I oktober var LIGO og dets europæiske kollega, VIRGO, vidne til tyngdekraftsbølger, der rippede ud fra en betagende kollision mellem to neutronstjerner. Denne hidtil uset begivenhed lignede endnu en triumf for en ny slags astronomi, en der kunne bruge tyngdekraften til at undersøge nogle af universets dybeste mysterier. Men i al spænding bemærkede de fleste ikke, at noget var døde: en hel gruppe teorier, der posiverer et univers uden mørk materie.
Relateret indhold
- Forskere ser gnisten fra den antikke kollision af neutronstjerner
- Tre forskere bag påvisningen af tyngdekraftsbølger tildelt nobelpris i fysik
- Videnskabsfolk opdager fjerde tyngdepunktbølge, der huser i en antik sort hulkollision
Det er rigtigt: en mindre kendt konsekvens af LIGO-nyheden er, at vi muligvis er ved at se en betydelig omformning af debatten om mørk materie - det, der ser ud til at tiltrækker det synlige materiale og bøje rum, men ikke kan ses . Ifølge et papir, der blev sendt til ArXiv-fortryksserveren af Richard Woodard, en professor i fysik ved University of Florida, annullerer den nylige observation en klasse af teorier, der forsøgte at forklare tyngdekraftenes opførsel på galakstørrelse skalaer uden mørkt stof.
Woodard bemærker, at nogle af disse teorier, kendt som modificeret tyngdekraft (MOG) eller ændret Newtonsk dynamik (MOND), forudsiger, at gravitationsbølger og lysbølger ville ankomme til forskellige tidspunkter. Alligevel hentede LIGO tyngdekraftsbølgerne og lyset fra to kolliderende neutronstjerner inden for ca. 2 sekunder fra hinanden. Da kilden til begge var 130 millioner lysår væk, er det en forskel på kun 1 del i ca. 1, 5 kvadrillion. Grundlæggende ankom de på samme tid.
Hvilke modeller Woodard taler om - som han kalder "mørke stofemulatorer" - forsøger at duplikere virkningerne af mørkt stof ved at antage, at tyngdekraften opfører sig anderledes end de fleste forskere mener. "Vores papir udelukker bestemt ikke alle modificerede tyngdekraftsmodeller, der undgår mørkt stof, " præciserede Woodard. "Det gælder kun for den store klasse af dem."
Selvom de måske har været udsat for et slag, falder teoretikere mod mørke stoffer ikke uden kamp.
...
I Albert Einsteins teori om generel relativitet er rummet buet af massive genstande. En lysstråle - også kendt som lys - bevæger sig i den korteste afstand mellem to punkter (som ikke altid er en lige linje). Generel relativitet siger, at gravitationsbølger og lys bevæger sig på de samme linjer eller målinger.
Men selvom den generelle relativitet er blevet retfærdiggjort sent, er det ikke det sidste ord. Nogle alternative teorier om tyngdekraft havde gravitationsbølger, der bevæger sig på en anden bane eller metrisk fra lys. For at få denne virkning ville en ændret tyngdekraftteori være nødt til at påpege, at gravitationsbølgeres veje kun påvirkes af det synlige stof, vi ser, hvorimod lys (fotoner) ville blive påvirket af det synlige stof og uanset hvilke duplikatvirkninger der ser ud som mørkt stof.
I dette scenarie ankom gravitationsbølger og lys til vidt forskellige tidspunkter. Men da LIGO så begge ankomme så tæt på hinanden, ligner det et magtfuldt bevis, at tyngdekraften fungerer som Einsteins teori siger, at det gør - hvilket igen ville styrke sagen til mørk stof.
Længe før LIGO var nogle fysikere imidlertid ikke tilfredse med mørkt stof og udtænkte andre teorier, der forsøgte at forklare, hvad astronomer ser. Et sæt teorier er kendt som Tensor-vektor-skalær tyngdekraft (TeVeS), som tilføjer et ekstra felt til tyngdekraften. Udviklet af Jacob Bekenstein i 2004 var allerede under en ild, fordi det så ud til at kræve neutrinoer mere massive end hvad fysikere hidtil har estimeret, og det producerede ikke altid stabile stjerner. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) tilføjer også et andet felt, dog på en anden måde end TeVeS. Teorien siger, at tyngdekraften bliver stærkere, når du skalerer op fra solsystemet til galakser og derefter til galakse klynger. Det er disse to teoriklasser, som Woodard siger, er udelukket af de nyeste data.
Man skulle tro, at fysikere endelig ville acceptere, at mørk stof er derude, uanset hvilken form det måtte være. Ret? Talsmænd for modificeret tyngdekraften siger, at de ikke er færdige endnu.
John Moffat, en forsker ved Perimeter Institute i Waterloo, Canada, siger, at Woodard simpelt karakteriserede hans teori. "De giver ingen forklaring på, hvorfor min MOG er forfalsket, " sagde han i en e-mail. "Det er sandt, at disse MOND-teorier er udelukket af neutronstjernens fusionsdata. Derfor ser det ud til, at min MOG er den eneste overlevende tyngdekraftteori, der kan forklare galaksen, galakse-klyngedata og kosmologidata uden detekterbare mørke stoffer i det nuværende univers ." Moffat siger, at hans teori faktisk forudsiger, at lys og gravitationsbølger ville ankomme på samme tid.
"Den bedste måde at fortolke dette resultat er ikke så at bevise, at mørkt stof er korrekt, men snarere som at begrænse, hvordan modificerede tyngdekraorier skal konstrueres, hvis de forsøger at undlade det, " sagde Woodard.
Forskellige stier
I 1970'erne fandt den afdøde astronom Vera Rubin, derefter ved Carnegie-institutionen, at det synlige stof ikke bevægede sig langsommere, når man går ud fra det galaktiske centrum (den måde, hvorpå planeter bevæger sig langsommere, når man bevæger sig væk fra solen). På et bestemt tidspunkt bevægede det sig med samme hastighed. Enten var der en masse diffus masse omkring galakserne, som vi ikke kunne se, eller tyngdekraften opførte sig på måder, der ikke var synlige før.
Tidlige forklaringer på det usete materiale omfattede: gas, useriøse planeter, neutrinoer og endda sorte huller. Til sidst blev alle kasseret til fordel for den nuværende opfattelse af mørkt stof som lavet af noget, der kun interagerede via tyngdekraften.
Alligevel mente nogle få fysikere, at ideen om mørk stof var for praktisk, noget opfundet bare for at få matematikken til at fungere. Måske arbejdede tyngdekraften anderledes på forskellige skalaer, og den generelle relativitet indeholdt simpelthen ikke det, de teoretiserede.
Mordehai Milgrom, en emeritus-professor ved Weizmann Institute of Science i Israel, var en af de tidlige MOND-teoretikere, da han havde foreslået sin version i 1980'erne. I hjertet foreslår hans teori, at gravitationsdynamik ændres, når accelerationer på grund af gravitationskraft kommer under en bestemt grænse. Han antyder også, at tyngdekraft og lys bevæger sig på forskellige målinger.
Samlet præsenterede disse teorier, hvis ikke en alvorlig trussel, i det mindste intimationerne af problemer med mørkt stof - indtil nu. ”
Dark Matter FTW
Mørket stof forklarede ikke bare rotationskurver. Det tegnede sig også for observationer af gravitationslinsering - bøjning af lys ved massive genstande. Når vi ser på nogle fjerne galakser, ser vi objekter bag dem som om gennem en linse, pr. Generel relativitet. Lyset bøjes af en mængde, der ikke kan forklares med den synlige masse. Dette var et andet bevis for mørk stof (eller lignende).
Mørk materie kan også forklare, hvorfor den kosmiske mikrobølgebaggrund ser ud som den ser ud: den er ensartet i gennemsnit, men i mindre skalaer er den klumpet, som man kunne forvente i et mørkstofunivers. "En af de ting, som alternativ til mørk stofteoretikere aldrig taler om, er, at hvis du ikke har mørkt stof, får du ikke buler i den [kosmiske mikrobølgebakgrund], " siger Will Kinney, professor i fysik ved Universitet i Buffalo. "Så vidt jeg ved, har ingen af de alternative teorier med mørke stoffer nogensinde nogen forklaring på stød i (kosmisk mikrobølgebaggrunds) spektrum. Det siger i sig selv, at disse teorier ikke fungerer."
Et godt eksempel er Bullet-klyngen, et område i rummet, hvor to galakse-klynger kolliderer. Observationer af klyngen viser linseeffekter, der ikke stemmer overens med det synlige stof deri. Men hvis man antager, at mørkt stof er til stede, men endnu ikke har slået sig rundt om klyngen, så passer linseringen mørke stofteori, sagde Kinney.
Sagen for MOND
Alligevel tæller arkitekterne med modificeret tyngdekraft med de problemer, som mørke stoffer har. Den ene er en afvigelse omkring Bullet Cluster - den samme, som de fleste vil sige støtter mørk materie teori. Ifølge nogle observationer accelererer Bullet Cluster for hurtigt; Selv hvis man antager mørke stoffer, er hastighederne "forkerte." Også mørkt stof forudsiger rotationshastighederne for nogle galakser mindre godt end modificeret tyngdekraft.
Derudover forekommer nogle galakser, der ser ud til at have mindre synlig stof, stadig mere massive. Det kan skyldes en masse mørkt stof, men der er ingen særlig grund til det. MOND teorier klarer sig bedre på den score. "MOND har mere forudsigelig kraft. Man kan bruge den til at forudsige kinematikken i tilsyneladende mørke stof dominerede galakser. Du kan ikke foretage den samme forudsigelse med mørkt stof. Alt hvad du kan sige er 'Jeg ved, at galaksen med lav overfladelysstyrke har meget mørke betyder noget! ", sagde Stacy McGaugh, en astrofysiker fra Case Western Reserve University, der har arbejdet med ændrede tyngdekraorier." Dette er baseret på tidligere erfaringer, ikke teori, som der ikke er nogen aftalt forudsigelse for. "
Et andet spørgsmål er fordelingen af nævnte sag. Milgrom bemærker, at i næsten alle galakser, der er blevet observeret indtil videre, er rotationskurverne den samme form ud til det punkt, hvor acceleration på grund af tyngdekraften mod midten er ca. en ti milliardedel af en meter i sekundet i kvadratet (ca. det samme tyngdekraft følt af nogen to meter væk fra en 10 kg vægt).
Hvis der findes mørkt stof, ville man ikke forvente, at det altid distribueres lige så. Det ville være som at gå til alle lande på Jorden og finde ud af, at indkomstfordelingen var nøjagtig den samme, på trods af de meget forskellige historier, som hvert land har.
"I det [mørke stof] -paradigme er nutidens dynamik et resultat af den komplicerede, kataklysmiske og uvidende historie om den enkelte galakse, der undersøges: om hvor mange fusioner den gennemgik, og hvor voldelige de var, på udkast af baryoner fra galaksen på grund af forskellige dårligt forståede processer osv., ”siger han. MOND-teorier, tilføjede han, gør et bedre stykke arbejde med at forudsige galakebevægelse i den henseende.
Selv Milgrom anerkender dog, at der er nogle områder, som MOND-teorier ikke forudsiger så godt, selv i deres relativistiske MOG-versioner - for eksempel ikke at gengive den observerede kosmiske mikrobølgebakgrund. "Vi har brug for en udvidelse af MOND, der vil tage højde for kosmologi. Dette er noget, vi arbejder på."
Sabine Hossenfelder, en forsker ved Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland, er enig i, at Woodards observation ville gøre nogle slags MOND eller MOG forældede, men er heller ikke overbevist om, at mørk stof er svaret. "Det er næsten helt sikkert korrekt, at observationen udelukker teorier med de antagelser, de angiver i papiret. Men det er uklart, hvilke, hvis nogen, ændrede tyngdekraftteorier, der faktisk opfylder antagelserne, " sagde hun. På sin blog bemærkede hun, at mørk stof fungerer på alle skalaer, mens modificeret tyngdekraft ikke fungerer så godt for kosmologi.
Ethan Siegel, en astrofysiker og forfatter, sagde, at oddsen er, at en masse ændrede tyngdekraftfelter er ugyldige ved LIGO-observationer. Ligesom Hossenfelder, mener han, at problemet for MOND er de skalaer, det beskriver. "Moffat har ret: MOND klarer sig bedre end mørkt stof på galaktiske skalaer. Hvis man ser på individuelle galakser og deres dynamiske egenskaber, har MOND fordelen. MOND mislykkes på alle andre skalaer end det." Nogle af Milgroms teorier, sagde han, kunne muligvis overleve - hvis Milgroms påstand om, at tyngdekraften adlyder andre regler, end det, som universet gør, er tilfældet. "Dette er en teori, der stadig kan overleve disse gravitationsbølgeresultater."
Og på trods af sit arbejde med alternativer til tyngdekraften, sagde McGaugh, at der er ting, som kun mørk stof kan give mening af. ”Jeg kan ikke se, hvordan jeg kan forklare den kosmiske mikrobølgebakgrund eller klynger af galakser (alle rige klynger, ikke kun kugleklyngen) uden det, ” siger han. ”Det betyder ikke, at det ikke kan ske, men i øjeblikket Jeg ser ingen anden bæredygtig forklaring. " På samme tid er han endnu ikke engageret i nogen af siderne. ”Ingen af dem er overbevisende, ” siger han.
Med andre ord forventer, at debatten fortsætter med at raser i en overskuelig fremtid - med kraften fra to neutronstjerner, der kolliderer.
