În octombrie, LIGO și omologul său european, VIRGO, au fost martorii unor valuri gravitaționale care se extrag dintr-o coliziune uluitoare între două stele cu neutroni. Acest eveniment fără precedent a arătat încă un triumf pentru un nou tip de astronomie, unul care ar putea folosi undele gravitaționale pentru a sonda unele dintre cele mai profunde mistere ale universului. Dar, cu toată entuziasmul, majoritatea oamenilor nu au observat că ceva a murit: un întreg grup de teorii care pun la punct un univers fără materie întunecată.
Continut Asemanator
- Oamenii de știință observă scânteia din coliziunea antică a stelelor neutronice
- Trei oameni de știință din spatele detecției valurilor gravitaționale au primit premiul Nobel pentru fizică
- Oamenii de știință detectează cel de-al patrulea val gravitațional, care intră într-o coliziune antică a găurilor negre
Așa este: o consecință mai puțin cunoscută a știrilor LIGO este că s-ar putea să vedem o redimensionare semnificativă a dezbaterii asupra materiei întunecate - lucrurile care par a atrage gravitațional materialul vizibil și spațiul de îndoire, dar nu pot fi văzute . Potrivit unui document publicat pe serverul de preimprimare ArXiv de către Richard Woodard, profesor de fizică la Universitatea din Florida, observația recentă anulează o clasă de teorii care urmăreau să explice comportamentul gravitației pe scări de dimensiuni galaxice fără materie întunecată.
Woodard observă că unele dintre aceste teorii, cunoscute sub numele de gravitație modificată (MOG) sau dinamica newtoniană modificată (MOND), prezic că undele gravitaționale și undele de lumină ar ajunge la momente diferite. Cu toate acestea, LIGO a ridicat undele gravitaționale și lumina de la două stele de neutron care se ciocnesc în aproximativ 2 secunde una de cealaltă. Întrucât sursa ambelor a fost de 130 de milioane de ani lumină distanță, aceasta este o diferență de doar 1 parte în aproximativ 1, 5 sfert de miliarde. În esență, au ajuns în același timp.
Tipurile de modele despre care vorbește Woodard - despre care el numește „emulatori de materie întunecată” - încearcă să dubleze efectele materiei întunecate, presupunând că gravitația se comportă diferit decât cred majoritatea oamenilor de știință. "Hârtia noastră nu exclude cu siguranță toate modelele de gravitație modificate care nu se supun materiei întunecate", a clarificat Woodard. „Se aplică doar clasei mari dintre ei”.
Cu toate acestea, în timp ce s-ar fi putut confrunta cu o lovitură, teoreticienii anti-întuneric nu se vor lăsa fără o luptă.
...
În teoria lui Albert Einstein despre relativitatea generală, spațiul este curbat de obiecte masive. Un fascicul de fotoni - altfel cunoscut și sub denumirea de lumină - circulă pe cea mai scurtă distanță între două puncte (care nu este întotdeauna o linie dreaptă). Relativitatea generală spune că undele gravitaționale și lumina se mișcă pe aceleași linii sau valori.
Dar, deși relativitatea generală a fost revendicat de la sfârșit, acesta nu este ultimul cuvânt. Unele teorii alternative ale gravitației au avut unde gravitaționale care se deplasează pe o cale diferită, sau metrică, de la lumină. Pentru a obține acest efect, o teorie gravitațională modificată ar trebui să propună că traseele undelor gravitaționale sunt afectate doar de materia vizibilă pe care o vedem, în timp ce lumina (fotonii) ar fi afectată de materia vizibilă și de orice efect duplicat care arată ca materia întunecată.
În acel scenariu, undele gravitaționale și lumina ar ajunge la momente diferite. Dar, de vreme ce LIGO a văzut că ambii ajung atât de aproape unul de celălalt, se pare ca o dovadă puternică potrivit căreia gravitația funcționează așa cum spune teoria lui Einstein, ceea ce la rândul său ar consolida cazul materiei întunecate.
Cu toate acestea, cu mult înainte de LIGO, unii fizicieni erau nemulțumiți de materia întunecată și au conceput alte teorii care căutau să explice ce văd astronomii. Un set de teorii este cunoscut sub numele de gravitate vector-scalară (TeVeS), care adaugă un câmp suplimentar gravitației. Dezvoltat de Jacob Bekenstein în 2004, era deja sub un anumit foc, deoarece părea să necesite neutrinuri mai masivi decât ceea ce fizicienii au estimat până acum și nu a produs întotdeauna stele stabile. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) adaugă, de asemenea, un alt câmp, deși într-un mod diferit de TeVeS. Teoria spune că gravitația devine mai puternică pe măsură ce te extinzi de la sistemul solar la galaxii și apoi la grupurile de galaxii. Woodard spune că sunt cele două clase de teorii care sunt excluse de cele mai recente date.
Ai crede că fizicienii ar accepta în sfârșit că materia întunecată este acolo, sub orice formă ar fi. Dreapta? Ei bine, susținătorii gravitației modificate spun că nu s-au terminat încă.
John Moffat, un cercetător la Perimetru Institute din Waterloo, Canada, spune că Woodard pur și simplu a mischeratizat teoria sa. "Nu oferă nicio explicație despre motivul pentru care MOG-ul meu este falsificat", a spus el într-un e-mail. "Este adevărat că aceste teorii MOND sunt excluse de datele de fuziune a stelelor neutronice. Prin urmare, se pare că MOG-ul meu este singura teorie a gravitației supraviețuitoare care poate explica datele despre galaxie, grupuri de galaxii și cosmologie fără materie întunecabilă detectabilă în universul actual. .“ Moffat spune că teoria sa prevede, de fapt, că undele luminoase și gravitaționale ar ajunge în același timp.
„Cel mai bun mod de a interpreta acest rezultat nu este atât de doveditor că materia întunecată este corectă, ci de a constrânge modul în care teoriile gravitației modificate trebuie construite dacă încearcă să se descarce cu acesta”, a spus Woodard.
Diferite căi
În anii '70, regretatul astronom Vera Rubin, apoi la Instituția Carnegie, a descoperit că această materie vizibilă nu se mișcă mai încet, odată cu ieșirea din centrul galactic (modul în care planetele se mișcă mai încet odată cu îndepărtarea de soare). La un moment dat, toate se mișcau cu aceeași viteză. Fie că existau o mulțime de masă difuză în jurul galaxiilor pe care nu le puteam vedea, sau gravitația s-a comportat în moduri în care nu mai eram evidente până acum.
Explicații timpurii pentru materia nevăzută au inclus: gaz, planete necinstite, neutrino și chiar găuri negre. În cele din urmă, toate au fost aruncate în favoarea concepției actuale a materiei întunecate, făcute dintr-un lucru care a interacționat doar prin gravitație.
Cu toate acestea, câțiva fizicieni au considerat că ideea materiei întunecate este prea convenabilă, ceva inventat doar pentru a face ca matematica să funcționeze. Poate că gravitația a funcționat diferit la diferite scări, iar relativitatea generală pur și simplu nu a ținut cont de asta, au teoretizat.
Mordehai Milgrom, profesor emerit la Institutul de Știință din Weizmann din Israel, a fost unul dintre teoreticienii MOND, care și-a propus versiunea în anii '80. În centrul său, teoria lui propune că dinamica gravitațională se schimbă atunci când accelerațiile datorate forței gravitaționale ajung sub o anumită limită. De asemenea, el afirmă că gravitația și călătoria ușoară pe diferite valori.
Luate împreună, aceste teorii au prezentat, dacă nu chiar o amenințare serioasă, cel puțin intimizarea problemelor cu materia întunecată - până acum. "
Dark Matter FTW
Materia întunecată nu explica doar curbele de rotație. De asemenea, a fost prezentată observația lentilelor gravitaționale - îndoirea luminii de către obiecte masive. Când privim unele galaxii îndepărtate, vedem obiecte în spatele lor ca prin intermediul unei lentile, per relativitate generală. Lumina este îndoită de o cantitate care nu poate fi explicată de masa vizibilă. Aceasta a fost o altă dovadă pentru materia întunecată (sau ceva asemănător).
Materia întunecată poate explica, de asemenea, de ce fundalul cosmic cu microunde arată așa cum o face: este uniformă în medie, dar la scări mai mici, este neplăcut, așa cum se așteaptă într-un univers cu materie întunecată. "Unul dintre lucrurile despre care teoreticienii materiei întunecate nu vorbesc niciodată, este că, dacă nu aveți materie întunecată, nu primiți denivelări în [fundalul microundelor cosmice]", spune Will Kinney, profesor de fizică la Universitatea din Buffalo. "Din câte am știut, niciuna dintre teoriile alternative ale materiei întunecate nu a avut vreodată explicații pentru denivelări în spectrul (fundal cosmic cu microunde). Asta în sine îmi spune că aceste teorii nu vor funcționa."
Un bun exemplu este clusterul Bullet, o regiune a spațiului în care se ciocnesc două grupuri de galaxii. Observațiile clusterului prezintă efecte de lentilare care nu se potrivesc cu materia vizibilă din ea. Cu toate acestea, dacă se presupune că materia întunecată este prezentă, dar încă nu s-a așezat în jurul grupului, atunci obiectivarea se potrivește teoriei materiei întunecate, a spus Kinney.
Cazul pentru MOND
Chiar și așa, arhitecții gravitației modificate contrazic problemele pe care le are materia întunecată. Una este o anomalie în jurul grupului Bullet - aceeași care ar spune cei mai mulți susține teoria materiei întunecate. Conform unor observații, Bullet Cluster se accelerează prea repede; chiar presupunând că materia întunecată viteza este „greșită”. De asemenea, materia întunecată prezice viteza de rotație a unor galaxii mai puțin bine decât gravitația modificată.
În plus, unele galaxii care par să aibă o materie mai puțin vizibilă apar în continuare mai masive. Acest lucru s-ar putea datora multor materii întunecate, dar nu există un motiv anume care să fie cazul. Teoriile MOND se descurcă mai bine cu acest scor. "MOND are mai multă putere predictivă. Se poate folosi pentru a prezice cinemica galaxiilor dominate de materia aparent întunecată. Nu puteți face aceeași predicție cu materia întunecată. Tot ce puteți spune este„ Pariez că galaxia cu luminozitate redusă a suprafeței are multă întuneric. contează! ", a declarat Stacy McGaugh, astrofizician la Universitatea Case Western Reserve, care a lucrat la teoriile gravitației modificate.„ Acest lucru se bazează pe experiența anterioară, nu pe teorie, pentru care nu există nicio predicție convenită. "
O altă problemă este distribuirea materiei menționate. Milgrom observă că în aproape toate galaxiile observate până în prezent, curbele de rotație sunt de aceeași formă până la punctul în care accelerația datorată gravitației spre centru este de aproximativ o zece miliarde de metri pe secundă pătrat (aproximativ aceeași forța gravitațională resimțită de cineva la doi metri distanță de o greutate de 10 kilograme).
Dacă materia întunecată există, nu ne-am aștepta să fie distribuită întotdeauna doar așa. Ar fi ca și cum ai merge în toate țările de pe Pământ și ai afla că distribuția veniturilor era exact aceeași, în ciuda istoriilor foarte diferite pe care le are fiecare țară.
„În paradigma [materiei întunecate], dinamica actuală este un rezultat al istoriei complicate, cataclismice și de necunoscut a galaxiei individuale studiate: despre câte fuziuni a suferit și cât de violente au fost acestea, pe expulzarea barionilor din galaxia datorată diverselor procese slab înțelese etc. ", spune el. Teoriile MOND, a adăugat el, fac o treabă mai bună la prezicerea mișcării galaxiei în această privință.
Chiar și Milgrom, recunoaște că există anumite domenii pe care teoriile MOND nu le prezic la fel de bine, chiar și în versiunile lor relativiste MOG - care nu reproduc fundalul microundelor cosmice observate, de exemplu. "Avem nevoie de o extensie a MOND-ului care să țină cont de cosmologie. La acest lucru lucrăm."
Sabine Hossenfelder, o colegă de cercetare de la Institutul de Studii Avansate din Germania, este de acord că observația lui Woodard ar face ca unele tipuri de MOND sau MOG să fie învechite, dar, de asemenea, nu este convinsă că materia întunecată este răspunsul. „Este aproape sigur că observația exclude teoriile cu ipotezele pe care le enumeră în lucrare. Dar nu este clar care, dacă există, teoriile gravitației modificate îndeplinesc de fapt presupunerile”, a spus ea. Pe blogul ei a observat că lucrurile de materie întunecată sunt pe toate scările, în timp ce gravitația modificată nu funcționează la fel de bine pentru cosmologie.
Ethan Siegel, un astrofizic și autor, a spus că șansele sunt că o mulțime de câmpuri gravitaționale sunt anulate de observațiile LIGO. La fel ca Hossenfelder, consideră că problema pentru MOND este cântarul pe care îl descrie. "Moffat are dreptate: MOND face mai bine decât materia întunecată pe scări galactice. Dacă te uiți la galaxiile individuale și la proprietățile lor dinamice, MOND are avantajul. Totuși, MOND nu reușește pe toate scalele, în afară de asta." Unele dintre teoriile lui Milgrom, a spus el, ar putea supraviețui - dacă afirmația lui Milgrom că gravitația respectă reguli diferite decât materia din univers este adevărată, de exemplu. „Aceasta este o teorie care poate supraviețui acestor rezultate ale undelor gravitaționale.”
Și în ciuda lucrărilor sale asupra alternativelor la gravitație, McGaugh a spus că există lucruri pe care doar materia întunecată le poate da sens. "Nu văd cum să explic fundalul cosmic cu microunde sau grupuri de galaxii (toate clusterele bogate, nu doar clusterul cu gloanțe) fără el", spune el. "Asta nu înseamnă că nu se poate întâmpla, dar în prezent Nu văd nicio altă explicație viabilă. " În același timp, el nu este încă angajat de ambele părți. „Niciunul nu este convingător”, spune el.
Cu alte cuvinte, așteptați-vă că dezbaterea va rămâne înfiorătoare pentru viitorul previzibil - cu forța a două stele neutronice care se ciocnesc.
