Sonda Cassini podważyła astrofizyków, którzy nie chcieli wierzyć w hipotezę ciemnej materii jako głównego składnika wszechświata

Jedną z największych tajemnic współczesnej astrofizyki jest to, że siły w galaktykach wydają się nie sumować. Galaktyki obracają się znacznie szybciej, niż można by się spodziewać, stosując prawo grawitacji Newtona do ich widzialnej materii, chociaż prawa te obowiązują w całym Układzie Słonecznym.

Aby zapobiec rozpadowi galaktyk, potrzebna jest dodatkowa grawitacja. Dlatego wysunięto pomysł istnienia niewidzialnej substancji zwanej ciemną materią. Ale nikt nigdy nie był w stanie uświadomić sobie tego zjawiska. Bardzo udany Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych nie zawiera cząstek, które mogłyby być ciemną materią: musi to być coś całkowicie obcego.

Doprowadziło to do zupełnie innego poglądu, że różnice galaktyczne wynikają z załamania praw Newtona. Najbardziej udaną koncepcją jest dynamika Milgromiana lub Mounda, zaproponowana przez izraelskiego fizyka Mordehaia Milgroma w 1982 roku. Jednak nasze ostatnie badania pokazują, że teoria ta jest słaba.

Głównym założeniem teorii Monda jest to, że grawitacja zaczyna zachowywać się inaczej niż przewidywał Newton, gdy staje się bardzo słaba, na przykład na krawędziach galaktyk. Teoria Mounda całkiem skutecznie przewiduje rotację galaktyk bez ciemnej materii, ale ma też na swoim koncie inne sukcesy. Ale większość z nich można również wyjaśnić ciemną materią, zachowując prawa Newtona.

Jak więc możemy przetestować teorię Monda? Do tego przedsięwzięcia dążyliśmy przez wiele lat. Kluczem jest to, że teoria Monda zmienia zachowanie grawitacji tylko przy małych przyspieszeniach, a nie w określonej odległości od obiektu. Poczujesz mniejsze przyspieszenie na krawędziach dowolnego ciała niebieskiego – planety, gwiazdy lub galaktyki – niż wtedy, gdy będziesz blisko niego. Ale to stopień przyspieszenia, a nie odległość, pozwala przewidzieć, gdzie grawitacja powinna być najsilniejsza.

Oznacza to, że chociaż efekty dynamiki Milgromiana zwykle pojawiają się w odległości kilku tysięcy lat świetlnych od galaktyki, gdybyśmy spojrzeli na pojedynczą gwiazdę, efekty stałyby się bardzo znaczące w promieniu jednej dziesiątej roku świetlnego. To tylko kilka tysięcy razy więcej niż jednostka astronomiczna (AU) – odległość między Ziemią a Słońcem. Jednak skutki słabszej teorii Kopca powinny być również wykrywalne w mniejszych skalach, na przykład w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

To prowadzi nas do misji Cassini, która okrążała Saturna od 2004 r. do jego ostatecznego zderzenia z planetą w 2017 r. Saturn okrąża Słońce na wysokości 10 jednostek astronomicznych. Z powodu odchylenia Mounda grawitacja reszty naszej galaktyki powinna spowodować, że orbita Saturna odbiega od oczekiwań Newtona.

Można to sprawdzić, synchronizując impulsy radiowe między Ziemią a Cassini. Ponieważ Cassini znajdowała się na orbicie wokół Saturna, umożliwiło to zmierzenie odległości między Ziemią a Saturnem i dokładne śledzenie orbity Saturna. Jednak Cassini nie znalazła żadnych anomalii, jakich można by się spodziewać w teorii Mounda. Prawo Newtona nadal działa dobrze w przypadku Saturna.

Jeden z nas, Harry Desmond, opublikował niedawno badanie, w którym szczegółowo omawia ustalenia. Może teoria Mounda pasuje do danych Cassini, jeśli zmodyfikujemy sposób obliczania mas galaktyk na podstawie ich jasności? Miałoby to wpływ na wzrost grawitacji, jaki MOND musiałby zapewnić, aby dostosować się do wzorców rotacji galaktyki, a tym samym na to, czego powinniśmy się spodziewać po orbicie Saturna.

Kolejna niepewność dotyczy grawitacji otaczających galaktyk, która ma niewielki wpływ. Jednak badanie wykazało, że ze względu na sposób, w jaki teoria Mounda musi działać, aby dopasować modele rotacji galaktyk, nie może ona również odpowiadać wynikom śledzenia radiowego Cassini – niezależnie od tego, jak dobrze ulepszymy obliczenia.

Przy standardowych założeniach, które astronomowie uważają za najbardziej prawdopodobne i które uwzględniają szeroki zakres niepewności, szanse, że Mound będzie zgodny z wynikami Cassini, są takie same, jak szanse na wylądowanie monetą rzuconą 59 razy z rzędu. To ponad dwukrotnie więcej niż złoty standard „5 sigma” dla odkrycia naukowego, co odpowiada około 21 rzutom monetą z rzędu.

Kolejne złe wieści dla Monda

To nie jedyna zła wiadomość dla teorii Monda. Innego testu dostarczają duże gwiazdy podwójne – dwie gwiazdy krążące wokół wspólnego centrum oddalonego o kilka tysięcy jednostek astronomicznych. Teoria Monda przewidywała, że ​​gwiazdy te powinny obracać się wokół siebie o 20% szybciej, niż oczekiwano zgodnie z prawami Newtona. Jednak jeden z nas, Indranil Panik, przeprowadził niedawno bardzo szczegółowe badania, które obalają tę prognozę. Prawdopodobieństwo, że Mond ma rację, biorąc pod uwagę te wyniki, jest takie samo, jak prawdopodobieństwo, że uczciwa moneta zostanie rzucona 190 razy z rzędu.

Wyniki innego zespołu pokazują, że teoria Munda również nie wyjaśnia małych ciał niebieskich znajdujących się w odległym zewnętrznym Układzie Słonecznym. Komety pochodzące z tego obszaru mają znacznie węższy rozkład energii, niż przewidywała teoria Mounda. Orbity tych ciał niebieskich są na ogół tylko nieznacznie nachylone w stosunku do płaszczyzny, w pobliżu której krążą wszystkie planety. Mond znacznie zwiększyłby pochylenie.

Grawitacja Newtona jest silnie faworyzowana w stosunku do grawitacji Moundiana w skalach długości mniejszych niż około rok świetlny. Jednak teoria Mounda zawodzi również w skalach większych niż galaktyki: nie jest w stanie wyjaśnić ruchów w gromadach galaktyk. Ciemna materia została po raz pierwszy wprowadzona przez Fritza Zwicky’ego w latach trzydziestych XX wieku, aby wyjaśnić losowe ruchy galaktyk w Gromadzie Warkocza, która do utrzymania ich razem wymaga większej grawitacji, niż może zapewnić widoczna masa.

Ponadto teoria Mounda nie jest w stanie zapewnić wystarczającej grawitacji, przynajmniej w centralnych obszarach gromad galaktyk. Ale na przedmieściach Monde przynosi dużo energii. Zamiast tego założenie, że grawitacja newtonowska, która zawiera pięć razy więcej ciemnej materii niż zwykła materia, wydaje się dobrze pasować do danych.

Jednak standardowy model kosmologiczny ciemnej materii nie jest doskonały. Są rzeczy, które trudno mu wyjaśnić, od tempa ekspansji wszechświata po gigantyczne struktury kosmiczne. Być może nie mamy jeszcze idealnego modelu. Wydaje się, że ciemna materia pozostanie tu na stałe, ale jej natura może różnić się od tej sugerowanej przez Model Standardowy. Możliwe jest również, że grawitacja rzeczywiście jest silniejsza, niż nam się wydaje, ale tylko w bardzo dużych skalach.

Ostatecznie teorii Mounda w jej obecnej formie nie można już uważać za realną alternatywę dla ciemnej materii. Może nam się to nie podobać, ale ciemna strona nadal zwycięża.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation: kliknij tutaj