Od dziesięcioleci astronomowie, fizycy i kosmolodzy teoretyzują, że wszechświat jest wypełniony egzotyczną materią zwaną „ciemną materią”, która wyjaśnia dziwne zachowanie grawitacyjne galaktyk i gromad galaktyk.
Ciemna materia, według modeli matematycznych, stanowi trzy czwarte całej materii we wszechświecie. Jednak nigdy nie została ona zaobserwowana ani w pełni wyjaśniona. I choć ciemna materia stała się dominującą teorią wyjaśniającą jedną z większych tajemnic wszechświata, niektórzy naukowcy szukali alternatywnych wyjaśnień, dlaczego galaktyki zachowują się tak, jak się zachowują.
Teraz międzynarodowy zespół naukowców twierdzi, że znalazł nowe dowody na to, że być może ciemna materia tak naprawdę nie istnieje po wszystkim.
W badaniach opublikowanych w listopadzie w Astrophysical Journal, naukowcy donoszą o drobnych rozbieżnościach w prędkościach orbitalnych odległych gwiazd, które ich zdaniem ujawniają słaby efekt grawitacyjny – i taki, który mógłby położyć kres panującym ideom ciemnej materii.
Badania sugerują, że niekompletne naukowe zrozumienie grawitacji stoi za tym, co wydaje się być siłą grawitacyjną galaktyk i gromad galaktyk, a nie rozległymi chmurami ciemnej materii.
To może oznaczać, że czysta matematyka, a nie niewidzialna materia, może wyjaśnić, dlaczego galaktyki zachowują się tak, jak się zachowują, powiedział współautor badania Stacy McGaugh, który kieruje wydziałem astronomii na Case Western Reserve University w Cleveland.
Nowe badania donoszą, że oznaki słabego przypływu grawitacyjnego, znanego jako „efekt pola zewnętrznego” lub EFE, mogą być obserwowane statystycznie w prędkościach orbitalnych gwiazd w ponad 150 galaktykach.
Autorzy twierdzą, że efekt ten nie może być wyjaśniony przez teorie ciemnej materii, ale jest on przewidywany przez to, co jest znane jako zmodyfikowana teoria dynamiki Newtona, lub MOND.
„To, co naprawdę mówimy, to fakt, że istnieje absolutny dowód na rozbieżność,” powiedział McGaugh. „To co widzisz nie jest tym co dostajesz, jeśli wszystko co wiesz to Newton i Einstein.”
Astronomowie długo zakładali, że gwiazdy krążą wokół centrów galaktyk z prędkościami przewidywanymi przez teorię grawitacji sformułowaną przez angielskiego fizyka i matematyka Isaaca Newtona ponad 300 lat temu.
Newton oparł swoją teorię, że obiekty przyciągają się z siłą zmieniającą się w zależności od ich masy na obserwacjach orbit planet. Dzięki udoskonaleniom pochodzącym z teorii urodzonego w Niemczech fizyka Alberta Einsteina w XX wieku, pozostaje ona zadziwiająco dokładna.
Ale obserwacje gromady galaktyk Coma w latach trzydziestych XX wieku przeprowadzone przez szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky’ego, pracującego wówczas w Kalifornijskim Instytucie Technologii, wykazały, że podlegała ona większym niż oczekiwano siłom grawitacyjnym – efekt, który przypisał „dunkel (kalt) materie”, co po niemiecku oznacza „ciemną (zimną) materię”.”
Kiedy amerykańscy astronomowie Vera Rubin i Kent Ford znaleźli anomalie w orbitach gwiazd w galaktykach w latach 70-tych, wielu naukowców wysunęło teorię, że są one spowodowane przez masy niewidzialnej „ciemnej materii” wewnątrz i wokół galaktyk, a pomysł ten zdominował astrofizykę od tamtego czasu.
Według niektórych szacunków ciemna materia stanowi około 85 procent całej materii we wszechświecie. Mówi się, że oddziałuje ze światłem i materią widzialną tylko poprzez grawitację, i wyjaśnia obserwowane anomalie w odległych galaktykach.
Ale nigdy nie była widziana, i jak dotąd nikt nie wyjaśnił w pełni, czym może być, chociaż kandydaci na ciemną materię obejmują słabo oddziałujące masywne cząstki, lub WIMPS, pierwotne czarne dziury i neutrina.
MOND został sformułowany w latach osiemdziesiątych przez izraelskiego fizyka, Mordehai Milgroma, aby wyjaśnić obserwowane rozbieżności bez ciemnej materii.
Proponuje on, że grawitacja powoduje bardzo małe przyspieszenie, nieprzewidziane przez Newtona i Einsteina, na tak niskich poziomach, że można je zobaczyć tylko w obiektach wielkości galaktyk; i oznaczałoby to, że wyjaśnienie ciemnej materii nie jest potrzebne.
Do tej pory, MOND przetrwało kilka testów naukowych – chociaż wielu naukowców twierdzi, że nie może wyjaśnić obserwacji gromady Bullet zderzających się galaktyk, na przykład.
McGaugh przyznaje, że MOND jest poglądem mniejszościowym w astrofizyce, i że większość naukowców faworyzuje istnienie ciemnej materii – pomysł, który sam faworyzował, dopóki nie zaczął zmieniać zdania około 25 lat temu.
„Kiedyś powiedziałbym to samo: jest absolutnie udowodnione, że istnieje ciemna materia, nie przejmuj się tym,” powiedział.
Ale wiele z przewidywań MOND zostało zaobserwowanych w obserwacjach astronomicznych, a najnowsze badania są jeszcze jednym dowodem na to, powiedział.
„MOND jest jedyną teorią, która odniosła sukces w ten sposób,” powiedział McGaugh. „Jest to jedyna teoria, której wszystkie przewidywania rutynowo się sprawdziły.”
Nowe badania podnoszą „bardzo interesującą kwestię”, powiedział Matthias Bartelmann, profesor astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Heidelbergu w Niemczech, który nie był zaangażowany w badania.
„Czy ciemna materia może być wyjaśniona przez inne prawo grawitacji? Byłoby to najważniejsze dla kosmologii, jak również fizyki cząstek, gdyby tak się stało”, powiedział w e-mailu.
Ma jednak wątpliwości, czy „efekt pola zewnętrznego” opisany w nowych badaniach jest rzeczywiście unikalnym przewidywaniem MOND, i czy nie może być wyjaśniony przez niektóre konkurencyjne teorie.
A ponieważ teoria MOND została sformułowana w celu wyjaśnienia rozbieżności rotacyjnych w galaktykach, oczekuje się, że testowanie jej na galaktykach zwróci przekonujące wyniki; zamiast tego, MOND musi być testowane z powodzeniem na innych obiektach, takich jak gromady galaktyk, powiedział.
.