I årtionden har astronomer, fysiker och kosmologer teoretiserat att universum är fyllt av ett exotiskt material som kallas ”mörk materia” och som förklarar det märkliga gravitationsbeteendet hos galaxer och galaxhopar.
Den mörka materian utgör tre fjärdedelar av all materia i universum, enligt matematiska modeller. Men den har aldrig setts eller förklarats fullt ut. Och medan mörk materia har blivit den rådande teorin för att förklara ett av universums större mysterier har vissa forskare letat efter alternativa förklaringar till varför galaxer beter sig som de gör.
Nu säger ett internationellt forskarlag att de har hittat nya bevis för att mörk materia kanske inte existerar trots allt.
I forskning som publicerades i november i Astrophysical Journal rapporterar forskarna om små avvikelser i omloppshastigheterna hos avlägsna stjärnor som de tror avslöjar en svag gravitationseffekt – och som skulle kunna sätta stopp för de rådande idéerna om mörk materia.
Studien antyder att en ofullständig vetenskaplig förståelse av gravitation ligger bakom det som tycks vara gravitationsstyrkan hos galaxer och galaxhopar, snarare än stora moln av mörk materia.
Det kan betyda att ren matematik, och inte osynlig materia, kan förklara varför galaxer beter sig som de gör, säger studiens medförfattare Stacy McGaugh, som är chef för astronomiavdelningen vid Case Western Reserve University i Cleveland.
Den nya forskningen rapporterar att tecken på ett svagt gravitationsflöde, som kallas ”extern fälteffekt” eller EFE, kan observeras statistiskt i banhastigheterna hos stjärnor i mer än 150 galaxer.
Författarna säger att effekten inte kan förklaras av teorier om mörk materia, men att den förutsägs av den så kallade modifierade newtonska dynamikteorin, MOND.
”Vad vi egentligen säger är att det finns absolut bevis för en diskrepans”, säger McGaugh. ”Det man ser är inte vad man får, om allt man känner till är Newton och Einstein.”
Astronomer antog länge att stjärnor kretsade kring galaxernas centrum med de hastigheter som förutsägs av gravitationsteorin som formulerades av den engelske fysikern och matematikern Isaac Newton för mer än 300 år sedan.
Newton baserade sin teori om att föremål attraherar varandra med en kraft som varierar med deras massa på observationer av planeterna i deras omloppsbana. Med förbättringar från den tyskfödde fysikern Albert Einsteins teorier på 1900-talet är teorin fortfarande förvånansvärt exakt.
Men observationer av galaxklustret Coma på 1930-talet av den schweiziske astronomen Fritz Zwicky, som då arbetade vid California Institute of Technology, visade att det utsattes för större gravitationskrafter än väntat – en effekt som han tillskrev ”dunkel (kalt) materie”, vilket på tyska betyder ”mörkt (kallt) material”.”
När de amerikanska astronomerna Vera Rubin och Kent Ford hittade anomalier i stjärnornas banor i galaxer på 1970-talet teoretiserade många forskare att de orsakades av massor av osynlig ”mörk materia” inom och runt galaxer, och idén har dominerat astrofysiken sedan dess.
Enligt vissa uppskattningar utgör mörk materia cirka 85 procent av all materia i universum. Den sägs interagera med ljus och synlig materia endast genom gravitation och förklarar de observerade anomalierna i avlägsna galaxer.
Men den har aldrig setts och än så länge har ingen fullt ut förklarat vad den kan vara, även om kandidater för mörk materia inkluderar svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMPS, primordiala svarta hål och neutrinos.
MOND formulerades på 1980-talet av en israelisk fysiker, Mordehai Milgrom, för att förklara de observerade diskrepanserna utan mörk materia.
Det föreslår att gravitationen orsakar en mycket liten acceleration, som inte förutsägs av Newton och Einstein, på så låga nivåer att den bara kan ses i galaxstora objekt; och det skulle innebära att förklaringen av mörk materia inte behövs.
Hittills har MOND överlevt flera vetenskapliga tester – även om många forskare säger att den inte kan förklara observationer av till exempel Bullet-klustret av kolliderande galaxer.
McGaugh medger att MOND är en minoritetsåsikt inom astrofysiken och att de flesta forskare förespråkar existensen av mörk materia – en idé som han själv förespråkade, tills han började ändra sig för cirka 25 år sedan.
”En gång i tiden skulle jag ha sagt samma saker: det är absolut bevisat att det finns mörk materia, oroa dig inte för det”, sade han.
Men många av MOND:s förutsägelser har setts i astronomiska observationer, och den senaste forskningen är ytterligare ett bevis för den, sade han.
”MOND är den enda teorin som har lyckats på detta sätt”, sade McGaugh. ”Det är den enda teorin som rutinmässigt har fått alla förutsägelser att slå in.”
Den nya forskningen väcker ”en mycket intressant fråga”, sade Matthias Bartelmann, professor i teoretisk astrofysik vid Heidelbergs universitet i Tyskland, som inte var inblandad i studien.
”Kan mörk materia förklaras av en annan gravitationslag? Det skulle vara mycket viktigt för både kosmologin och partikelfysiken om det kunde vara så”, säger han i ett mejl.
Han tvivlar dock på att den ”externa fälteffekt” som rapporteras i den nya forskningen verkligen är en unik förutsägelse från MOND, och att den inte kan förklaras av vissa konkurrerande teorier.
Och eftersom MOND-teorin formulerades för att förklara rotationsdifferenserna i galaxer, skulle man förvänta sig att testa den på galaxer skulle ge övertygande resultat; i stället behövde MOND testas framgångsrikt på andra objekt, till exempel galaxkluster, sade han.