Oktoobris olid LIGO ja tema Euroopa kolleeg VIRGO tunnistajaks gravitatsiooniliste lainete väljahingamisele, mis puhkesid kahe neutronitähe vahel hingematvas kokkupõrkes. See enneolematu sündmus nägi välja nagu järjekordne triumf uut tüüpi astronoomia jaoks - see võiks kasutada gravitatsioonilaineid, et proovida mõnda universumi sügavaimat saladust. Kuid kogu põnevusega ei pannud enamik inimesi tähele, et midagi oleks surnud: terve rühm teooriaid, mis kujutavad endast universumit, kus pole tumedat ainet.
Seotud sisu
- Teadlased märkasid sädet neutronitähtede iidsest kokkupõrkest
- Kolm gravitatsiooniliste lainete tuvastuse taga olevat teadlast pälvisid füüsika Nobeli preemia
- Teadlased tuvastavad neljanda gravitatsioonilaine, liikudes iidses musta augu kokkupõrkes
Täpselt nii: LIGO uudiste vähemtuntud tagajärg on see, et võib-olla näeme olulist tumeda asja arutelu ümberkujundamist - asju, mis näivad gravitatsiooniliselt meelitavat nähtavat materjali ja painutavad ruumi, kuid mida ei saa näha . Florida ülikooli füüsikaprofessori Richard Woodardi ArXivi eeltrükiserverisse postitatud paberi järgi tühistab hiljutine vaatlus teooriate klassi, mis püüdsid selgitada gravitatsiooni käitumist galaktika suurusega skaaladel, millel pole tumedat ainet.
Woodard märgib, et mõned neist teooriatest, mida nimetatakse modifitseeritud gravitatsiooniks (MOG) või modifitseeritud Newtoni dünaamikaks (MOND), ennustavad gravitatsioonilainete ja kergete lainete saabumist eri aegadel. Kuid LIGO võttis gravitatsioonilained ja valguse kahelt põrkuvalt neutrontähelt teineteisest umbes 2 sekundi jooksul. Kuna mõlema allikas asus 130 miljoni valgusaasta kaugusel, on erinevus vaid 1, 5 osa umbes 1, 5 kvadriljonis. Põhimõtteliselt saabusid nad samal ajal.
Seda tüüpi mudelitest, millest Woodard räägib - mida ta nimetab "tumeaine emulaatoriteks" - üritatakse dubleerida tumeaine mõju, eeldades, et gravitatsioon käitub teisiti, kui enamik teadlasi arvab. "Meie paber ei välista kindlasti kõiki modifitseeritud raskusjõu mudeleid, mis ei sõltu tumedast ainest, " täpsustas Woodard. "See kehtib just nende suure klassi kohta."
Ehkki nad võivad olla tabanud löögi, ei lähe pimedusevastase aine teoreetikud ilma võitluseta alla.
…
Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria tees kõverdavad ruumi massiivsed objektid. Footonikiir - mida muidu nimetatakse ka valguseks - kulgeb kahe punkti vahel kõige lühemal kaugusel (mis ei ole alati sirgjoon). Üldrelatiivsus ütleb, et gravitatsioonilained ja valgus liiguvad samadel joontel ehk mõõdikutega.
Kuid kuigi üldrelatiivsusteooria on juba hilja tagantjärele õigustatud, pole see viimane sõna. Mõnedel alternatiivsetel gravitatsiooniteooriatel olid gravitatsioonilained, mis liikusid valguse poolt teistsugusele teele ehk meetermõõdule. Selle efekti saavutamiseks peaks modifitseeritud gravitatsiooniteooria kohaselt positsioneerima, et gravitatsiooniliste lainete teekondi mõjutab ainult meie nähtav aine, samas kui nähtav aine mõjutab valgust (footoneid) ja mis kõik kopeerib efekte, mis näevad välja nagu tumedad ained.
Selle stsenaariumi korral saabuvad gravitatsioonilained ja valgus väga erinevatel aegadel. Kuid kuna LIGO nägi, et mõlemad jõudsid üksteisele nii lähedale, näib see mõjuva tõendusmaterjalina, et gravitatsioon toimib nii, nagu Einsteini teooria ütleb - mis omakorda tugevdaks tumeaine asja.
Kuid kaua enne LIGO-d polnud mõned füüsikud rahul tumeda ainega ja töötasid välja muid teooriaid, mis püüdsid selgitada astronoomide nägemust. Üks teooriakomplekt on tuntud kui tensovektor-skalaarne gravitatsioon (TeVeS), mis lisab gravitatsioonile lisavälja. Jacob Bekensteini poolt 2004. aastal välja töötatud süsteem oli juba mõne tule all, kuna tundus, et see nõuab neutriinode massiivsust, kui füüsikud on seni hinnanud, ja see ei andnud alati stabiilseid tähti. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) lisab ka teise välja, ehkki erinevalt TeVeS-ist. Teooria ütleb, et gravitatsioon tugevneb, kui skaleerute Päikesesüsteemist galaktikatesse ja seejärel galaktikaparvedesse. Need on need kaks teooriaklassi, mille Woodard väidab, et viimased andmed on välistatud.
Te arvate, et füüsikud nõustuvad lõpuks sellega, et tume aine on olemas, ükskõik mis kujul see ka pole. Õige? Noh, modifitseeritud raskusjõu pooldajad ütlevad, et neid pole veel tehtud.
Kanadas Waterloos asuva Perimeetri Instituudi teadlane John Moffat ütleb, et Woodard on oma teooria lihtsalt valesti kirjeldanud. "Nad ei selgita, miks minu MOG-i on võltsitud, " ütles ta meilisõnumis. "On tõsi, et neutrontähtede ühinemise andmed välistavad need MOND-teooriad. Seetõttu näib, et minu MOG on ainus säilinud gravitatsiooniteooria, mis suudab praeguses universumis selgitada galaktikate, galaktikate klastrite andmeid ja kosmoloogia andmeid ilma tuvastatava tumeaineta. . " Moffat ütleb, et tema teooria ennustab tegelikult, et valguse ja gravitatsiooni lained saabuvad samal ajal.
"Parim viis selle tulemuse tõlgendamiseks ei ole tumeda aine õigsuse tõestamine, vaid pigem piiramine, kuidas modifitseeritud gravitatsiooniteooriaid tuleb konstrueerida, kui nad soovivad sellest loobuda, " sõnas Woodard.
Erinevad teed
1970. aastatel leidis Carnegie Instituudis asunud hilisastronoom Vera Rubin, et see nähtav aine ei liikunud aeglasemalt, kui galaktika keskusest välja läheb (viis, kuidas planeedid liiguvad aeglasemalt, kui üks eemaldub päikesest). Teatud hetkel liikus see kõik sama kiirusega. Kas galaktikate ümber oli palju hajutatud massi, mida me ei näinud, või gravitatsioon käitus viisil, mida varem polnud näha.
Varased selgitused nähtamatule küsimusele hõlmasid: gaasi, petturlikke planeete, neutriinoid ja isegi mustaid auke. Lõpuks loobuti kõigist tumeaine praeguse ettekujutuse kasuks, mis koosnes millestki, mis interakteerus ainult gravitatsiooni kaudu.
Kuid mõned füüsikud leidsid, et tumeaine idee on liiga mugav - see leiutati just selleks, et matemaatika toimiks. Võib-olla töötas gravitatsioon erinevatel skaaladel erinevalt ja üldrelatiivsus lihtsalt ei arvestanud sellega, nad teoreetiliselt tegid.
Iisraeli Weizmanni teadusinstituudi emeriitprofessor Mordehai Milgrom oli üks esimesi MOND-i teoreetikuid, kes tegi oma versiooni välja 1980ndatel. Tema teooria keskmes on gravitatsioonilise dünaamika muutumine, kui gravitatsioonijõust tulenevad kiirendused jäävad allapoole teatud piiri. Samuti positsioneerib ta seda, et raskusjõud ja kerge liikumine toimivad erinevatel mõõdikutel.
Need teooriad koos kujutavad vähemalt tumeda ainega seotud probleemide lähenemist - kui mitte tõsist ohtu - seni ”.
Dark Matter FTW
Tume aine ei seleta ainult pöördekõveraid. See hõlmas ka gravitatsioonilise läätse vaatlusi - valguse painutamist massiivsete objektide poolt. Kui vaatame mõnda kaugemat galaktikat, näeme objekte nende taga justkui läbi objektiivi, üldrelatiivsuse kohta. Valgus on painutatud summa võrra, mida nähtava massiga ei saa seletada. See oli veel üks tõendusmaterjal tumeda aine kohta (või midagi sellist).
Tume aine võib selgitada ka seda, miks kosmiline mikrolaine taust näeb välja selline: keskmiselt on see ühtlane, kuid väiksema skaala korral on see kohmakas, nagu võiks eeldada tumeda aine universumis. "Üks asi, millest tumeda aine teoreetikud kunagi ei räägi, on see, et kui teil pole tumedat ainet, ei teki te [kosmilise mikrolaine taustal] konarusi, " ütleb Will Kinney, kes on füüsika professor Buffalo ülikool. "Minu teada ei olnud ühelgi alternatiivsel tumeda aine teoorial (kosmilise mikrolaine fooni) spektri põrketele kunagi mingit seletust. See juba iseenesest ütleb mulle, et need teooriad ei toimi."
Üks hea näide on Bullet-klaster, kosmosepiirkond, kus kaks galaktikaparve põrkuvad. Klastri vaatlusel ilmnevad läätseefektid, mis ei ühti selles sisalduva nähtava ainega. Kui aga eeldatakse, et tumeaine on olemas, kuid pole veel klastri ümber asunud, sobib lääts tumeaine teooriasse, ütles Kinney.
MOND juhtum
Isegi nii reageerivad modifitseeritud gravitatsiooni arhitektid probleemidele, mis tumeda ainega on. Üks on anomaalia Bullet Clusteri ümber - sama, mis enamiku sõnul toetab tumeda aine teooriat. Mõnede tähelepanekute kohaselt kiireneb Bullet Cluster liiga kiiresti; isegi kui eeldada tumedat ainet, on kiirused "valed". Samuti ennustab tumeaine mõne galaktika pöörlemiskiirusi halvemini kui modifitseeritud gravitatsioon.
Lisaks näivad mõned galaktikad, millel on vähem nähtavat ainet, endiselt massiivsemad. Selle põhjuseks võib olla palju tumedaid aineid, kuid pole mingit konkreetset põhjust, mis peaks nii olema. MOND teooriad lähevad selles punktis paremini. "MOND-l on rohkem ennustamisvõimet. Selle abil saab ennustada ilmselt tumeda aine domineerivate galaktikate kinemaatikat. Te ei saa sama ennustust teha tumeda ainega. Kõik, mida saab öelda, on" Vean kihla, et madala pinna heledusega galaktikas on palju pimedat tähtis! "" ütles Case Western Reserve'i ülikooli astrofüüsik Stacy McGaugh, kes on töötanud modifitseeritud gravitatsiooniteooriate kallal. "See põhineb eelneval kogemusel, mitte teoorial, mille kohta pole kokkulepitud ennustust."
Teine probleem on nimetatud asja jaotamine. Milgrom märgib, et peaaegu kõigis seni täheldatud galaktikates on pöördekõverad sama kujuga kuni punktini, kus raskusjõu kiirendus keskpunkti suunas on ruudus sekundis umbes kümme miljardi meetri kohta (umbes sama gravitatsioonijõud, mida keegi tundis 10-kilogrammisest kaalust kahe meetri kaugusel).
Kui tume aine on olemas, ei saa eeldada, et see jaotatakse alati just nii. See oleks nagu käia kõigis maakera maades ja leida, et sissetulekute jaotus oli täpselt sama, hoolimata iga riigi väga erinevast ajaloost.
"[Tumeda aine] paradigmas on tänapäeva dünaamika uuritava üksiku galaktika keeruka, kataklüsmilise ja teadmatuse tagajärg: sellest, kui palju ühinemisi see toimus ja kui vägivaldsed nad olid, paroonide väljutamisel galaktika mitmesuguste halvasti mõistetavate protsesside jms tõttu, "ütleb ta. Ta lisas, et MOND-teooriad teevad galaktika liikumise ennustamisel paremat tööd.
Isegi Milgrom möönab, et on piirkondi, mida MOND teooriad ka ei ennusta, isegi nende relativistlikes MOG-versioonides - näiteks mitte kosmilise mikrolaine tausta taasesitamiseks. "Me vajame MOND laiendamist, mis arvestaks ka kosmoloogiaga. Sellega me töötame."
Saksamaa Frankfurdi kõrgharidusuuringute instituudi teadur Sabine Hossenfelder nõustub, et Woodardi tähelepanek muudaks teatud tüüpi MOND või MOG aegunuks, kuid pole samuti veendunud, et lahendus on tume aine. "On peaaegu kindlasti õige, et vaatlus välistab teooriad eeldustega, mille nad paberil loetlevad. Kuid on ebaselge, millised modifitseeritud gravitatsiooniteooriad, kui neid on, eeldused tegelikult täidavad, " ütles ta. Oma blogis märkis ta, et tumeaine toimib kõikides skaalades, samas kui modifitseeritud raskusjõud ei toimi kosmoloogia jaoks samuti.
Astrofüüsiku ja autori Ethan Siegeli sõnul on tõenäosus, et LIGO tähelepanekud muudavad paljud modifitseeritud raskusjõu väljad kehtetuks. Nagu Hossenfelder, usub ta, et MOND probleemiks on kaalu, mida see kirjeldab. "Moffatil on õigus: MOND toimib paremini kui galaktiliste skaalade tumeaine. Kui vaadata üksikuid galaktikaid ja nende dünaamilisi omadusi, on MOND-l eelis. MOND ebaõnnestub kõigil muudel skaaladel kui see." Mõned Milgromi teooriad võiksid tema sõnul jääda ellu - kui Milgromi väide, et gravitatsioon järgib teistsuguseid reegleid kui universumi asi, vastab tõele. "See on teooria, mis võib neid gravitatsioonilise laine tulemusi ikkagi üle elada."
Ja hoolimata oma tööst gravitatsiooni alternatiivide kallal, ütles McGaugh, et on asju, mida ainult tumeaine saab mõtestada. "Ma ei näe, kuidas ilma selleta kosmilise mikrolaine tausta või galaktikate klastrite (kõik rikkad klastrid, mitte ainult kuuliklaster) lahti seletada, " ütleb ta. "See ei tähenda, et see ei saaks juhtuda, kuid praegu Ma ei näe muud mõistlikku seletust. " Samal ajal pole ta veel kummalegi poole pühendunud. "Kumbki pole veenev, " ütleb ta.
Teisisõnu, oodake, et arutelu märatseks ka lähitulevikus - kahe neutronitähe kokkupõrkel.
