V říjnu byl LIGO a jeho evropský protějšek VIRGO svědkem gravitačních vln, které se vlnily z dech beroucí kolize mezi dvěma neutronovými hvězdami. Tato bezprecedentní událost vypadala jako další triumf pro nový druh astronomie, takový, který by mohl použít gravitační vlny k prozkoumání některých nejhlubších tajemství vesmíru. Ale ve všem vzrušení si většina lidí nevšimla, že něco zemřelo: celá skupina teorií, které představují vesmír bez temné hmoty.
Související obsah
- Vědci si všimnou jiskry ze starověké kolize neutronových hvězd
- Tři vědci za odhalením gravitačních vln získali Nobelovu cenu za fyziku
- Vědci detekují čtvrtou gravitační vlnu, navádějí se na starodávnou kolizi Black Hole
To je pravda: méně známým důsledkem zpráv LIGO je to, že se možná chystáme vidět výrazné přetvoření debaty o temné hmotě - věci, které, jak se zdá, gravitačně přitahují viditelný materiál a ohýbací prostor, ale nelze je vidět . Podle příspěvku zaslaného na předtiskový server ArXiv Richardem Woodardem, profesorem fyziky na Floridské univerzitě, nedávné pozorování ruší třídu teorií, které se snažily vysvětlit gravitační chování na stupnicích galaxií bez temné hmoty.
Woodard poznamenává, že některé z těchto teorií, známých jako modifikovaná gravitace (MOG) nebo modifikovaná newtonovská dynamika (MOND), předpovídají, že gravitační a světelné vlny by dorazily v různých časech. Přesto LIGO zachytilo gravitační vlny a světlo od dvou srážejících se neutronových hvězd asi 2 sekundy od sebe. Protože zdroj obou byl ve vzdálenosti 130 milionů světelných let, je to rozdíl jen 1 dílu na asi 1, 5 kvadrilionu. V podstatě dorazili současně.
Druhy modelů, o nichž Woodard mluví - o nichž nazývá „emulátory temné hmoty“ - se pokoušejí duplikovat účinky temné hmoty tím, že předpokládají, že gravitace se chová jinak, než si většina vědců myslí. „Náš papír rozhodně nevylučuje všechny modifikované gravitační modely, které upouštějí od temné hmoty, “ objasnil Woodard. "Platí to jen pro jejich velkou třídu."
Přestože teoretici proti temné hmotě možná čelili úderu, nepadnou bez boje dolů.
…
V teorii obecné relativity Alberta Einsteina je prostor zakřivený masivními objekty. Paprsek fotonů - jinak známý jako světlo - cestuje po nejkratší vzdálenosti mezi dvěma body (což není vždy přímka). Obecná relativita říká, že gravitační vlny a světlo se pohybují po stejných liniích nebo metrikách.
Ale zatímco obecná relativita byla potvrzena jako pozdě, není to poslední slovo. Některé alternativní teorie gravitace měly gravitační vlny pohybující se na jiné cestě nebo metrice od světla. K dosažení tohoto účinku by modifikovaná teorie gravitace musela předpokládat, že dráhy gravitačních vln jsou ovlivněny pouze viditelnou hmotou, kterou vidíme, zatímco světlo (fotony) by bylo ovlivněno viditelnou hmotou a jakékoli duplicitní efekty, které vypadají jako temná hmota.
V tomto scénáři by gravitační vlny a světlo dorazily do značně odlišných časů. Ale protože LIGO viděl, jak se oba blíží k sobě, vypadá to jako silný důkaz, že gravitace funguje tak, jak to říká Einsteinova teorie - což by zase podpořilo případ temné hmoty.
Avšak dlouho před LIGO byli někteří fyzici nespokojeni s temnou hmotou a vymýšleli další teorie, které se snažily vysvětlit, co vidí astronomové. Jedna sada teorií je známá jako Tensor-vector-skalární gravitace (TeVeS), která přidává gravitaci další pole. Vyvinutý Jacobem Bekensteinem v roce 2004 byl již pod palbou, protože se zdálo, že vyžaduje neutrina masivnější, než dosud odhadovali fyzici, a ne vždy produkoval stabilní hvězdy. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) také přidává další pole, i když jiným způsobem než TeVeS. Teorie říká, že gravitace zesiluje, jakmile se zvětšíte ze sluneční soustavy na galaxie a poté na shluky galaxií. Woodard říká, že právě tyto dvě třídy teorií jsou podle nejnovějších údajů vyloučeny.
Mysleli byste si, že fyzici konečně přijmou to, že temná hmota je tam venku, v jakékoli formě. Že jo? Zastánci modifikované gravitace tvrdí, že ještě nejsou hotovi.
John Moffat, výzkumný pracovník v Perimeter Institute ve Waterloo v Kanadě, říká, že Woodard jednoduše nesprávně charakterizoval svou teorii. „Neposkytují žádné vysvětlení, proč je můj MOG falšovaný, “ řekl e-mailem. "Je pravda, že tyto teorie MOND jsou vyloučeny údaji o fúzi neutronových hvězd. Proto se zdá, že můj MOG je jediná přežívající gravitační teorie, která dokáže vysvětlit galaxii, data galaxií a kosmologie bez detekovatelné temné hmoty v současném vesmíru." . “ Moffat říká, že jeho teorie ve skutečnosti předpovídá, že světelné a gravitační vlny by dorazily současně.
"Nejlepší způsob, jak interpretovat tento výsledek, není prokázat, že temná hmota je správná, ale spíše omezovat, jak musí být konstruovány modifikované teorie gravitace, pokud se jí snaží zbavit, " řekl Woodard.
Různé cesty
V sedmdesátých letech zjistil pozdní astronom Vera Rubin, poté v Carnegieho instituci, že tato viditelná hmota se nepohybuje pomaleji, když člověk vyjde z galaktického centra (způsob, jakým se planety pohybují pomaleji, když se člověk pohybuje od slunce). V určitém okamžiku se to všechno pohybovalo stejnou rychlostí. Kolem galaxií, které jsme neviděli, byla spousta rozptýlené hmoty nebo se gravitace chovala způsobem, který předtím nebyl patrný.
První vysvětlení pro neviditelnou látku zahrnovalo: plyn, nepoctivé planety, neutrina a dokonce i černé díry. Nakonec byli všichni zahozeni ve prospěch současné koncepce temné hmoty, která byla vytvořena z něčeho, co interagovalo pouze gravitací.
Přesto několik fyziků cítilo, že myšlenka na temnou hmotu byla příliš pohodlná, něco vymyslel jen proto, aby matematika fungovala. Možná gravitace fungovala různě v různých měřítcích a obecná relativita to prostě nezohlednila, teoretizovali.
Mordehai Milgrom, emeritní profesor na Weizmannově vědeckém institutu v Izraeli, byl jedním z prvních teoretiků MOND, který svou verzi navrhl v 80. letech. Ve své podstatě jeho teorie navrhuje, aby se gravitační dynamika změnila, když se zrychlení v důsledku gravitační síly dostanou pod určitou hranici. Tvrdí také, že gravitace a světlo cestují na různých metrikách.
Dohromady tyto teorie představovaly, ne-li vážnou hrozbu, přinejmenším intimace problémů s temnou hmotou - až dosud. “
Dark Matter FTW
Temná hmota nevysvětlila jen rotační křivky. To také odpovídalo pozorování gravitačních čoček - ohýbání světla masivními objekty. Když se podíváme na některé vzdálené galaxie, vidíme objekty za nimi, jako by skrz čočku, podle obecné relativity. Světlo je ohnuto o množství, které nelze vysvětlit viditelnou hmotou. To byl další důkaz pro temnou hmotu (nebo něco podobného).
Temná hmota může také vysvětlit, proč kosmické mikrovlnné pozadí vypadá tak, jak vypadá: je to v průměru rovnoměrné, ale v menších měřítcích je nemotorné, jak by se dalo očekávat ve vesmíru temné hmoty. „Jedna z věcí, o kterých alternativa k teoretikům temné hmoty nikdy nemluví, je to, že pokud nemáte temnou hmotu, nedostanete rány v [kosmickém mikrovlnném pozadí], “ říká Will Kinney, profesor fyziky na Univerzita v Buffalu. „Podle mého vědomí žádná z alternativních teorií temné hmoty nikdy neměla vůbec žádné vysvětlení pro rány v (kosmickém mikrovlnném pozadí) spektru. To samo o sobě říká, že tyto teorie nebudou fungovat.“
Dobrým příkladem je klastr Bullet, oblast prostoru, ve které se střetávají dva klastry galaxií. Pozorování shluku ukazují efekty objektivu, které se nespojují s viditelnou hmotou v něm. Přesto, pokud člověk předpokládá, že je přítomna temná hmota, ale dosud se neusadil kolem shluku, pak čočka odpovídá teorii temné hmoty, uvedla Kinney.
Případ pro MOND
Přesto architekti upravené gravitace čelí problémům, které má temná hmota. Jedna je anomálie kolem Bullet Cluster - stejná, jak by většina řekla, podporuje teorii temné hmoty. Podle některých pozorování Bullet Cluster zrychluje příliš rychle; i za předpokladu, že temná hmota jsou rychlosti „špatné“. Temná hmota také předpovídá rychlosti rotace některých galaxií méně dobře než modifikovaná gravitace.
Navíc, některé galaxie, které vypadají, že mají méně viditelnou hmotu, se zdají stále masivnější. To by mohlo být způsobeno spoustou temné hmoty, ale neexistuje žádný zvláštní důvod, proč by tomu tak mělo být. Teorie MOND jsou v tomto skóre lepší. „MOND má prediktivní sílu. Lze ji použít k předpovědi kinematiky galaxií s dominantní temnou hmotou. Stejnou předpověď nelze udělat s temnou hmotou. Vše, co můžete říci, je:„ Vsadím se, že galaxie s nízkým povrchovým jasem má hodně temné "!" řekl Stacy McGaugh, astrofyzik na Case Western Reserve University, který pracoval na modifikovaných teoriích gravitace. "Na základě předchozích zkušeností, nikoli teorie, pro které neexistuje dohodnutá předpověď."
Dalším problémem je distribuce uvedené látky. Milgrom poznamenává, že téměř ve všech galaxiích, které byly dosud pozorovány, jsou rotační křivky stejné do té míry, že zrychlení způsobené gravitací směrem ke středu je asi jedna deset miliardtina metru za sekundu (přibližně stejná) gravitační síla, kterou cítil někdo dva metry od hmotnosti 10 kilogramů).
Pokud existuje temná hmota, nikdo by neočekával, že bude vždy distribuována právě tak. Bylo by to jako jít do všech zemí na Zemi a zjistit, že rozdělení příjmů bylo naprosto stejné, navzdory velmi odlišným historiím, které má každá země.
„V paradigmatu [temná hmota] je dnešní dynamika výsledkem komplikované, kataklyzmatické a nepoznatelné historie zkoumané jednotlivé galaxie: o tom, kolik fúzí prošlo a jak násilné byly, o vyhazování baryonů z galaxii kvůli různým špatně pochopeným procesům atd., “říká. Teorie MOND, dodal, odvádí v tomto ohledu lepší práci při předpovídání pohybu galaxie.
I Milgrom však uznává, že existují oblasti, které teorie MOND také nepředpovídají, a to ani ve svých relativistických verzích MOG - například nenapodobují pozorované kosmické mikrovlnné pozadí. "Potřebujeme rozšíření MOND, které bude odpovídat za kosmologii. Na tom pracujeme."
Sabine Hossenfelder, výzkumná pracovnice frankfurtského institutu pro pokročilá studia v Německu, souhlasí s tím, že Woodardovo pozorování způsobí zastarání některých druhů MOND nebo MOG, ale také není přesvědčen, že odpověď je temná záležitost. „Je téměř jisté, že pozorování vylučuje teorie s předpoklady, které uvádí v novinách. Není však jasné, které modifikované teorie gravitace, pokud vůbec nějaké, skutečně splňují předpoklady, “ řekla. Na svém blogu si všimla, že temná hmota funguje ve všech měřítcích, zatímco upravená gravitace pro kosmologii nefunguje.
Ethan Siegel, astrofyzik a autor, uvedl, že je pravděpodobné, že pozorování LIGO ruší mnoho modifikovaných gravitačních polí. Stejně jako Hossenfelder věří, že problémem MOND jsou stupnice, které popisuje. „Moffat má pravdu: MOND dělá lépe než temná hmota na galaktických stupnicích. Pokud se podíváte na jednotlivé galaxie a jejich dynamické vlastnosti, má MOND výhodu. MOND selhává na všech jiných stupních, než je tato.“ Některé z Milgromových teorií, řekl, by mohly přežít - pokud je například Milgromovo tvrzení, že gravitace dodržuje jiná pravidla než ta ve vesmíru, pravdivé. "Je to teorie, která může tyto výsledky gravitačních vln přežít."
A navzdory jeho práci na alternativách gravitace McGaugh řekl, že existují věci, které dokáže pochopit pouze temná hmota. „Nechápu, jak vysvětlit kosmické mikrovlnné pozadí nebo shluky galaxií (všechny bohaté shluky, nejen klastr kulek) bez něj, “ říká. „To neznamená, že se to nemůže stát, ale v současnosti Nevidím žádné další proveditelné vysvětlení. “ Současně se ještě nezavázal k žádné straně. "Ani to není přesvědčivé, " říká.
Jinými slovy, očekávejte, že debata bude zuřit v dohledné budoucnosti - se silou dvou neutronových hvězd.
