Lokakuussa LIGO ja sen vastaava edustaja VIRGO näkivät painovoima-aaltojen räjähtävän henkeäsalpaavasta törmäyksestä kahden neutronitähden välillä. Tämä ennennäkemätön tapahtuma näytti jälleen olevan uuden tyyppisen tähtitieteen voitto, joka voisi käyttää painovoima-aaltoja koettaaksesi joitain maailmankaikkeuden syvimmistä mysteereistä. Mutta kaikessa jännityksessä suurin osa ihmisistä ei huomannut, että jotain olisi kuollut: koko joukko teorioita, jotka edustavat maailmankaikkeutta, jolla ei ole tummaa ainetta.
Asiaan liittyvä sisältö
- Tutkijat havaitsivat kipinän muinaisesta neutronitähtien törmäyksestä
- Kolme tutkijaa painovoima-aaltojen havaitsemisen takana sai Nobel-palkinnon fysiikassa
- Tutkijat havaitsevat neljännen painovoima-aallon, matkalla muinaiseen mustanreiän törmäykseen
Se on totta: LIGO-uutisten vähemmän tunnettu seuraus on, että saatamme olla näkemässä merkittävää tumman aineen keskustelun muutosta - tavaroita, jotka näyttävät houkuttelevan painovoimaisesti näkyvää materiaalia ja taivuttavaa tilaa, mutta joita ei voida nähdä . Floridan yliopiston fysiikan professori Richard Woodardin ArXiv-esijulkaisupalvelimelle lähettämän tutkimuksen mukaan äskettäinen havainto mitätöi luokan teorioita, jotka yrittivät selittää painovoiman käyttäytymistä galaksikokoisissa vaa'oissa, joissa ei ole pimeää ainetta.
Woodard toteaa, että jotkut niistä teorioista, jotka tunnetaan nimellä modifioitu painovoima (MOG) tai modifioitu Newtonin dynamiikka (MOND), ennustavat, että painovoima- ja valoaallot saapuvat eri aikoihin. Silti LIGO otti gravitaatioaallot ja valon kahdesta törmäävästä neutronitähdistä noin 2 sekunnin päässä toisistaan. Koska molemmat lähteet olivat 130 miljoonan valovuoden päässä, ero on vain yksi osa noin 1, 5 kvadriljoonaa. Pohjimmiltaan he saapuivat samaan aikaan.
Tyyppisistä malleista, joista Woodard puhuu - joita hän kutsuu "pimeän aineen emulaattoreiksi" - yrittämisestä toistaa pimeän aineen vaikutuksia olettaen, että painovoima käyttäytyy eri tavalla kuin useimmat tutkijat ajattelevat. "Paperiomme ei ehdottomasti sulje pois kaikkia modifioituja painovoimamalleja, joista ei ole mitään pimeää ainetta", Woodard selvensi. "Se koskee vain suurta luokkaa heistä."
Vaikka tumman aineen vastaiset teoreetikot ovat joutuneet kohtaamaan iskun, he eivät mene alas ilman taistelua.
...
Albert Einsteinin teoreettisessa suhteellisuusteoriassa avaruus on kaareva massiivisten esineiden avulla. Fotonisäde - jota kutsutaan muuten valoksi - kulkee lyhyimmän matkan päässä kahden pisteen välillä (joka ei ole aina suoraa). Yleinen suhteellisuustekijä sanoo, että painovoima-aallot ja valo liikkuvat samoilla linjoilla tai metrillä.
Mutta vaikka yleinen suhteellisuusteoria on hylätty myöhään, se ei ole viimeinen sana. Joissakin vaihtoehtoisissa painovoimateorioissa gravitaatioaallot liikkuivat valolta toiselle tielle tai metrille. Tämän vaikutuksen saavuttamiseksi muokatun painovoimateorian olisi pitänyt katsoa, että vain näkemä aine vaikuttaa gravitaatioaaltojen polkuihin, kun taas näkyvä aine vaikuttaa valoon (fotoneihin) ja mikä tahansa kopioi pimeän aineen vaikutelmia.
Tuossa skenaariossa painovoima-aallot ja valo saapuvat huomattavasti eri aikoihin. Mutta koska LIGO näki molemmat saapuvan niin lähelle toisiaan, näyttää siltä, että voimakas todiste siitä, että painovoima toimii Einsteinin teorian mukaan, toimii - mikä puolestaan vahvistaisi tumman aineen tapausta.
Jotkut fyysikot olivat kuitenkin kauan ennen LIGO: ta tyytymättömiä pimeään aineeseen ja kehittivät muita teorioita, jotka pyrkivät selittämään, mitä tähtitieteilijät näkevät. Yksi teoriajoukko tunnetaan nimellä Tensor-vector-scalar gravity (TeVeS), joka lisää ylimääräisen kentän painovoimaan. Jacob Bekensteinin vuonna 2004 kehittämä, oli jo jonkin verran tulen alla, koska se näytti vaativan enemmän massiivisia neutriinoja kuin mitä fyysikot ovat tähän mennessä arvioineet, eikä se aina tuottanut vakaita tähtiä. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) lisää myös toisen kentän, tosin eri tavalla kuin TeVeS. Teorian mukaan painovoima vahvistuu, kun skaalaudut aurinkokunnasta galakseihin ja sitten galaksiklustereihin. Woodardin mukaan nämä kaksi teorialuokkaa ovat viimeisimpien tietojen perusteella suljettu pois.
Luulit, että fyysikot hyväksyvät vihdoin tumman aineen olemassa olevan missä tahansa muodossa se voi olla. Oikea? No, muutetun painovoiman kannattajat sanovat, että niitä ei ole vielä tehty.
Kanadan Waterloossa sijaitsevan kehäinstituutin tutkija John Moffat sanoo, että Woodard vain kirjoitti väärin teoriaansa. "Ne eivät anna selitystä miksi MOG-tiedostoni on väärennetty", hän sanoi sähköpostissa. "On totta, että nämä MOND-teoriat suljetaan neutronitähtien sulautumistietojen perusteella. Siksi vaikuttaa siltä, että MOG on ainoa selvinnyt painovoimatoteoria, joka voi selittää galaksi-, galaksi-klusteritiedot ja kosmologiatiedot ilman havaittavissa olevaa pimeää ainetta nykyisessä universumissa. ." Moffat sanoo, että hänen teoriansa tosiasiassa ennustaa, että valo- ja gravitaatioaallot saapuvat samaan aikaan.
"Paras tapa tulkita tätä tulosta ei ole todistaa tumman aineen oikeellisuudesta, vaan pikemminkin rajoittamalla sitä, kuinka modifioidut painovoimateoriat on rakennettava, jos ne pyrkivät luopumaan siitä", Woodard sanoi.
Eri polut
1970-luvulla myöhäinen tähtitieteilijä Vera Rubin, joka oli sitten Carnegie-instituutiossa, havaitsi, että näkyvä aine ei liikkunut hitaammin, kun se menee ulos galaktisesta keskustasta (tapa, jolla planeetat liikkuvat hitaammin, kun yksi siirtyy pois auringosta). Tietyn ajankohtana se kaikki liikkui samalla nopeudella. Joko galaksien ympärillä oli paljon hajaantunutta massaa, jota emme nähneet, tai painovoima käyttäytyi tavoilla, joita ei ennen ollut näkyvissä.
Varhaiset selitykset näkymättömälle asialle olivat: kaasu, roisto planeetat, neutriinot ja jopa mustat aukot. Lopulta kaikki hylättiin pimeän aineen nykyisen käsityksen puolesta, joka on tehty jostakin, joka oli vuorovaikutuksessa vain painovoiman kautta.
Kuitenkin muutamat fyysikot pitivät pimeän aineen ajatusta liian kätevänä, jotain keksittiin vain matematiikan toimimiseksi. Ehkä painovoima toimi eri tavoin eri asteikkoissa, ja yleinen suhteellisuusteoria yksinkertaisesti ei ottanut sitä huomioon, he teorisoivat.
Israelin Weizmannin tiedeinstituutin emeritusprofessori Mordehai Milgrom oli yksi varhaisista MOND-teoreetikoista, joka ehdotti versiotaan 1980-luvulla. Hänen teoriansa ytimessä on, että painovoimat dynamiikka muuttuu, kun painovoiman aiheuttamat kiihtyvyydet alittavat tietyn rajan. Hän positioi myös sitä, että painovoima ja valo liikkuvat erilaisissa mittareissa.
Yhdessä nämä teoriat esittivät, ellei vakava uhka, ainakin pimeän aineen ongelmien lähestymistavat - tähän asti. "
Dark Matter FTW
Tumma aine ei selittänyt vain kiertokäyrää. Se otti huomioon myös gravitaation linssien havainnot - massiivisten esineiden aiheuttama valon taivutus. Kun katsomme joitain kaukaisia galakseja, näemme niiden takana olevat esineet ikään kuin linssin läpi, suhteellista suhteellisuutta kohden. Valoa taivutetaan määrällä, jota ei voida selittää näkyvällä massalla. Tämä oli jälleen todiste tummasta aineesta (tai jotain sellaista).
Tumma aine voi myös selittää miksi kosmisen mikroaaltouuni-tausta näyttää miltä se näyttää: se on keskimäärin tasainen, mutta pienemmissä mittakaavoissa se on kömpelö, kuten tumman aineen universumissa voidaan olettaa. "Yksi asioista, joista tumman aineen teoreetikot eivät koskaan puhu, on, että jos sinulla ei ole pimeää ainetta, et saa pompuja [kosmisessa mikroaaltotaustassa]", sanoo Will Kinney, fysiikan professori. Buffalon yliopisto. "Minun tietoni mukaan yhdelläkään vaihtoehtoisista tumman aineen teorioista ei koskaan ollut mitään selitystä (kosmisen mikroaaltotausta) -spektrin törmäyksistä. Se itsessään kertoo minulle, että nämä teoriat eivät aio toimia."
Yksi hyvä esimerkki on Bullet-klusteri, avaruusalue, jossa kaksi galaksiklusteria törmää yhteen. Klusterin havainnot osoittavat linssivaikutuksia, jotka eivät ole linjassa siinä näkyvän aineen kanssa. Jos kuitenkin oletetaan, että tummaa ainetta on läsnä, mutta se ei ole vielä asettunut klusterin ympärille, linssi sopii tumman aineen teoriaan, Kinney sanoi.
MOND-tapaus
Silti muunnetun painovoiman arkkitehdit vastaavat tumman aineen ongelmiin. Yksi on poikkeavuus Bullet-klusterin ympärillä - sama, joka useimpien mielestä tukee tumman aineen teoriaa. Joidenkin havaintojen mukaan bullet-klusteri kiihtyy liian nopeasti; edes olettaen, että tumma aine, nopeudet ovat "vääriä". Pimeä aine ennustaa myös joidenkin galaksien pyörimisnopeudet huonommin kuin muokattu painovoima.
Lisäksi jotkut galaksit, joissa näyttää olevan vähemmän näkyviä aineita, näyttävät edelleen massiivisilta. Se voi johtua paljon pimeästä aineesta, mutta ei ole erityistä syytä, minkä pitäisi olla kyse. MOND-teoriat toimivat paremmin siinä pisteessä. "MOND: llä on enemmän ennustevoimaa. Sitä voidaan käyttää ennustamaan näennäisesti pimeän aineen hallitsevien galaksien kinematiikkaa. Et voi tehdä samaa ennustusta tumman aineen kanssa. Voit vain sanoa, että" Lyön vetoa, että matalan pinnan kirkkauden galaksissa on paljon tummaa asia! "" sanoi Stacy McGaugh, Case Western Reserve Universityn astrofysiikko, joka on työskennellyt muokattujen painovoimateorioiden kanssa. "Tämä perustuu aikaisempaan kokemukseen, ei teoriaan, jolle ei ole sovittua ennustetta."
Toinen kysymys on mainitun asian jakelu. Milgrom toteaa, että melkein kaikissa tähän mennessä havaituissa galakseissa pyörimiskäyrät ovat samanmuotoiset pisteeseen, jossa painopisteen aiheuttama kiihtyvyys kohti keskustaa on noin kymmenen miljardia metriä sekunnissa neliö (suunnilleen sama gravitaatiovoima, jonka joku tunsi kahden metrin päässä 10-kiloisesta painosta).
Jos pimeää ainetta on olemassa, ei pitäisi odottaa sen jakautuvan juuri niin. Se olisi kuin käydä kaikissa maapallon maissa ja huomata, että tulonjako oli täsmälleen sama, huolimatta kunkin maan hyvin erilaisesta historiasta.
"[Pimeän aineen] paradigmassa nykypäivän dynamiikka on seurausta tutkittavan yksittäisen galaksin monimutkaisesta, kataklysmisestä ja tietämättömästä historiasta: kuinka monessa sulautumisessa se toteutettiin ja kuinka väkivaltaisia ne olivat, baryonien poistossa galaksi johtuu monista huonosti ymmärrettävistä prosesseista jne. ", hän sanoo. Hän lisäsi, että MOND-teoriat ennustavat galaksien liikettä tässä suhteessa paremmin.
Jopa Milgrom myöntää, että on joitain alueita, joita MOND-teoriat eivät myöskään ennakoi, jopa relativistisissa MOG-versioissaan - eivät esimerkiksi toista havaittua kosmista mikroaaltotaustaa. "Tarvitsemme MOND: n laajennusta, joka vastaa kosmologiasta. Tätä me työskentelemme."
Saksan Frankfurtin syventävän tutkimuksen instituutin tutkija Sabine Hossenfelder on samaa mieltä siitä, että Woodardin havainto merkitsisi tietyn tyyppisten MOND- tai MOG-vanhenemista, mutta ei myöskään ole vakuuttunut siitä, että vastaus on pimeä aine. "On melkein totta, että havainto sulkee teoriat pois oletuksilla, jotka ne on lueteltu paperissa. Mutta on epäselvää, mitkä muutetut painovoimateoriat tosiasiallisesti täyttävät oletukset", hän sanoi. Blogissaan hän totesi, että tumma aine toimii kaikissa mittakaavoissa, kun taas modifioitu painovoima ei toimi yhtä hyvin kosmologialle.
Astrofysiikan tekijä ja kirjailija Ethan Siegel sanoi, että todennäköisyys on, että LIGO-havainnot mitätöivät paljon modifioituja painovoimakenttiä. Hossenfelderin tavoin hän uskoo MOND: n ongelmaksi sen kuvaamia asteikkoja. "Moffat on oikeassa: MOND menee paremmin kuin tumma aine galaktisissa mittakaavoissa. Jos tarkastellaan yksittäisiä galakseja ja niiden dynaamisia ominaisuuksia, MOND: llä on etuna. MOND epäonnistuu kaikissa muissa mittakaavoissa paitsi." Jotkut Milgromin teorioista, hän sanoi, saattavat selviytyä - jos Milgromin väite, jonka mukaan painovoima noudattaa erilaisia sääntöjä kuin mitä universumin asia tekee, on totta. "Tämä on teoria, joka saattaa silti selviytyä näistä gravitaatioaaltotuloksista."
Ja huolimatta työstään painovoiman vaihtoehdoista, McGaugh sanoi, että on asioita, joissa vain pimeällä aineella voi olla järkeä. "En tiedä kuinka selittää kosmisen mikroaaltouunnan taustaa tai galaksiklusteria (kaikki rikkaat klusterit, ei vain luodin klusteri) ilman sitä", hän sanoo. "Tämä ei tarkoita, että sitä ei voi tapahtua, mutta tällä hetkellä En näe muuta selkeää selitystä. " Samalla hän ei ole vielä sitoutunut kumpaankaan puoleen. "Kumpikaan ei ole vakuuttava", hän sanoo.
Toisin sanoen odota, että keskustelu jatkaa raivostumista lähitulevaisuudessa - kahden neutronitähden törmäyksessä.
