Ci fizycy wolą nową teorię grawitacji

Korzystając z praw fizyki Newtona, możemy z pełną dokładnością modelować ruchy planet w Układzie Słonecznym. Jednak na początku lat 70. naukowcy odkryli, że To nie zadziałało dla niego galaktyki dyskowe Gwiazdy na swoich zewnętrznych krawędziach, oddalone od siły grawitacji całej materii w ich centrum, poruszały się znacznie szybciej, niż przewidywała teoria Newtona.

W rezultacie fizycy zasugerowali, że niewidzialna substancja zwana „Ciemna materia„Dostarczał dodatkowego przyciągania grawitacyjnego, powodując przyspieszenie gwiazd – teoria, która została powszechnie zaakceptowana ostatnia recenzja Moi koledzy i ja sugerujemy, że obserwacje w szerokim zakresie skal są znacznie lepiej wyjaśnione w alternatywnej teorii grawitacji zwanej dynamiką Milgromian lub Mond – Nie wymaga żadnego niewidocznego materiału. Został po raz pierwszy zaproponowany przez izraelskiego fizyka Mordechaja Milgroma w 1982 roku.

Podstawowym założeniem Monda jest to, że gdy grawitacja staje się zbyt słaba, jak to ma miejsce w pobliżu krawędzi galaktyk, zaczyna zachowywać się inaczej niż fizyka newtonowska. W ten sposób jest to możliwe wyjaśnić Dlaczego gwiazdy, planety i gaz na obrzeżach ponad 150 galaktyk wirują szybciej niż oczekiwano na podstawie ich widzialnej masy. Mond to jednak nie tylko wyjaśnić Podobnie jak krzywe rotacji, w wielu przypadkach Oczekiwać one.

filozofowie nauki kłócić się Ta moc przewidywania czyni Monda lepszym od standardowego modelu kosmologicznego, co sugeruje, że we wszechświecie jest więcej ciemnej materii niż materii widzialnej. Dzieje się tak, ponieważ zgodnie z tym modelem galaktyki zawierają niezwykle niepewną ilość ciemnej materii, która zależy od szczegółów tego, jak powstała galaktyka – co nie zawsze jest nam znane. Uniemożliwia to przewidzenie, jak szybko obracają się galaktyki. Ale takie przewidywania są rutynowo dokonywane z Mondem i jak dotąd zostało to potwierdzone.

Wyobraź sobie, że znamy rozkład widocznej masy w galaktyce, ale nie znamy jeszcze jej prędkości obrotowej. W Standardowym Modelu Kosmicznym można by jedynie powiedzieć z pewną dozą pewności, że prędkość obrotowa będzie mieścić się w zakresie od 100 km/s do 300 km/s na przedmieściach. Mond podaje bardziej konkretną prognozę, że prędkość obrotowa powinna mieścić się w przedziale 180-190 km/s.

Jeśli późniejsze obserwacje ujawnią prędkość obrotową 188 km/s, zgadza się to z obiema teoriami – ale Mond jest zdecydowanie faworytem. To jest najnowsza wersja Brzytwa Ockhama – że najprostsze rozwiązanie jest lepsze niż bardziej złożone rozwiązania, w takim przypadku musimy wyjaśniać notatki jak najmniejszą możliwą liczbą „wolnych parametrów”. Darmowe parametry to stałe – pewne liczby, które musimy wprowadzić do równań, aby zadziałały. Ale sama teoria ich nie podała – nie ma powodu, aby istniała jakaś konkretna wartość – więc musimy ją zmierzyć obserwacją. Przykładem jest stała grawitacyjna G w teorii grawitacji lub wielkości Newtona Ciemna materia w galaktykach w ramach Standardowego Modelu Kosmologicznego.

Wprowadziliśmy koncepcję znaną jako „elastyczność teoretyczna”, aby uchwycić ideę stojącą za kodem Ockhama, że ​​teoria o najbardziej swobodnych parametrach jest spójna z szerszym zakresem danych, co czyni ją bardziej złożoną. W naszym przeglądzie wykorzystaliśmy tę koncepcję podczas testowania modelu kosmologicznego Standard i Mond z różnymi obserwacjami astronomicznymi, takimi jak rotacja galaktyk i ruchy w gromadach galaktyk.

Za każdym razem dawaliśmy teoretyczny wynik elastyczności od -2 do +2. Wynik -2 wskazuje, że model dokonuje jasnej i dokładnej prognozy bez patrzenia na dane. I odwrotnie, +2 oznacza „wszystko idzie” – teoretycy mogli dopasować prawie każdy rozsądny wynik obserwacyjny (ponieważ jest tak wiele wolnych parametrów). Oceniliśmy również, jak dobrze każdy model pasuje do obserwacji, gdzie +2 oznacza doskonałe dopasowanie, a -2 jest zarezerwowane dla obserwacji, które wyraźnie pokazują, że teoria jest fałszywa. Następnie odejmujemy stopień elastyczności teoretycznej od zgodności z obserwacjami, ponieważ dobre dopasowanie danych jest dobre, ale możliwość dopasowania czegokolwiek jest zła.

Dobra teoria dawałaby jasne przewidywania, które zostały później potwierdzone, a łączny wynik +4 w wielu różnych testach byłby lepszy (+2 – (- 2) = +4). Zła teoria otrzyma wynik od 0 do -4 (-2 – (+2) = -4). Dokładne przewidywania mogą w tym przypadku zawieść – i jest mało prawdopodobne, aby działały z niewłaściwą fizyką.

Znaleźliśmy średni wynik dla Standardowego Modelu Kosmologicznego -0,25 w 32 testach, podczas gdy Mond osiągnął średni wynik +1,69 w 29 testach. Wyniki dla każdej teorii w wielu różnych testach pokazano na rysunkach 1 i 2 poniżej, odpowiednio, dla modelu kosmologicznego Standard i Mond.

Rysunek 1. Porównanie standardowego modelu kosmologicznego z obserwacjami opartymi na zgodności danych z teorią (optymalizacja od dołu do góry) i elastyczności dopasowania (wysokość od lewej do prawej). Puste koło nie jest uwzględniane w naszej ocenie, ponieważ dane te zostały wykorzystane do ustawienia dowolnych parametrów. Reprodukcja z tabeli 3 naszego przeglądu. źródło: Arxiv

Rysunek 2. Podobnie jak na rycinie 1, ale w przypadku Monda z cząstkami wirtualnymi, które oddziałują wyłącznie grawitacyjnie, nazywane są neutrinami sterylnymi. Zauważ, że nie ma widocznego fałszerstwa. Reprodukcja z tabeli 4 naszego przeglądu. źródło: Arxiv

Od razu widać, że nie zidentyfikowano żadnych znaczących problemów w przypadku Mond, które przynajmniej w rozsądnym stopniu zgadzają się ze wszystkimi danymi (zauważ, że dwa dolne wiersze wskazujące na fałszowanie są puste na rysunku 2).

problemy z ciemną materią

Jedna z najbardziej uderzających porażek Standardowego Modelu Kosmicznego ma związek z „galaktykami pręcikowymi” – jasnymi obszarami w kształcie prętów zbudowanymi z gwiazd – w których galaktyki spiralne często znajdują się w ich centralnych obszarach (patrz zdjęcie główne). Słupki zmieniają się w czasie. Gdyby galaktyki były zanurzone w ogromnych halo ciemnej materii, ich pręciki zwalniałyby. Jednak większość, jeśli nie wszystkie obserwowane pasma galaktyczne, są szybkie. to jest podróbka Standardowy model kosmologiczny o wysokim stopniu ufności.

Innym problemem jest to, że oryginalne modele To, że proponowane galaktyki mają halo ciemnej materii, popełniło wielki błąd – założyli, że cząstki ciemnej materii zapewniają grawitację otaczającej je materii, ale nie mają na nie wpływu przyciąganie grawitacyjne zwykłej materii. Upraszcza to obliczenia, ale nie odzwierciedla rzeczywistości. Kiedy zostało to wzięte pod uwagę w Kolejne symulacje Było jasne, że halo ciemnej materii wokół galaktyk nie wyjaśnia w wiarygodny sposób ich właściwości.

Istnieje wiele innych niepowodzeń Standardowego Modelu Kosmologicznego, którym przyjrzeliśmy się w naszej recenzji, a Mond często był w stanie: wyjaśnione naturalnie Notatki. Jednak powodem, dla którego Standardowy Model Kosmologiczny jest tak popularny, mogą być błędy obliczeniowe lub ograniczona wiedza o jego niepowodzeniach, z których niektóre zostały niedawno odkryte. Może to być również spowodowane niechęcią ludzi do modyfikowania teorii grawitacji, która odniosła tak duży sukces w wielu innych dziedzinach fizyki.

Duża przewaga Monda nad Standardowym Modelem Kosmologicznym w naszych badaniach doprowadziła nas do wniosku, że dostępne obserwacje zdecydowanie faworyzują Monda. Chociaż nie twierdzimy, że Mond jest doskonały, nadal uważamy, że poprawia to duży obraz – galaktykom naprawdę brakuje ciemnej materii.

Napisane przez Indranila Banika, doktora habilitowanego w dziedzinie astrofizyki, University of St Andrews.

Ten artykuł został po raz pierwszy opublikowany w Rozmowa.

Odniesienie: „Od galaktycznych prętów do napięcia Hubble’a: ważenie astrofizycznych dowodów grawitacji melgromejskiej
Indranil Banik i Hongsheng Zhao, 27 czerwca 2022 r. Dostępne tutaj symetria.
DOI: 10.3390 / sym14071331