Podle
Temná hmota byla navržena, aby vysvětlila, proč se hvězdy na vzdáleném okraji galaxie mohly pohybovat mnohem rychleji, než předpověděl Newton. Alternativní teorie gravitace by mohla být lepším vysvětlením.
Pomocí Newtonových fyzikálních zákonů můžeme poměrně přesně modelovat pohyby planet ve Sluneční soustavě. Na začátku 70. let však vědci zjistili, že to nefunguje pro diskové galaxie – hvězdy na jejich vnějších okrajích, daleko od gravitační síly veškeré hmoty v jejich středu – se pohybovaly mnohem rychleji, než předpovídala Newtonova teorie.
V důsledku toho fyzici navrhli, že neviditelná látka zvaná „temná hmota“ poskytuje extra gravitační přitažlivost, což způsobuje zrychlení hvězd – teorie, která se stala široce akceptovanou. V nedávném přehledu však moji kolegové a já navrhujeme, že pozorování v široké škále měřítek jsou mnohem lépe vysvětlena v alternativní teorii gravitace zvané Milgromova dynamika nebo Mond – nevyžadující žádnou neviditelnou hmotu. Poprvé to navrhl izraelský fyzik Mordehai Milgrom v roce 1982.
Mondův primární postulát je, že když gravitace velmi zeslábne, jak se to děje poblíž okraje galaxií, začne se chovat jinak než newtonovská fyzika. Tímto způsobem je možné vysvětlit, proč hvězdy, planety a plyn na okraji více než 150 galaxií rotují rychleji, než se očekávalo pouze na základě jejich viditelné hmoty. Mond však nejenom vysvětlit takové rotační křivky, v mnoha případech, to předpovídá jim.
Filosofové vědy tvrdili, že tato schopnost předpovědi činí Monda lepším než standardní kosmologický model, který navrhuje, že ve vesmíru je více temné hmoty než viditelné hmoty. Je to proto, že podle tohoto modelu mají galaxie vysoce nejisté množství temné hmoty, které závisí na podrobnostech o tom, jak galaxie vznikla – což ne vždy víme. To znemožňuje předpovědět, jak rychle by se měly galaxie otáčet. Ale takové předpovědi se s Mondem běžně dělají a zatím se potvrdily.
Představte si, že známe rozložení viditelné hmoty v galaxii, ale ještě neznáme rychlost její rotace. Ve standardním kosmologickém modelu by bylo možné s jistotou říci, že rychlost rotace bude na periferii vycházet mezi 100 km/sa 300 km/s. Mond dělá přesnější předpověď, že rychlost rotace musí být v rozmezí 180-190 km/s.
Pokud později pozorování odhalí rychlost rotace 188 km/s, pak je to v souladu s oběma teoriemi – ale jednoznačně je preferován Mond. Toto je moderní verze Occamovy břitvy – že nejjednodušší řešení je výhodnější než složitější, v tomto případě bychom měli vysvětlovat pozorování s co nejmenším počtem „volných parametrů“. Volné parametry jsou konstanty – určitá čísla, která musíme zapojit do rovnic, aby fungovaly. Ale nejsou dány teorií samotnou – není důvod, aby měly nějakou zvláštní hodnotu – takže je musíme měřit pozorováním. Příkladem je gravitační konstanta G v Newtonově gravitační teorii nebo množství temné hmoty v galaxiích v rámci standardního kosmologického modelu.
Zavedli jsme koncept známý jako „teoretická flexibilita“, abychom zachytili základní myšlenku Occamovy břitvy, že teorie s více volnými parametry je konzistentní s širším rozsahem dat – což ji činí složitější. V našem přehledu jsme tento koncept použili při testování standardního kosmologického modelu a Monda proti různým astronomickým pozorováním, jako je rotace galaxií a pohyby v kupách galaxií.
Pokaždé jsme dali teoretické skóre flexibility mezi –2 a +2. Skóre –2 znamená, že model vytváří jasnou a přesnou předpověď, aniž by nahlížel do dat. Naopak +2 implikuje „všechno jde“ – teoretici by byli schopni přizpůsobit téměř jakýkoli přijatelný výsledek pozorování (protože existuje tolik volných parametrů). Také jsme hodnotili, jak dobře každý model odpovídá pozorování, přičemž +2 značí vynikající shodu a –2 je vyhrazeno pro pozorování, která jasně ukazují, že teorie je špatná. Poté odečteme teoretické skóre flexibility od skóre pro shodu s pozorováními, protože dobře se shodovat s daty je dobré – ale schopnost přizpůsobit cokoli je špatné.
Dobrá teorie by poskytla jasné předpovědi, které jsou později potvrzeny, v ideálním případě by získaly kombinované skóre +4 v mnoha různých testech (+2 -(-2) = +4). Špatná teorie by získala skóre mezi 0 a -4 (-2 -(+2)= -4). Přesné předpovědi by v tomto případě selhaly – je nepravděpodobné, že by fungovaly se špatnou fyzikou.
Zjistili jsme průměrné skóre pro standardní kosmologický model –0,25 ve 32 testech, zatímco Mond dosáhl průměru +1,69 ve 29 testech. Skóre pro každou teorii v mnoha různých testech jsou uvedeny na obrázcích 1 a 2 níže pro standardní kosmologický model a Mond, v tomto pořadí.
Obrázek 1. Porovnání standardního kosmologického modelu s pozorováními založenými na tom, jak dobře data odpovídají teorii (zlepšení zdola nahoru) a jak velkou flexibilitu měla při přizpůsobení (rostoucí zleva doprava). Dutý kruh se v našem hodnocení nezapočítává, protože tato data byla použita k nastavení volných parametrů. Převzato z tabulky 3 naší recenze. Kredit: Arxiv
Obrázek 2 Podobně jako na obrázku 1, ale pro Monda s hypotetickými částicemi, které interagují pouze prostřednictvím gravitace, nazývané sterilní neutrina. Všimněte si nedostatku jasných falzifikátů. Převzato z tabulky 4 našeho přehledu. Kredit: Arxiv
Okamžitě je zřejmé, že u Monda nebyly identifikovány žádné zásadní problémy, což alespoň věrohodně souhlasí se všemi údaji (všimněte si, že spodní dva řádky označující falzifikáty jsou na obrázku 2 prázdné).
Problémy s temnou hmotou
Jedno z nejnápadnějších selhání standardního kosmologického modelu se týká „galaxních příček“ – tyčovitých jasných oblastí tvořených hvězdami – které spirální galaxie často mají ve svých centrálních oblastech (viz hlavní obrázek). Tyče se časem otáčejí. Pokud by galaxie byly zasazeny do masivních halos temné hmoty, jejich příčky by se zpomalily. Nicméně většina, ne-li všechny, pozorované příčky galaxií jsou rychlé. To falšuje standardní kosmologický model s velmi vysokou spolehlivostí.
Dalším problémem je, že původní modely, které naznačovaly, že galaxie mají halo temné hmoty, udělaly velkou chybu – předpokládaly, že částice temné hmoty poskytují hmotě kolem ní gravitaci, ale nebyly ovlivněny gravitační přitažlivostí normální hmoty. To zjednodušilo výpočty, ale neodráží to realitu. Když se to vzalo v úvahu v následujících simulacích, bylo jasné, že halo temné hmoty kolem galaxií spolehlivě nevysvětluje jejich vlastnosti.
Existuje mnoho dalších selhání standardního kosmologického modelu, který jsme zkoumali v našem přehledu, přičemž Mond je často schopen přirozeně vysvětlit pozorování. Důvodem, proč je standardní kosmologický model přesto tak populární, by mohly být chyby ve výpočtu nebo omezené znalosti o jeho selháních, z nichž některé byly objeveny poměrně nedávno. Mohlo to být také způsobeno neochotou lidí vyladit teorii gravitace, která byla tak úspěšná v mnoha jiných oblastech fyziky.
Obrovský náskok Monda před standardním kosmologickým modelem v naší studii nás vedl k závěru, že Mond je silně upřednostňován dostupnými pozorováními. I když netvrdíme, že Mond je dokonalý, stále si myslíme, že je celkový obraz správný – galaxie skutečně postrádají temnou hmotu.
Napsal Indranil Banik, postdoktorandský vědecký pracovník astrofyziky, University of St Andrews.
Tento článek byl poprvé publikován v The Conversation.
Reference: “Od galaktických příček k Hubbleovu napětí: Zvážení astrofyzikálních důkazů pro Milgromskou gravitaci
od Indranil Banik a Hongsheng Zhao, 27. června 2022, Symetrie.
DOI: 10.3390/sym14071331