Може ли тъмна материя изобщо да не съществува?

Казват, че тъмната материя е най-вътреВселена (ако говорим за материята като цяло). И все пак, в ежедневието, ние практически не го срещаме. Знаем, че Слънцето - най-масовият обект в Слънчевата система - се състои от обикновена материя (протони, неутрони и електрони), но има много други източници, включително планети, газ, прах, плазма и останките на звезди. Няма тъмна материя сред тях - и дори Стандартният модел не описва неговите частици. Разбира се, тъмната материя не е единственият вариант да се обяснят наблюдаваните гравитационни явления във Вселената. Друг вариант е да се промени теорията на гравитацията, която мнозина са се опитали да направят. На тази основа нараства идеята за модифицирана нютонова динамика (MOND) и други теории, които досега са популярни алтернативи на тъмната материя.

За да започнем някъде, трябва да се върнем към1800-те години и говорят за проблема, който е съществувал много преди „липсващата маса“ (или „липсващата светлина“), която тъмната материя и МОНД се опитват да решат: проблема с Уран и Меркурий. Законът на гравитацията, предложен от Нютон през 1600 г., беше невероятно успешен при описанието на всичко - доколкото знаем - към което е приложен. От движението на черупките до подвижните предмети; от теглото на предметите до тиктакането на часовник с махало; от плаваемостта на лодка до орбитата на Луната около земята, гравитацията на Нютон никога не се е проваляла.

Трите закона на Кеплер, специален случай на гравитационната формула на Нютон, се прилагат еднакво към всички известни планети:

Планетите се движат в елипси със Слънцето в един от триковете.

Всяка планета се движи в равнина, минаваща през центъра на Слънцето, и за равни периоди от време, радиусният вектор, свързващ Слънцето и планетата, описва равни зони.

Квадратите от периодите на въртене на планетите около Слънцето се наричат ​​кубчета от полумиорните оси на орбитите на планетите.

Известни всички вътрешни и външни световесе подчиниха на тези закони, така че да не се разкриват отклонения стотици години. Но с откриването на Уран през 1781 г. нещо се промени. Докато последната от откритите планети се движеше в елипса около Слънцето, тя се движеше с грешна скорост в сравнение с предвидените закони за гравитация.

През първите 20 години от откриването тя се местипо-бързо всяка вечер и всяка година от предписаните закони. През следващите 20-25 години планетата се движи в стриктно съответствие със законите. Но след това се забави и скоростта падна под прогнозираната.

Имаше ли грешка в закона на гравитацията? Може би. Но също така е възможно, че е имало малко повече материя - нещо невидима, тъмна материя - която е повлияла на Уран, причинявайки смущения в орбитата му. Това е по-скоро като истината. След теоретична война между Урбейн Левърьер и Джон Треньор Адамс, които работиха независимо и направиха прогнози за местоположението на нова планета, прогнозите на Левъррие бяха потвърдени от Йохан Хале и неговия помощник Хенри д'Ар на 23 септември 1846 година. Открита е планетата Нептун, първият обект, чието съществуване е изведено от ефектите, упражнявани от неговата маса: гравитационно влияние.

От друга страна, вътрешната планета Меркурий -поради повишаване на точността на наблюденията и в комбинация със светските данни, тя започна да демонстрира още по-странно нарушение на законите на гравитацията. Ако законите на Кеплер предсказаха, че планетите трябва да се движат по идеални елипси със Слънцето в един от триковете, тогава при условие че няма други маси, които нарушават или влияят на системата. Но наоколо няма маси и Меркурий не се движи по идеална елипса. Нейната елипса прецени във времето.

Използвайки законите на гравитацията на Нютон, бихме могливземете под внимание влиянието на всички известни планети (включително Нептун). След като направим всичко това, ще открием, че остава леко разминаване между прогнозираното и наблюдаваното: прецесия от 43 ”на век или 0,012 градуса на век. Но това не беше случайно.

Какво ще е обяснението този път? Тази нова невидима маса свързана ли е с червата на Меркурий? Или истинският проблем проникна в закона на гравитацията? Дълбокото търсене на отговора на този въпрос доведе до новата теоретична планета Вулкан, която трябваше да бъде по-близо до Слънцето от всички останали. Но вулкан не е намерен. Решението идва през 1915 г., когато Айнщайн очертава общата си теория на относителността.

Сега губим време до 70-те години - на бройнаучни наблюдения на Вера Рубин. Ние наблюдаваме отделни галактики - по-специално галактики „от ръба“ - и измерваме техните профили на скоростта. Гледаме едната страна на галактиката и виждаме, че тя се движи към нас (при синята смяна), поглеждаме към другата - тя се отдалечава от нас (при червеното изместване) и така определяме въртенето на галактиката. Какво очакваме от тях? Подобно на нашата Слънчева система, вътрешните звезди трябва да се въртят по-бързо и колкото по-далеч от центъра, толкова по-ниска трябва да бъде скоростта. Но това не е това, което намираме.

Вместо това всяка отделна скорост на въртенегалактиката остава постоянна, независимо от разстоянието. Защо? Отново има две възможности: или законите на гравитацията изискват подобрение, или трябва да приемем наличието на невидима излишна маса.

Феноменът на MOND е забелязан за първи път от Moti Milgrom през 1981 г.до годината, когато забеляза, че ако променим закона на гравитацията при много малки ускорения - нещо като части от нанометър в секунда в квадрат - бихме могли да обясним тези ротационни криви. В допълнение, една и съща модификация, една единствена и последователна, може да обясни въртенето на всички галактики, от най-малките до най-големите. MOND все още прави и се справя добре.

От друга страна, тъмната материя предполагаче в допълнение към обикновените частици на Стандартния модел и обикновената материя от „протони, неутрони и електрони“, които съставляват почти всичко, което знаем, има нов тип материя. За да се обясни ротационният феномен, беше предложено да се въведе голям ореол от материя, която не взаимодейства със светлината, но не се слепва и не взаимодейства с обикновената материя, освен гравитационно. Това беше идеята за тъмната материя.

Тъмната материя може да обясни тези ротационникриви, но не е толкова добро като MOND. Числовото моделиране на ореола, които произвеждат дори най-простите модели на тъмна материя, не съответства на наблюденията; ореолът е твърде „свален” в центъра и твърде „пухкав” в покрайнините. (От техническа гледна точка те изглеждат по-изотермични от очакваното). Накратко, в началото MOND беше ясен лидер.

Но там по-нататък започна цялата Вселена. Когато предлагате нова теория за заместване на старата - тъй като общата теория на относителността замества законите на Нютон - вашата теория трябва да отговаря на три принципа:

Той трябва да възпроизведе целия успех на предишната водеща теория.

Тя трябва успешно да обясни новото явление (или явления), за което е създадено.

И тя трябва да прави нови прогнози, които ще бъдат експериментално или наблюдателно проверени, потвърдени или опровергани, така че да е уникална за новата теория.

Говорим за всички успехи на предишната водеща теория и те са многобройни.

Има гравитационна кривина на звездна светлинамаса, силна и слаба гравитационна леща. Има ефект на Шапиро. Има гравитационно разширяване на времето и гравитационно червено изместване. Има концепцията за Големия взрив и концепцията за разширяваща се вселена. Има движения на галактики вътре в клъстери и струпване на самите галактики в най-големите мащаби.

В случая на всички тези примери - всички - MONDпретърпява смазващо поражение, или като не предлага никакви прогнози, или като прави прогнози, които изпадат в смущаващ конфликт с наличните данни. С право можете да забележите, че MOND никога няма да бъде цялостна теория, а по-скоро описание на един-единствен феномен, който може да доведе до по-пълна теория. Много хора работят по разширението на MOND, което би могло да обясни тези наблюдения, но засега без успех.

Но ако продължите закона на гравитацията на Айнщайн и просто добавите нова съставка, студена тъмна материя, можете да обясните всичко, включително някои нови необичайни нюанси.

Можете да обясните картината на групиране, която се наблюдава в мащабната структура на Вселената, ако имате пет пъти повече тъмна материя от обикновено.

И това, което е особено впечатляващо, можете да направитенапълно ново прогнозиране: когато два сблъсъка от галактики се сблъскат, газът в тях се загрява, забавя и излъчва рентгенови лъчи, докато масата, която виждаме с гравитационно лещиране, следва тъмна материя и се заменя с рентгенови лъчи. Това ново предсказване е потвърдено експериментално и съществува от десетина години, което дава косвено потвърждение за съществуването на тъмна материя.

MOND има предимството на: тя обяснява кривите на въртене на галактиките по-добре от тъмната материя. Но това не е физическа теория и тя не съответства на пълния набор от наблюдения, които имаме. Тъмната материя съществува - поне на теория - защото ни дава една и съща Вселена, последователна, без никакви модификации.

Но настоящият провал е MOND,космологично, поставете го под тъмна материя. Нека той възпроизведе всички успехи на общата относителност, да обясни нови явления, да направи прогнози, които могат да бъдат потвърдени - и учените несъмнено ще се обърнат към новата вяра. В края на краищата те са добри учени.