Χώρος

Μπορεί η σκοτεινή ύλη να μην υπάρχει καθόλου;

Λένε ότι η σκοτεινή ύλη είναι περισσότερο μέσαΣύμπαν (αν μιλάμε γενικά για την ύλη). Και όμως, στην καθημερινή ζωή, ουσιαστικά δεν το συναντάμε. Ξέρουμε τον Ήλιο - το πιο μαζικό αντικείμενο στο Ηλιακό Σύστημα - αποτελείται από απλή ύλη (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια), αλλά υπάρχουν και πολλές άλλες πηγές, όπως οι πλανήτες, το αέριο, η σκόνη, το πλάσμα και τα λείψανα των αστεριών. Δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη μεταξύ τους - και ακόμη και το πρότυπο μοντέλο δεν περιγράφει τα σωματίδια του. Φυσικά, η σκοτεινή ύλη δεν είναι η μόνη επιλογή για να εξηγήσουμε τα παρατηρούμενα βαρυτικά φαινόμενα στο Σύμπαν. Μια άλλη επιλογή είναι να τροποποιήσουμε τη θεωρία της βαρύτητας, την οποία πολλοί προσπάθησαν να κάνουν. Σε αυτή τη βάση η ιδέα της Τροποποιημένης Νευτώνιας Δυναμικής (MOND) και άλλων θεωριών, οι οποίες έως τώρα είναι δημοφιλείς εναλλακτικές λύσεις στη σκοτεινή ύλη, έχουν αυξηθεί.

Για να ξεκινήσουμε κάπου, πρέπει να επιστρέψουμε1800 και μιλούν για το πρόβλημα που υπήρχε πολύ πριν από την «έλλειψη μάζας» (ή «έλλειψης φωτός») που προσπαθεί να λύσει η σκοτεινή ύλη και η MOND: το πρόβλημα του ουρανίου και του υδραργύρου. Ο νόμος της βαρύτητας, που προτάθηκε από τον Newton στις δεκαετίες του 1600, ήταν απίστευτα επιτυχής στην περιγραφή όλων των στοιχείων - από όσο γνωρίζουμε - στα οποία εφαρμόστηκε. Από την κίνηση των κελυφών σε κυλιόμενα αντικείμενα. από το βάρος των αντικειμένων έως το χτύπημα ενός ρολογιού εκκρεμούς. από την πλευστότητα ενός σκάφους στην τροχιά του φεγγαριού γύρω από τη γη, η βαρύτητα του Νεύτωνα δεν απέτυχε ποτέ.

Οι τρεις νόμοι του Kepler, μια ειδική περίπτωση της βαρυτικής φόρμουλας του Νεύτωνα, εφαρμόστηκαν εξίσου σε όλους τους γνωστούς πλανήτες:

  • Οι πλανήτες κινούνται σε ελλείψεις με τον Ήλιο σε ένα από τα κόλπα.
  • Κάθε πλανήτης κινείται σε ένα επίπεδο που διέρχεται από το κέντρο του Ήλιου, και για ίσες χρονικές περιόδους, ο διανύσματος ακτίνας που συνδέει τον Ήλιο και τον πλανήτη περιγράφει ίσες περιοχές.
  • Τα τετράγωνα των περιόδων επανάστασης των πλανητών γύρω από τον Ήλιο αναφέρονται ως κύβοι των ενδιάμεσων αξόνων των τροχιών των πλανητών.

  • Διάσημοι εσωτερικοί και εξωτερικοί κόσμοι όλοιυπακούσαν σε αυτούς τους νόμους, έτσι ώστε να μην αποκαλύπτονται αποκλίσεις εκατοντάδων ετών. Αλλά με την ανακάλυψη του Ουρανού το 1781, κάτι άλλαξε. Ενώ ο τελευταίος από τους ανοιχτούς πλανήτες κινείται σε έλλειψη γύρω από τον Ήλιο, κινείται με λάθος ταχύτητα σε σύγκριση με τους προβλεπόμενους νόμους βαρύτητας.

    Στα πρώτα 20 χρόνια από την ανακάλυψη, μετακόμισεπιο γρήγορα κάθε βράδυ και κάθε χρόνο από τους προβλεπόμενους νόμους. Κατά τα επόμενα 20-25 χρόνια, ο πλανήτης κινήθηκε αυστηρά σύμφωνα με τους νόμους. Αλλά στη συνέχεια επιβραδύνθηκε και η ταχύτητα έπεσε κάτω από τις προβλέψεις.

    Υπήρξε λάθος στο νόμο της βαρύτητας; Ενδεχομένως. Αλλά είναι επίσης πιθανό ότι υπήρχε λίγο περισσότερο θέμα - κάτι αόρατο, σκοτεινή ύλη - που επηρέασε τον Ουρανό, προκαλώντας διαταραχές στην τροχιά του. Αυτό μοιάζει περισσότερο με την αλήθεια. Μετά από έναν θεωρητικό πόλεμο μεταξύ του Urbain Leverrier και του John Coach Adams, ο οποίος εργάστηκε ανεξάρτητα και έκανε προβλέψεις για τη θέση ενός νέου πλανήτη, οι προβλέψεις του Leverrier επιβεβαιώθηκαν από τον Johann Halle και τον βοηθό του Henry d'Arre στις 23 Σεπτεμβρίου 1846. Ο πλανήτης Ποσειδός ανακαλύφθηκε, το πρώτο αντικείμενο του οποίου η ύπαρξη εξήχθη από τις επιδράσεις που ασκούσε η μάζα του: βαρυτική επιρροή.

    Από την άλλη πλευρά, ο εσωτερικός πλανήτης Ερμή -λόγω της αύξησης της ακρίβειας των παρατηρήσεων και σε συνδυασμό με τα κοσμικά στοιχεία, άρχισε να επιδεικνύει μια ακόμα πιο ξένη παραβίαση των νόμων της βαρύτητας. Εάν οι νόμοι του Kepler προέβλεπαν ότι οι πλανήτες πρέπει να κινούνται κατά μήκος ιδανικών ελλειψιών με τον Ήλιο σε ένα από τα κόλπα, τότε με την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχουν άλλες μάζες που παραβιάζουν ή επηρεάζουν το σύστημα. Αλλά δεν υπάρχουν μάζες γύρω, και ο Ερμής δεν κινείται κατά μήκος μιας ιδανικής ελλείψεως. Η ελλειψοειδής του δουλειά με την πάροδο του χρόνου.

    Χρησιμοποιώντας τους νόμους βάρους του Νεύτωνα, θα μπορούσαμελαμβάνουν υπόψη την επίδραση όλων των γνωστών πλανητών (συμπεριλαμβανομένου του Ποσειδώνα). Έχοντας κάνει όλα αυτά, θα διαπιστώσουμε ότι παραμένει μια μικρή απόκλιση μεταξύ της προβλεπόμενης και της παρατηρούμενης: μιας περίπτωσης 43 "ανά αιώνα ή 0,012 μοιρών ανά αιώνα. Αλλά αυτό δεν ήταν ατύχημα.

    Ποια θα είναι η εξήγηση αυτή τη φορά; Αυτή η νέα αόρατη μάζα συνδέεται με τα έντερα του Ερμή; Ή μήπως το πραγματικό πρόβλημα έρπει στο νόμο της βαρύτητας; Μια διεξοδική αναζήτηση της απάντησης σε αυτή την ερώτηση οδήγησε στον νέο θεωρητικό πλανήτη Vulcan, ο οποίος υποτίθεται ότι ήταν πιο κοντά στον Ήλιο από όλους τους άλλους. Αλλά δεν βρέθηκε ηφαίστειο. Η απόφαση ήρθε το 1915 όταν ο Αϊνστάιν περιέγραψε τη γενική θεωρία της σχετικότητας.

    Τώρα χάνουμε χρόνο μέχρι τη δεκαετία του 1970 - σε έναν αριθμόεπιστημονικές παρατηρήσεις της Vera Rubin. Παρατηρούμε τους μεμονωμένους γαλαξίες - συγκεκριμένα τους γαλαξίες "από την άκρη" - και μετράμε τα προφίλ τους ταχύτητας. Εξετάζουμε τη μία πλευρά του γαλαξία και βλέπουμε ότι κινείται προς το μέρος μας (στο μπλε βάρδις), κοιτάξτε το άλλο - απομακρύνεται από εμάς (στο redshift) και έτσι καθορίστε την περιστροφή του γαλαξία. Τι περιμένουμε από αυτά; Όπως το ηλιακό μας σύστημα, τα εσωτερικά αστέρια πρέπει να περιστρέφονται γρηγορότερα και όσο πιο μακριά από το κέντρο, τόσο μικρότερη είναι η ταχύτητα. Αλλά αυτό δεν βρίσκουμε.

    Αντ 'αυτού, κάθε μεμονωμένη ταχύτητα περιστροφήςο γαλαξίας παραμένει σταθερός ανεξάρτητα από την απόσταση. Γιατί; Και πάλι, υπάρχουν δύο επιλογές: είτε οι νόμοι της βαρύτητας απαιτούν βελτίωση, είτε πρέπει να υποθέσουμε την ύπαρξη μιας αόρατης υπερβολικής μάζας.

    Το φαινόμενο της MOND καταγράφηκε για πρώτη φορά από τον Moti Milgrom το 1981μέχρι το χρόνο που παρατήρησε ότι αν αλλάξουμε τον νόμο της βαρύτητας σε πολύ μικρές επιταχύνσεις - κάτι σαν κλάσματα ενός νανομέτρου ανά δευτερόλεπτο τετράγωνο - θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε αυτές τις περιστροφικές καμπύλες. Επιπλέον, η ίδια τροποποίηση, μία ενιαία και συνεπής, θα μπορούσε να εξηγήσει την περιστροφή όλων των γαλαξιών, από το μικρότερο στο μεγαλύτερο. Το MOND εξακολουθεί να το κάνει και το κάνει καλά.

    Η σκοτεινή ύλη, από την άλλη πλευρά, προτείνειότι εκτός από τα συνηθισμένα σωματίδια του Τυπικού Μοντέλου και της συνηθισμένης ύλης από "πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια", τα οποία αποτελούν σχεδόν ό, τι γνωρίζουμε, υπάρχει ένας νέος τύπος ύλης. Για να εξηγήσουμε το περιστροφικό φαινόμενο, προτάθηκε να εισαχθεί ένα μεγάλο φωτοστέφανο της ύλης, το οποίο δεν αλληλεπιδρά με το φως, αλλά δεν κολλάει μαζί και δεν αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη, εκτός από τη βαρυτική. Αυτή ήταν η ιδέα της σκοτεινής ύλης.

    Η σκοτεινή ύλη μπορεί να εξηγήσει αυτά τα περιστροφικάκαμπύλες, αλλά δεν κάνει τόσο καλή όσο η MOND. Η αριθμητική μοντελοποίηση για το φωτοστέφανο που παράγει ακόμη και τα πιο απλά μοντέλα της σκοτεινής ύλης δεν αντιστοιχεί στις παρατηρήσεις. το φωτοστέφανο είναι πολύ "κατεβασμένο" στο κέντρο και πολύ "χνουδωτό" στις παρυφές. (Από τεχνική άποψη, φαίνεται ότι είναι πιο ισόθερμο από το αναμενόμενο). Εν ολίγοις, στην αρχή η MOND ήταν σαφής ηγέτης.

    Αλλά εκεί, πέραν αυτού, άρχισε ολόκληρο το Σύμπαν. Όταν προτείνετε μια νέα θεωρία για να αντικαταστήσετε το παλιό - καθώς η γενική θεωρία της σχετικότητας αντικαθιστά τους νόμους του Νεύτωνα - η θεωρία σας πρέπει να ικανοποιεί τρεις αρχές:

  • Πρέπει να αναπαράγει ολόκληρη την επιτυχία της προηγούμενης θεωρίας.
  • Πρέπει να εξηγήσει με επιτυχία το νέο φαινόμενο (ή φαινόμενα) για το οποίο δημιουργήθηκε.
  • Και πρέπει να κάνει νέες προβλέψεις που θα επαληθευτούν πειραματικά ή παρατηρητικά, θα επιβεβαιωθούν ή θα αντικρουστούν, έτσι ώστε να είναι μοναδική στη νέα θεωρία.
  • Μιλάμε για όλες τις επιτυχίες της προηγούμενης ηγετικής θεωρίας και είναι πολυάριθμες.

    Υπάρχει μια βαρυτική καμπυλότητα του φωτός του αστέραμαζική, ισχυρή και ασθενή βαρυτική φακό. Υπάρχει ένα φαινόμενο Shapiro. Υπάρχει διαστολή βαρυτικής διάρκειας και βαρυτική ερυθρή μετατόπιση. Υπάρχει η έννοια του Big Bang και η έννοια ενός διαστελλόμενου σύμπαντος. Υπάρχουν κινήσεις γαλαξιών μέσα σε συστάδες και ομαδοποίηση των ίδιων των γαλαξιών στις μεγαλύτερες κλίμακες.

    Στην περίπτωση όλων αυτών των παραδειγμάτων - όλα - MONDυφίσταται μια συντριπτική ήττα, είτε δεν προτείνει οποιεσδήποτε προβλέψεις, είτε προβαίνοντας σε προβλέψεις που καταλήγουν σε απογοητευτική σύγκρουση με τα διαθέσιμα δεδομένα. Μπορείτε να παρατηρήσετε σωστά ότι η MOND δεν πρόκειται ποτέ να είναι μια ολοκληρωμένη θεωρία, αλλά μάλλον μια περιγραφή ενός ενιαίου φαινομένου που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια πληρέστερη θεωρία. Πολλοί άνθρωποι εργάζονται στην επέκταση MOND, γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτές τις παρατηρήσεις, αλλά μέχρι στιγμής χωρίς επιτυχία.

    Αλλά αν συνεχίσετε τον νόμο της βαρύτητας του Αϊνστάιν και προσθέσετε ένα νέο συστατικό, κρύα σκοτεινή ύλη, μπορείτε να εξηγήσετε τα πάντα, συμπεριλαμβανομένων μερικών νέων ασυνήθιστων αποχρώσεων.

    Μπορείτε να εξηγήσετε την εικόνα της ομαδοποίησης που παρατηρείται στην μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος, εάν έχετε πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από το συνηθισμένο.

    Και αυτό που είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακό, μπορείτε να το κάνετεμια εντελώς νέα πρόβλεψη: όταν δύο συμπλέγματα γαλαξιών συγκρούονται, το αέριο μέσα τους θερμαίνει, επιβραδύνει και εκπέμπει ακτινογραφίες, ενώ η μάζα που βλέπουμε με βαρυτική φακό ακολουθεί σκοτεινή ύλη και αντικαθίσταται από ακτινογραφίες. Αυτή η νέα πρόβλεψη έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά και έχει περάσει για δέκα χρόνια, παρέχοντας έμμεση επιβεβαίωση της ύπαρξης σκοτεινής ύλης.

    Η MOND έχει το πλεονέκτημα: εξηγεί τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών καλύτερα από τη σκοτεινή ύλη. Αλλά αυτή δεν είναι μια φυσική θεωρία και δεν ανταποκρίνεται στο πλήρες σύνολο παρατηρήσεων που έχουμε. Η σκοτεινή ύλη υπάρχει - τουλάχιστον θεωρητικά - επειδή μας δίνει το ίδιο Σύμπαν, συνεπές, χωρίς τροποποιήσεις.

    Αλλά η τρέχουσα αποτυχία είναι MOND,κοσμολογικό, βάλτε το κάτω από τη σκοτεινή ύλη. Αφήστε τον να αναπαράγει όλες τις επιτυχίες της γενικής σχετικότητας, να εξηγήσει νέα φαινόμενα, να κάνει προβλέψεις που μπορούν να επιβεβαιωθούν - και οι επιστήμονες αναμφισβήτητα θα στραφούν στη νέα πίστη. Μετά από όλα, είναι καλοί επιστήμονες.