Единственный выход - модифицировать законы гравитации, а новые ограничения исключают эти модификации.
«Расхождение между тем, что ожидалось, и тем, что наблюдалось, росло с годами, и мы прилагаем все усилия, чтобы заполнить этот пробел». - Иеремия П. Острикер
Если вас хоть как-то интересует космическое пространство, Вселенная и то, из чего состоит все это существование, вы, вероятно, слышали о темной материи - или, по крайней мере, о проблеме темной материи - до. Вкратце, давайте взглянем на то, что вы могли бы увидеть, если бы посмотрели на Вселенную с помощью величайшего телескопа, который мы когда-либо разрабатывали как вид.
Не этот образ, конечно. Это то, что вы бы увидели человеческим глазом с существенной помощью: небольшая область космоса, которая содержит лишь горстку тусклых, тусклых звезд, присутствующих в нашей собственной галактике, и, по-видимому, ничего за ее пределами.
Мы рассмотрели не только этот регион в частности, но и многие другие, подобные ему, с помощью невероятно чувствительных инструментов. Даже в таком регионе, где нет ярких звезд, галактик или известных скоплений или групп, все, что нам нужно делать, - это наводить на него наши камеры в течение сколь угодно долгого промежутка времени. Если мы пропустим достаточно, мы начнем собирать фотоны из невероятно слабых, далеких источников. Этот крошечный прямоугольник с пометкой «XDF» выше - это местонахождение экстремального глубокого поля Хаббла, региона настолько маленького, что для покрытия потребуется 32, 000, 000 из них. все ночное небо. И тем не менее, вот что увидел Хаббл.
На этом изображении идентифицировано 5, 500уникальных галактик, а это означает, что во всей Вселенной насчитывается не менее 200 миллиардов галактик. Но каким бы впечатляющим ни было это число, это даже не самое впечатляющее, что мы узнали о Вселенной, изучая огромное количество и разнообразие галактик, групп и скоплений внутри нее.
Подумайте о том, что заставляет эти галактики сиять, будь то рядом с нами или в десятках миллиардов световых лет от нас.
Это звезды сияют внутри них! За последние 150 лет или около того одним из величайших достижений астрономии и астрофизики стало наше понимание того, как звезды формируются, живут, умирают и светят, пока они живы. Когда мы измеряем звездный свет, исходящий от любой из этих галактик, мы можем сразу сделать вывод о том, какие именно типы звезд присутствуют в ней и какова общая масса звезд внутри.
Имейте в виду, пока мы движемся вперед: свет, который мы наблюдаем от галактик, групп и скоплений, который мы видим, говорит нам, сколько массы в этой галактике, группе или звезды скопления. Но звездный свет - не единственное, что мы можем измерить!
Мы также можем измерить, как эти галактики движутся, как быстро они вращаются, каковы их скорости относительно друг друга и так далее. Это невероятно мощно, потому что, основываясь на законах гравитации, если мы измерим скорости этих объектов, мы сможем сделать вывод, как внутри них должно быть много массы и материи!
Задумайтесь об этом на мгновение: закон всемирного тяготения универсален, то есть он одинаков во всей Вселенной. Закон, управляющий Солнечной системой, должен быть таким же, как закон, управляющий галактиками. Итак, у нас есть два разных способа измерения массы крупнейших структур во Вселенной:
- Мы можем измерить исходящий от них звездный свет, и, поскольку мы знаем, как работают звезды, мы можем сделать вывод о массе звезд в этих объектах.
- Мы можем измерить, как они движутся, зная, связаны ли они гравитацией и как. Из гравитации мы можем сделать вывод, какая общая масса у этих объектов.
Итак, теперь мы задаем ключевой вопрос: совпадают ли эти два числа?
Они не только не совпадают, они даже близко не совпадают! Если вы подсчитаете количество массы, присутствующей в звездах, вы получите число, а если вы подсчитаете количество массы, которое, согласно гравитации, должно быть там, вы получите число, которое в 50 раз большеЭто верно независимо от того, смотрите ли вы на маленькие галактики, большие галактики или группы или скопления галактик.
Ну, это говорит нам о чем-то важном: либо то, что составляет 98% массы Вселенной, не являетсязвездами, либо наше понимание гравитации неверно. Давайте рассмотрим первый вариант, потому что там у нас много данных.
Помимо звезд, составляющих массу галактик и скоплений, там может быть много чего другого, в том числе:
- скопления несветящейся материи, такие как планеты, луны, спутники, астероиды, ледяные шары и т. д.,
- нейтральный и ионизированный межзвездный газ, пыль и плазма,
- черные дыры,
- звездные остатки, такие как белые карлики и нейтронные звезды
- и очень тусклые звезды или карликовые звезды.
Дело в том, что мы измерили обилие этих объектов и - фактически - общее количество нормальной (т.е. состоящей из протонов, нейтронов и электронов) материи во Вселенной из множества независимые линии, включая распространенность легких элементов, космический микроволновый фон, крупномасштабную структуру Вселенной и данные астрофизических исследований. Мы даже жестко ограничили вклад нейтрино; вот что мы узнали.
Около 15-16% всего количества вещества во Вселенной составляют протоны, нейтроны и электроны, большая часть которых находится в межзвездном (или межгалактическом) газе и плазме. Может быть, еще около 1% в форме нейтрино, а остальные должны быть каким-то типом массы, который не состоит из каких-либо частиц, присутствующих в Стандартной модели
Это проблема темной материи. Но возможно, что постулирование какой-то невидимой новой формы материи не является решением, а законы гравитации в самых больших масштабах просто неверны. Позвольте мне кратко рассказать вам об истории проблемы темной материи и о том, что мы узнали о ней с течением времени.
Крупномасштабное структурообразование - по крайней мере изначально - было плохо изучено. Но начиная с 1930-х годов Фриц Цвикки начал измерять свет звезд, исходящий от галактик, присутствующих в скоплениях, а также то, насколько быстро отдельные галактики движутся друг относительно друга. Он отметил упомянутое выше огромное несоответствие между массой, присутствующей в звездах, и массой, которая должна присутствовать, чтобы удерживать эти большие скопления связанными друг с другом.
Эта работа игнорировалась в течение примерно 40 лет.
Когда в 1970-х годах мы начали проводить крупные космологические обзоры, такие как PSCz, их результаты начали указывать на то, что в дополнение к проблемам кластерной динамики Цвикки структура, которую мы наблюдали в еще больших масштабах, требовала невидимый небарионный источник массы для воспроизведения наблюдаемых структур. (С тех пор это было улучшено с помощью таких опросов, как 2dF, приведенный выше, и SDSS.)
Также в 1970-х оригинальная и чрезвычайно влиятельная работа Веры Рубин привлекла новое внимание к вращающимся галактикам и проблеме темной материи, которую они так подробно продемонстрировали.
Основываясь на том, что было известно о законе гравитации и наблюдениях относительно плотности обычного вещества в галактиках, можно было бы ожидать, что по мере удаления от центра вращающейся спиральной галактики, звезды, вращающиеся вокруг него, замедлятся. Это должно быть очень похоже на явление, наблюдаемое в Солнечной системе, где Меркурий имеет самую высокую орбитальную скорость, за ней следует Венера, затем Земля, затем Марс и т. д. Но вместо этого вращающиеся галактики показывают, что скорость вращения, по-видимому, остается неизменной. постоянна по мере того, как вы перемещаетесь на все большие и большие расстояния, что говорит нам о том, что либо существует больше массы, чем может быть объяснено обычной материей, либо что закон всемирного тяготения нуждается в модификации.
Темная материя была ведущим предложенным решением этих проблем, но никто не знал, была ли она полностью барионной или нет, каковы были ее температурные свойства и взаимодействовала ли она (и как) как с обычной материей, так и с самой собой. У нас были некоторые ограничения и ограничения на то, что он не мог сделать, и некоторые ранние симуляции, которые казались многообещающими, но ничего конкретно убедительного. А затем появилась первая крупная альтернатива.
MOND - сокращение от MOdified Newtonian Dynamics - был предложен в начале 1980-х как феноменологический, эмпирический способ объяснить вращающиеся галактики. Он очень хорошо работал для мелкомасштабных структур (в масштабе галактики), но не работал в больших масштабах во всех моделях. Он не мог объяснить скопления галактик, крупномасштабную структуру и, среди прочего, не мог объяснить обилие легких элементов.
В то время как специалисты по динамике галактик ухватились за MOND, потому что он более успешно предсказывает кривые вращения галактики, чем темная материя, все остальные были настроены весьма скептически, и на то были веские причины.
Помимо ее неудач во всех масштабах, больших, чем у отдельных галактик, она не была жизнеспособной теорией гравитации. Он не был релятивистским, то есть не мог объяснить такие вещи, как искривление звездного света из-за промежуточной массы, гравитационное замедление времени или красное смещение, поведение двойных пульсаров или любые другие релятивистские гравитационные явления, которые, как подтверждено, происходят в соответствии с предсказаниями Эйнштейна.. Святым Граалем МОНД - и того, чего требовали многие ярые сторонники темной материи, включая меня - , была релятивистская версия, которая могла бы объяснить кривые вращения галактик наряду со всеми другими успехами нашей современной теории гравитации.
Между тем, с годами темная материя начала добиваться огромного количества космологических успехов. По мере того, как крупномасштабная структура Вселенной менялась от плохо изученной к хорошо изученной, а спектр мощности материи (вверху) и флуктуации космического микроволнового фона (внизу) стали точно измеряться, было обнаружено, что темная материя чудесным образом воздействует на самые большие весы.
Другими словами, эти новые наблюдения - так же, как и те, что касались нуклеосинтеза Большого Взрыва - , согласовывались со Вселенной, состоящей примерно в пять раз из темной (небарионной) материи по сравнению с обычной материей.
И тогда, в 2005 году, был замечен предполагаемый «дымящийся пистолет». Мы поймали два галактических скопления в процессе столкновения, а это означает, что если бы темная материя была правдой, мы бы увидели, как барионная материя межзвездный/межгалактический газ сталкивается и нагревается, в то время как темная материя и, следовательно, гравитационный сигнал должны пройти напролом, не сбавляя скорости. Ниже вы можете увидеть рентгеновские данные скопления Пуля, выделенные розовым цветом, а данные гравитационного линзирования - синим цветом.
Это была огромнаяпобеда темной материи и столь же огромный вызов всем моделям модифицированной гравитации. Но малые масштабы по-прежнему представляли проблему для темной материи; он все еще не так хорошо объясняет вращение отдельных галактик, как МОНД. И благодаря TeVeS, релятивистской версии MOND, сформулированной Джейкобом Бекенштейном, казалось, что MOND наконец получит шанс.
Гравитационное линзирование и некоторые релятивистские явления можно было объяснить, и, наконец, появился четкий способ провести различие между ними: найти наблюдательный тест, в котором предсказания TeVeS и предсказания Общей теории относительности отличались от друг друга! Удивительно, но такая установка уже существует в природе.
Вращающиеся нейтронные звезды - звездные остатки сверхмассивных звезд, которые стали сверхновыми и оставили после себя атомное ядро солнечной массы - это крошечные объекты, всего несколько километров в диаметре. Представьте, что если вы: объект в 300, 000 раз массивнее нашей планеты, сжатый до объема, составляющего всего лишь одну стомиллионную часть нашего мира! Как вы можете себе представить, гравитационные поля вблизи этих парней становятся очень интенсивными, обеспечивая одни из самых строгих тестов теории относительности с сильным полем.
Ну, есть несколько случаев, когда нейтронные звезды направляют свои осевые «лучи» прямо на нас, поэтому «импульс» приходит к нам каждый раз, когда нейтронная звезда завершает оборот, то, что может произойти до 766 раз в секунду для таких маленьких объектов! (Когда это происходит, нейтронные звезды называются пульсарами.) Но в 2004 году была открыта еще более редкая система: двойной пульсар!
За последнее десятилетие эта система наблюдалась в ее очень напряженном гравитационном танце, и общая теория относительности Эйнштейна подверглась испытанию, как никогда раньше. Видите ли, поскольку массивные тела вращаются вокруг друг друга в очень сильных гравитационных полях, они должны излучать очень определенное количество гравитационного излучения. Хотя у нас нет технологии для непосредственного измерения этих волн, у нас есть возможность измерить, как орбиты затухают из-за этого излучения! Майкл Крамер из Института радиоастрономии Макса Планка был одним из ученых, работавших над этим, и вот что он сказал об орбитах этой системы (выделено мной):
“Мы обнаружили, что это приводит к уменьшению орбиты на 7,12 миллиметра в год, с погрешность в девять тысячных миллиметра».
Что TeVeS и общая теория относительности говорят об этом наблюдении?
Это согласуется с теорией относительности Эйнштейна на уровне 99,95% (с погрешностью 0,1%), и - вот что самое важное - исключает все физически жизнеспособные воплощения ТеВеС Бекенштейна. Как сказал ученый Норберт Векс с непревзойденной краткостью,
«На наш взгляд, это опровергает TeVeS»
На самом деле, самое точное в истории моделирование формирования структуры (с использованием общей теории относительности и темной материи) только что было выпущено, и оно согласуется со всеми наблюдениями, согласующимися с пределом наших технологических возможностей. Посмотрите невероятное видео Марка Фогельсбергера и удивитесь!
И учитывая все это, именно поэтому конкурент №1 темной материи больше не является конкурентом.
Есть комментарий? Оставьте это на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!