυτές οι θεωρίες παρουσίασαν, αν όχι σοβαρή απειλή, τουλάχιστον τις δηλώσεις των προβλημάτων με τη σκοτεινή ύλη - μέχρι τώρα. "
Dark Matter FTW
Η σκοτεινή ύλη δεν εξήγησε μόνο τις καμπύλες περιστροφής. Αντιπροσώπευε επίσης τις παρατηρήσεις του βαρυτικού φακού - την κάμψη του φωτός από τα τεράστια αντικείμενα. Όταν κοιτάμε σε μερικούς μακρινούς γαλαξίες, βλέπουμε αντικείμενα πίσω από αυτά σαν μέσα από ένα φακό, ανά γενική σχετικότητα. Το φως κάμπτεται από μια ποσότητα που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την ορατή μάζα. Αυτό ήταν άλλο ένα στοιχείο τεκμηρίωσης για τη σκοτεινή ύλη (ή κάτι σαν αυτό).
Η σκοτεινή ύλη μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο μοιάζει με τον τρόπο που κάνει: είναι ομοιόμορφο κατά μέσο όρο, αλλά σε μικρότερες κλίμακες είναι αδέξια, όπως θα περίμενε κανείς σε ένα σύμπαν σκοτεινής ύλης. "Ένα από τα πράγματα που ποτέ δεν μιλάει για εναλλακτικούς θεωρητικούς της σκοτεινής ύλης είναι ότι αν δεν έχεις σκοτεινή ύλη, δεν έχεις προσκρούσεις στο [κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο]", λέει ο Will Kinney, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο στο Μπάφαλο. "Κατά την άποψή μου, καμία από τις εναλλακτικές θεωρίες σκοτεινής ύλης δεν είχε καμία εξήγηση για τις προσκρούσεις στο φάσμα (κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο). Αυτό από μόνο μου λέει ότι αυτές οι θεωρίες δεν πρόκειται να λειτουργήσουν.
Ένα καλό παράδειγμα είναι το σύμπλεγμα Bullet, μια περιοχή του χώρου στην οποία συγκρούονται δύο συμπλέγματα γαλαξιών. Οι παρατηρήσεις του cluster δείχνουν εφέ φακών που δεν ευθυγραμμίζονται με την ορατή ύλη σε αυτό. Ωστόσο, αν υποθέσουμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι παρούσα, αλλά δεν έχει εγκατασταθεί ακόμη γύρω από το σύμπλεγμα, τότε ο φακός ταιριάζει με τη σκοτεινή ύλη θεωρία, Kinney είπε.
Η υπόθεση για το MOND
Παρόλα αυτά, οι αρχιτέκτονες της τροποποιημένης βαρύτητας αντιμετωπίζουν τα προβλήματα που έχει η σκοτεινή ύλη. Το ένα είναι μια ανωμαλία γύρω από το Σύμπλεγμα Bullet - το ίδιο που οι περισσότεροι θα υποστήριζαν τη θεωρία της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με κάποιες παρατηρήσεις, το Bullet Cluster επιταχύνεται πολύ γρήγορα. ακόμη και αν υποθέσουμε ότι η σκοτεινή ύλη οι ταχύτητες είναι "λάθος". Επίσης, η σκοτεινή ύλη προβλέπει την ταχύτητα περιστροφής ορισμένων γαλαξιών λιγότερο καλά από την τροποποιημένη βαρύτητα.
Επιπλέον, ορισμένοι γαλαξίες που φαίνεται να έχουν λιγότερη ορατή ύλη εξακολουθούν να φαίνονται πιο μαζικοί. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε πολλή σκοτεινή ύλη, αλλά δεν υπάρχει κανένας ιδιαίτερος λόγος που θα έπρεπε να συμβαίνει. Οι θεωρίες MOND βελτιώνουν την επίδοση αυτή. "Το MOND έχει περισσότερη προγνωστική δύναμη.Μπορεί κανείς να το χρησιμοποιήσει για να προβλέψει την κινηματική των γαλαξιών που φαινομενικά σκοτεινής ύλης κυριαρχούν.Δεν μπορείτε να κάνετε την ίδια πρόβλεψη με τη σκοτεινή ύλη.Όλα που μπορείτε να πείτε είναι" Σίγουρα ότι ο γαλαξίας χαμηλής επιφάνειας φωτεινότητας έχει πολύ σκοτεινό "είπε ο Stacy McGaugh, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve, ο οποίος έχει εργαστεί σε τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας." Αυτό βασίζεται σε προηγούμενη εμπειρία, όχι θεωρία, για την οποία δεν υπάρχει συμφωνία.
Ένα άλλο ζήτημα είναι η κατανομή του εν λόγω θέματος. Ο Milgrom σημειώνει ότι σχεδόν σε όλους τους γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί μέχρι στιγμής, οι καμπύλες περιστροφής έχουν το ίδιο σχήμα μέχρι το σημείο όπου η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα προς το κέντρο είναι περίπου ένα δέκα δισεκατομμύριο ενός μέτρου ανά δευτερόλεπτο τετράγωνο (περίπου το ίδιο βαρυτική δύναμη που αισθάνθηκε κάποιος σε απόσταση δύο μέτρων από βάρος 10 κιλών).
Εάν υπάρχει σκοτεινή ύλη, δεν θα περίμενε κανείς να διανέμεται πάντα έτσι. Θα ήταν σαν να πηγαίναμε σε όλες τις χώρες της Γης και να διαπιστώσουμε ότι η κατανομή του εισοδήματος ήταν ακριβώς η ίδια, παρά τις πολύ διαφορετικές ιστορίες που έχει κάθε χώρα.
"Στο πρότυπο της [σκοτεινής ύλης], η σημερινή δυναμική είναι αποτέλεσμα της περίπλοκης, κατακλυσμικής και άγνωστης ιστορίας του μελετημένου μεμονωμένου γαλαξία: πόσα συγχωνεύσεις υπέστη και πόσο βίαια ήταν, κατά την εκτόξευση βαρυονίων από ο γαλαξίας οφείλεται σε διάφορες κακώς κατανοητές διαδικασίες, κλπ. ", λέει. Οι θεωρίες MOND, πρόσθεσε, κάνουν μια καλύτερη δουλειά στην πρόβλεψη της κίνησης των γαλαξιών.
Ακόμη και η Milgrom αναγνωρίζει ότι υπάρχουν ορισμένοι τομείς που οι θεωρίες MOND δεν προβλέπουν επίσης, ακόμα και στις σχετικές εκδοχές MOG τους - για παράδειγμα, δεν αναπαράγουν το παρατηρούμενο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. «Χρειαζόμαστε μια επέκταση της MOND που θα συμβάλλει στην κοσμολογία. Αυτό είναι κάτι στο οποίο εργαζόμαστε».
Η Sabine Hossenfelder, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών της Φρανκφούρτης στη Γερμανία, συμφωνεί ότι η παρατήρηση του Woodard θα καθιστούσε κάποια είδη MOND ή MOG ξεπερασμένη, αλλά επίσης δεν είναι πεπεισμένη ότι η σκοτεινή ύλη είναι η απάντηση. "Είναι σχεδόν βέβαιο ότι η παρατήρηση αποκλείει τις θεωρίες με τις υποθέσεις που απαριθμούνται στο έγγραφο, αλλά δεν είναι σαφές ποιες, αν υπάρχουν, τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας πραγματικά εκπληρώνουν τις υποθέσεις", ανέφερε. Στο blog της σημείωσε έργα σκοτεινής ύλης σε όλες τις κλίμακες, ενώ η τροποποιημένη βαρύτητα δεν λειτουργεί τόσο καλά για την κοσμολογία.
Ο Ethan Siegel, ένας αστροφυσικός και συγγραφέας, είπε ότι οι πιθανότητες είναι ότι πολλά τροποποιημένα πεδία βαρύτητας ακυρώνονται από τις παρατηρήσεις του LIGO. Όπως ο Hossenfelder, πιστεύει ότι το πρόβλημα για το MOND είναι οι κλίμακες που περιγράφει. "Το Moffat έχει δίκιο: το MOND κάνει καλύτερα από τη σκοτεινή ύλη σε γαλαξιακές κλίμακες." Αν δει κανείς τους μεμονωμένους γαλαξίες και τις δυναμικές ιδιότητές τους, το MOND έχει το πλεονέκτημα ότι το MOND αποτυγχάνει σε όλες τις κλίμακες εκτός από αυτό. Ορισμένες από τις θεωρίες του Milgrom θα μπορούσαν να επιβιώσουν - αν ο ισχυρισμός του Milgrom ότι η βαρύτητα υπακούει διαφορετικούς κανόνες από το θέμα στο σύμπαν είναι αλήθεια, για παράδειγμα. "Αυτή είναι μια θεωρία που μπορεί ακόμα να επιβιώσει από αυτά τα αποτελέσματα βαρυτικών κυμάτων".
Και παρά το έργο του για εναλλακτικές λύσεις στη βαρύτητα, ο McGaugh είπε ότι υπάρχουν πράγματα που μόνο η σκοτεινή ύλη μπορεί να έχει νόημα. "Δεν βλέπω πώς να εξηγήσω το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο ή τα συσσωματώματα γαλαξιών (όλα τα πλούσια συστάδες, όχι μόνο το σμήνος των σφαίρων) χωρίς αυτό", λέει. "Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να συμβεί, αλλά επί του παρόντος Δεν βλέπω άλλη βιώσιμη εξήγηση. " Ταυτόχρονα, δεν έχει ακόμη δεσμευτεί σε καμία πλευρά. «Δεν είναι ούτε πειστικές», λέει.
Με άλλα λόγια, περιμένετε να συνεχίσει η συζήτηση για το προβλέψιμο μέλλον - με τη σύγκρουση των δύο αστέρων των νετρονίων.
