В октябре LIGO и его европейский аналог, VIRGO, стали свидетелями гравитационных волн, исходящих из захватывающего столкновения между двумя нейтронными звездами. Это беспрецедентное событие выглядело как очередной триумф нового вида астрономии, который мог бы использовать гравитационные волны, чтобы исследовать некоторые из самых глубоких тайн вселенной. Но при всем волнении большинство людей не замечали, что что-то умерло: целая группа теорий, которые утверждают, что во вселенной нет темной материи.
Связанный контент
- Ученые обнаружили искру от древнего столкновения нейтронных звезд
- Трое ученых за обнаружением гравитационных волн удостоены Нобелевской премии по физике
- Ученые обнаружили четвертую гравитационную волну, обнаружившую столкновение древней черной дыры
Это верно: менее известное последствие новостей LIGO состоит в том, что мы можем увидеть значительное изменение дебатов по темной материи - материал, который кажется гравитационно притягивающим видимый материал и искривляющее пространство, но невидимым, Согласно статье, опубликованной на сервере препринтов ArXiv Ричардом Вудардом, профессором физики из Университета Флориды, недавнее наблюдение сводит на нет класс теорий, которые пытались объяснить поведение гравитации в масштабах галактики без темной материи.
Вудард отмечает, что некоторые из этих теорий, известных как модифицированная гравитация (MOG) или модифицированная ньютоновская динамика (MOND), предсказывают, что гравитационные волны и световые волны будут приходить в разное время. И все же LIGO улавливал гравитационные волны и свет от двух сталкивающихся нейтронных звезд в течение примерно 2 секунд друг от друга. Поскольку источник того и другого находился на расстоянии 130 миллионов световых лет, разница составляет всего 1 часть примерно в 1, 5 квадриллиона. По сути, они прибыли в одно и то же время.
Типы моделей, о которых говорит Вудард - которые он называет «эмуляторами темной материи» - пытаются дублировать эффекты темной материи, предполагая, что гравитация ведет себя не так, как думает большинство ученых. «Наша статья определенно не исключает всех модифицированных гравитационных моделей, которые обходятся без темной материи», - пояснил Вудард. «Это относится только к большому классу из них».
Тем не менее, хотя они, возможно, столкнулись с ударом, теоретики против темной материи не рухнут без боя.
...
В теории относительности Альберта Эйнштейна пространство искривляется массивными объектами. Луч фотонов - иначе известный как свет - проходит по кратчайшему расстоянию между двумя точками (которое не всегда является прямой линией). Общая теория относительности говорит, что гравитационные волны и свет движутся по одной линии или метрике.
Но в то время как общая теория относительности была подтверждена в последнее время, это не последнее слово. В некоторых альтернативных теориях гравитации гравитационные волны движутся по свету по другой траектории или метрике. Чтобы получить этот эффект, модифицированная теория гравитации должна была бы установить, что на пути гравитационных волн влияет только видимая материя, которую мы видим, тогда как свет (фотоны) будет зависеть от видимой материи и любых других эффектов, которые похожи на темную материю.
В этом случае гравитационные волны и свет будут приходить в разное время. Но поскольку LIGO видел, что оба они оказались так близко друг к другу, это выглядит как убедительное доказательство того, что гравитация работает так, как говорит теория Эйнштейна, что, в свою очередь, поддержало бы аргумент в пользу темной материи.
Однако задолго до ЛИГО некоторые физики были недовольны темной материей и разработали другие теории, которые стремились объяснить то, что видят астрономы. Один набор теорий известен как тензорно-векторная скалярная гравитация (TeVeS), которая добавляет дополнительное поле к гравитации. Разработанный Джейкобом Бекенштейном в 2004 году, он уже находился под огнем, потому что казалось, что он требует нейтрино более массивного, чем то, что физики оценили до сих пор, и он не всегда производил стабильные звезды. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) также добавляет другое поле, хотя и не так, как TeVeS. Теория гласит, что гравитация усиливается, когда вы расширяетесь от солнечной системы к галактикам, а затем к скоплениям галактик. Вудард утверждает, что эти два класса теорий исключены из последних данных.
Можно подумать, что физики, наконец, признают, что темная материя существует вне зависимости от ее формы. Правильно? Ну, сторонники модифицированной гравитации говорят, что они еще не закончили.
Джон Моффат, исследователь из Института Периметра в Ватерлоо, Канада, говорит, что Вудард просто исказил свою теорию. «Они не дают объяснения, почему мой MOG сфальсифицирован», - сказал он в электронном письме. «Это правда, что эти теории MOND исключены данными слияния нейтронных звезд. Поэтому, похоже, что моя MOG является единственной выживающей теорией гравитации, которая может объяснить данные о галактике, скоплениях галактик и космологии без обнаружения темной материи в существующей вселенной». «. Моффат говорит, что его теория на самом деле предсказывает, что световые и гравитационные волны будут приходить одновременно.
«Лучший способ интерпретировать этот результат - это не доказательство правильности темной материи, а ограничение того, как должны строиться модифицированные теории гравитации, если они стремятся обойтись без нее», - сказал Вудард.
Разные пути
В 1970-х годах покойный астроном Вера Рубин, работавшая тогда в Институте Карнеги, обнаружила, что видимая материя не движется медленнее, когда вы выходите из центра галактики (то, как планеты движутся медленнее, когда вы удаляетесь от Солнца). В определенный момент все двигалось с одинаковой скоростью. Либо вокруг галактик было много рассеянной массы, которую мы не могли видеть, либо гравитация вела себя так, как раньше не было.
Ранние объяснения невидимой материи включали: газ, планеты-изгои, нейтрино и даже черные дыры. В конце концов все были отброшены в пользу нынешней концепции темной материи как созданной из чего-то, что взаимодействовало только через гравитацию.
Тем не менее, некоторые физики считали, что идея темной материи слишком удобна, что-то придумано, чтобы математика работала. Возможно, гравитация работала по-разному в разных масштабах, и общая теория относительности просто не учитывала их, они теоретизировали.
Мордехай Мильгром, почетный профессор Института науки им. Вейцмана в Израиле, был одним из первых теоретиков МОНД, предложивших свою версию в 1980-х годах. По своей сути, его теория предполагает, что гравитационная динамика изменяется, когда ускорения под действием силы тяжести становятся ниже определенного предела. Он также утверждает, что гравитация и свет распространяются по разным показателям.
Взятые вместе, эти теории представляли, если не серьезную угрозу, по крайней мере, намеки на проблемы с темной материей - до сих пор ».
Dark Matter FTW
Темная материя не просто объясняет кривые вращения. Это также учитывало наблюдения гравитационного линзирования - изгиба света массивными объектами. Когда мы смотрим на некоторые далекие галактики, мы видим объекты позади них, как будто через линзу, в соответствии с общей теорией относительности. Свет изгибается на величину, которая не может быть объяснена видимой массой. Это было еще одним доказательством темной материи (или что-то вроде этого).
Темная материя также может объяснить, почему космический микроволновый фон выглядит так: в среднем он однороден, но в меньших масштабах он комковатый, как и следовало ожидать во вселенной темной материи. «Одна из вещей, о которой никогда не говорят теоретики темной материи, это то, что если у вас нет темной материи, вы не получите ударов [космический микроволновый фон]», - говорит Уилл Кинни, профессор физики из Университет в Буффало. «Насколько мне известно, ни одна из альтернативных теорий темной материи не имела вообще никакого объяснения для ударов в (космическом микроволновом фоне) спектре. Это само по себе говорит мне, что эти теории не будут работать».
Один хороший пример - кластер Пуля, область пространства, в которой сталкиваются два скопления галактик. Наблюдения за скоплением показывают эффекты линзирования, которые не совпадают с видимой материей в нем. Тем не менее, если предположить, что темная материя присутствует, но еще не осела вокруг скопления, то линзы соответствуют теории темной материи, сказал Кинни.
Дело за MOND
Тем не менее, архитекторы модифицированной гравитации противостоят проблемам, которые есть у темной материи. Одна из них - аномалия вокруг пули - та же самая, что большинство скажет, поддерживает теорию темной материи. Согласно некоторым наблюдениям, пуля ускоряется слишком быстро; даже если предположить, что темная материя скорости "неправильные". Кроме того, темная материя предсказывает скорости вращения некоторых галактик хуже, чем измененная гравитация.
Кроме того, некоторые галактики, которые кажутся менее видимыми, по-прежнему выглядят более массивными. Это может быть связано с большим количеством темной материи, но нет особой причины, которая должна иметь место. На этот счет теории MOND работают лучше. «МОНД обладает большей предсказательной силой. Его можно использовать для предсказания кинематики галактик, в которых преобладает темная материя. Вы не можете делать то же самое предсказание с темной материей. Все, что вы можете сказать, это:« Держу пари, что в галактике с низкой поверхностной яркостью много темного важно! »- говорит Стейси МакГо, астрофизик из Университета Case Western Reserve, который работал над модифицированными теориями гравитации.« Это основано на предыдущем опыте, а не на теории, для которой нет согласованного прогноза ».
Другая проблема заключается в распределении указанного материала. Мильгром отмечает, что почти во всех галактиках, которые наблюдались до сих пор, кривые вращения имеют ту же форму, что и точка, где ускорение под действием силы тяжести к центру составляет около одной десятой миллиардной доли метра в секунду в квадрате (примерно столько же гравитационная сила ощущается кем-то в двух метрах от веса в 10 кг).
Если существует темная материя, то не стоит ожидать, что она всегда будет распространяться именно так. Это все равно, что отправиться во все страны на Земле и обнаружить, что распределение доходов было точно таким же, несмотря на очень разные истории, которые есть в каждой стране.
«В парадигме [темной материи] современная динамика является результатом сложной, катастрофической и непостижимой истории исследуемой отдельной галактики: сколько слияний она претерпела и насколько сильными они были, выбросом барионов из Галактика из-за различных плохо понятых процессов и т. д. », - говорит он. Теории MOND, добавил он, лучше предсказывают движение галактики в этом отношении.
Однако даже Мильгром признает, что есть некоторые области, которые теории MOND также не предсказывают, даже в их релятивистских версиях MOG - например, не воспроизводят наблюдаемый космический микроволновый фон. «Нам нужно расширение MOND, которое будет учитывать космологию. Это то, над чем мы работаем».
Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, соглашается, что наблюдение Вударда сделает некоторые виды MOND или MOG устаревшими, но также не убеждена, что темная материя является ответом. «Почти наверняка правильно, что наблюдение исключает теории с допущениями, которые они перечисляют в статье. Но неясно, какие, если таковые имеются, модифицированные теории гравитации действительно соответствуют этим предположениям», - сказала она. В своем блоге она отметила, что темная материя работает во всех масштабах, в то время как измененная гравитация не работает также для космологии.
Итан Сигел, астрофизик и автор, сказал, что шансы на то, что многие измененные гравитационные поля сводятся на нет наблюдениями LIGO. Как и Хоссенфельдер, он считает, что проблема MOND заключается в масштабах, которые она описывает. «Моффат прав: МОНД работает лучше, чем темная материя в галактических масштабах. Если вы посмотрите на отдельные галактики и их динамические свойства, МОНД имеет преимущество. Однако МОНД дает сбой во всех других масштабах». Он сказал, что некоторые из теорий Мильгрома могут выжить - если, например, утверждение Мильгрома о том, что гравитация подчиняется другим правилам, чем материя во вселенной, верно. «Это теория, которая все еще может пережить эти результаты гравитационных волн».
И, несмотря на свою работу над альтернативами гравитации, МакГо сказал, что есть вещи, которые может понять только темная материя. «Я не понимаю, как объяснить космический микроволновый фон или скопления галактик (все богатые скопления, а не только скопления пуль) без него, - говорит он. - Это не значит, что этого не может быть, но в настоящее время Я не вижу другого жизнеспособного объяснения. " В то же время он еще не привержен ни одной из сторон. «Ни один из них не убедителен», - говорит он.
Другими словами, ожидайте, что дебаты будут продолжаться в обозримом будущем - с силой столкновения двух нейтронных звезд.
