I årtier har astronomer, fysikere og kosmologer teoretiseret om, at universet er fyldt med et eksotisk materiale kaldet “mørkt stof”, som forklarer galaksers og galaksehobeers mærkelige gravitationsadfærd.
Dunkelt stof udgør ifølge matematiske modeller tre fjerdedele af alt stof i universet. Men det er aldrig blevet set eller fuldt ud forklaret. Og mens mørkt stof er blevet den fremherskende teori til at forklare et af universets større mysterier, har nogle forskere ledt efter alternative forklaringer på, hvorfor galakserne opfører sig, som de gør.
Nu siger et internationalt forskerhold, at det har fundet nye beviser for, at mørkt stof måske ikke eksisterer i virkeligheden alligevel.
I forskning, der blev offentliggjort i november i Astrophysical Journal, rapporterer forskerne om bittesmå afvigelser i fjerne stjerners kredsløbshastigheder, som de mener afslører en svag gravitationseffekt – og som kunne sætte en stopper for de fremherskende ideer om mørkt stof.
Studiet tyder på, at en ufuldstændig videnskabelig forståelse af tyngdekraften ligger bag det, der ser ud til at være tyngdekraften i galakser og galaksehobe, snarere end store skyer af mørkt stof.
Det kan betyde, at ren matematik og ikke usynligt stof kan forklare, hvorfor galakser opfører sig, som de gør, siger medforfatter til undersøgelsen Stacy McGaugh, der leder astronomiafdelingen ved Case Western Reserve University i Cleveland.
Den nye forskning rapporterer, at tegn på en svag gravitationel tidevand, kendt som “ekstern felteffekt” eller EFE, kan observeres statistisk i stjernernes kredsløbshastigheder i mere end 150 galakser.
Forfatterne siger, at effekten ikke kan forklares af teorier om mørkt stof, men at den forudsiges af det, der er kendt som den modificerede newtonske dynamikteori, eller MOND.
“Det, vi i virkeligheden siger, er, at der absolut er beviser for en uoverensstemmelse,” siger McGaugh. “Det, man ser, er ikke det, man får, hvis det eneste, man kender til, er Newton og Einstein.”
Astronomer har længe antaget, at stjerner kredser om galaksernes centre med de hastigheder, som forudsiges af den teori om tyngdekraften, der blev formuleret af den engelske fysiker og matematiker Isaac Newton for mere end 300 år siden.
Newton baserede sin teori om, at objekter tiltrækker hinanden med en kraft, der varierer i forhold til deres masse, på observationer af planeternes baner. Med forbedringer fra den tyskfødte fysiker Albert Einsteins teorier i det 20. århundrede er teorien stadig forbløffende præcis.
Men i 1930’erne fandt den schweiziske astronom Fritz Zwicky, der dengang arbejdede ved California Institute of Technology, ved observationer af Coma-galaklyngen i 1930’erne, at den var udsat for større gravitationskræfter end forventet – en effekt, som han tilskrev “dunkel (kalt) materie”, hvilket er tysk for “mørkt (koldt) materiale”.”
Da de amerikanske astronomer Vera Rubin og Kent Ford i 1970’erne fandt anomalier i stjernernes baner i galakser, teoretiserede mange forskere, at de skyldtes masser af usynligt “mørkt stof” i og omkring galakserne, og ideen har domineret astrofysikken lige siden.
Efter nogle skøn udgør det mørke stof omkring 85 procent af alt stof i universet. Det siges kun at interagere med lys og synligt stof gennem tyngdekraften, og det forklarer de observerede anomalier i fjerne galakser.
Men det er aldrig blevet set, og indtil videre har ingen fuldt ud forklaret, hvad det kan være, selv om mørkt stof-kandidater omfatter svagt interagerende massive partikler, eller WIMPS, primordiale sorte huller og neutrinos.
MOND blev formuleret i 1980’erne af en israelsk fysiker, Mordehai Milgrom, for at forklare de observerede uoverensstemmelser uden mørkt stof.
Det foreslår, at tyngdekraften forårsager en meget lille acceleration, der ikke er forudsagt af Newton og Einstein, på så lave niveauer, at den kun kan ses i objekter af galakse-størrelse; og det ville betyde, at forklaringen med mørkt stof ikke er nødvendig.
McGaugh indrømmer, at MOND indtil videre har overlevet adskillige videnskabelige tests – selv om mange forskere siger, at den ikke kan forklare observationer af for eksempel Bullet-klyngen af kolliderende galakser.
McGaugh indrømmer, at MOND er en minoritetsholdning inden for astrofysikken, og at de fleste forskere går ind for eksistensen af mørkt stof – en idé, som han selv gik ind for, indtil han begyndte at skifte mening for omkring 25 år siden.
“Engang ville jeg have sagt det samme: Det er absolut bevist, at der findes mørkt stof, lad være med at bekymre dig om det,” sagde han.
Men mange af MOND’s forudsigelser er blevet set i astronomiske observationer, og den seneste forskning er endnu et bevis for den, sagde han.
“MOND er den eneste teori, der er lykkedes på denne måde,” sagde McGaugh. “Det er den eneste teori, som rutinemæssigt har fået alle forudsigelser til at gå i opfyldelse.”
Den nye forskning rejser “et meget interessant spørgsmål”, sagde Matthias Bartelmann, professor i teoretisk astrofysik ved Heidelberg Universitet i Tyskland, som ikke var involveret i undersøgelsen.
“Kan mørkt stof forklares med en anden tyngdelov? Det ville være yderst vigtigt for kosmologien såvel som for partikelfysikken, hvis det kunne,” siger han i en e-mail.
Han tvivler dog på, at den “eksterne felteffekt”, der rapporteres i den nye forskning, virkelig er en unik forudsigelse af MOND, og at den ikke kan forklares af nogle konkurrerende teorier.
Og da MOND-teorien blev formuleret for at redegøre for de roterende uoverensstemmelser i galakser, ville man forvente, at en test af den på galakser ville give overbevisende resultater; i stedet skulle MOND testes med succes på andre objekter, såsom galaksehobe, sagde han.