Azt mondják, hogy az Univerzumban van a legtöbb sötét anyag (ha általában az anyagról beszélünk). Pedig a mindennapi életben gyakorlatilag nem találkozunk vele. Ismerjük a Napot - a Naprendszer legmasszívabb tárgyát - hétköznapi anyagból (protonok, neutronok és elektronok), de számos más forrás létezik, beleértve a bolygókat, a gázt, a port, a plazmát és a csillagmaradványokat. A sötét anyag nem tartozik közéjük - és még a standard modell sem írja le részecskéit. Természetesen a sötét anyag nem az egyetlen módja az Univerzumban megfigyelt gravitációs jelenségek magyarázatának. Egy másik lehetőség a gravitáció elméletének módosítása, amelyet sokan már megpróbáltak megtenni. Ez adta az ötletet a módosított newtoni dinamikáról (MOND) és más elméletekről, amelyek még mindig népszerű alternatívái a sötét anyagnak.
Ahhoz, hogy valahol kezdjünk, vissza kell térnünk az 1800-as évekbe, és beszélnünk kell egy problémáról, amely már jóval a „hiányzó tömeg” (vagy „hiányzó fény”) előtt létezett, amelyet a sötét anyag és a MOND megpróbál megoldani: az Urán-Merkúr problémát. Newton gravitációs törvénye, amelyet Newton vezetett vissza az 1600-as években, hihetetlenül sikeresen leírta mindent - amennyire tudjuk - arra, amire alkalmazták. A lövedékek mozgásától a gördülő tárgyakig; a tárgyak súlyától az ingaóra ketyegéséig; a csónak felhajtóerejétől a Hold Föld körüli pályájáig Newton gravitációja soha nem bukott meg.
Kepler három törvényét, a Newton gravitációs képletének speciális esetét, minden ismert bolygóra azonos mértékben alkalmazták:
1. A bolygók ellipszisben mozognak, a Nappal az egyik fókuszban.
2. Minden bolygó a Nap közepén áthaladó síkban mozog, és a Napot és a bolygót összekötő sugárvektor egyenlő időközönként egyenlő területeket ír le.
3. A Nap körüli bolygók forradalmi periódusainak négyzetét a bolygók pályájának fél-fő tengelyeinek kockáinak nevezzük.
Az ismert belső és külső világ mind betartotta ezeket a törvényeket, így évszázadok óta nem derült fény semmilyen eltérésre. De az Urán 1781-es felfedezésével valami megváltozott. Míg a felfedezett bolygók közül az utolsó a Nap körüli ellipszisben mozgott, a gravitáció előre jelzett törvényeihez képest rossz sebességgel mozgott.
Promóciós videó:
A megnyitása óta eltelt első 20 évben minden este és minden évben gyorsabban mozgott, mint a törvények diktálták. A következő 20-25 évben a bolygó a törvények szigorú betartása mellett mozgott. De aztán lelassult, és a sebesség az előrejelzés alá esett.
Tévedés volt a gravitációs törvényben? Talán. De az is lehetséges, hogy volt egy kicsit több anyag - valami láthatatlan, sötét anyag -, amely hatással volt az Uránuszra, és zavart okozott a pályáján. Ez inkább hasonlít az igazságra. Elméleti háború után Urbain Le Verrier és John Coach Adams között, akik önállóan dolgoztak és jóslatot tettek az új bolygó elhelyezkedésével kapcsolatban, Le Verrier jóslatait Johann Halle és segítője, Heinrich d'Arre megerősítette 1846. szeptember 23-án. A Neptunusz bolygót fedezték fel, az első objektumra, amely tömegének következményeiből következtetett: a gravitációs hatásra.
Másrészt a belső Merkúr bolygó - a megfigyelések fokozott pontosságának köszönhetően és a világi adatokkal kombinálva - a gravitációs törvények még furcsább megsértését mutatta. Ha Kepler törvényei azt jósolták, hogy a bolygóknak az ideális ellipszisek mentén kell elmozdulniuk a Nappal az egyik fókuszban, akkor azzal a feltétellel, hogy nincs más tömeg, amely megsérti vagy befolyásolja a rendszert. De nincsenek tömegek a környéken, és a Merkúr nem egy tökéletes ellipszis mentén mozog. Az ellipszise idővel megnövekszik.
Newton gravitációs törvényeinek felhasználásával figyelembe vehetnénk az összes ismert bolygó (beleértve a Neptunust is) befolyását. Mindezek elvégzése után azt tapasztalnánk, hogy marad egy kis eltérés az előrejelzett és a megfigyelt között: évszázadonként 43 -os precesszió, vagy évszázadonként 0,012 fok. De ez nem baleset volt.
Mi a magyarázat ezúttal? Ez az új láthatatlan tömeg összefügg a Merkúr belső terével? Vagy az igazi probléma bekúszott a gravitáció törvényébe? A kérdésre adott válasz alapos keresése egy új elméleti Vulcan bolygóhoz vezetett, amely állítólag mindenki másnál közelebb állt a Naphoz. De nem találtak vulkánt. A megoldás 1915-ben jött, amikor Einstein felvázolta az általános relativitáselméletét.
Most hagyjuk ki az 1970-es évekig eltelt időt - Vera Rubin számos tudományos megfigyeléséig. Megfigyeljük az egyes galaxisokat - különösen a szélre eső galaxisokat - és megmérjük sebességprofiljaikat. Megnézzük a galaxis egyik oldalát, és látjuk, hogy felénk halad (kék eltolódással), a másikra - távolodik tőlünk (vöröseltolódással), és így határozzuk meg a galaxis forgását. Mit várunk tőlük? Naprendszerünkhöz hasonlóan a belső csillagoknak is gyorsabban kell forogniuk, és minél messzebb van a középponttól, annál alacsonyabbnak kell lennie a sebességnek. De nem ezt találjuk.
Ehelyett az egyes galaxisok forgási sebessége a távolságtól függetlenül állandó marad. Miért? Ismét két lehetőség van: vagy javítani kell a gravitációs törvényeket, vagy feltételeznünk kell egy láthatatlan felesleges tömeg létezését.
A MOND-re Moti Milgrom figyelt fel először 1981-ben, és megfigyelte, hogy ha a gravitáció törvényét nagyon kis gyorsulásokkal - például nanométer másodpercenkénti négyzet töredékeire változtatnánk - meg tudnánk magyarázni ezeket a forgási görbéket. Sőt, ugyanaz a módosítás, egyetlen és következetes, megmagyarázhatja az összes galaxis forgását, a legkisebbtől a legnagyobbig. A MOND még mindig csinálja és jól csinálja.
A sötét anyag viszont azt sugallja, hogy a standard modell normál részecskéin és a "protonok, neutronok és elektronok" közönséges anyagán kívül, amelyek szinte mindent alkotnak, amit tudunk, létezik egy új típusú anyag. A forgási jelenség megmagyarázására egy olyan nagy haló bevezetését javasolták, amely nem lép kölcsönhatásba a fénnyel, de nem tapad össze és nem lép kapcsolatba a hétköznapi anyaggal, kivéve a gravitációt. Ez volt a sötét anyag ötlete.
A sötét anyag képes megmagyarázni ezeket a forgási görbéket, de nem olyan jól csinálja, mint a MOND. A halok numerikus szimulációi, amelyek a legegyszerűbb sötét anyag modelleket is előállítják, nem egyeznek a megfigyelésekkel; a glóriák túlságosan "leütnek" a központban, és túl "bolyhosak" a külvárosban. (Technikai szempontból úgy tűnik, hogy a vártnál izotermebbek). Röviden: MOND volt az első egyértelmű vezető.
De ott kezdődött az egész Univerzum. Amikor egy új elméletet javasol a régi helyett - az általános relativitáselmélet hogyan váltotta fel Newton törvényeit -, elméletének három elvnek kell megfelelnie:
1. Meg kell jelenítenie az előző vezető elmélet teljes sikerét.
2. Sikeresen meg kell magyaráznia az új jelenséget (vagy jelenségeket), amelyre létrehozták.
3. És új jóslatokat kell tennie, amelyeket kísérletileg vagy megfigyeléssel ellenőriznek, megerősítenek vagy cáfolnak, hogy azok egyediek legyenek az új elmélet számára.
Az előző vezető elmélet összes sikeréről beszélünk, és ezek számtalanak.
A csillagfény gravitációs görbülete tömeges, erős és gyenge gravitációs lencse. Van Shapiro-effektus. Van gravitációs idő dilatáció és gravitációs vöröseltolódás. Van az Nagy Bumm és a táguló világegyetem fogalma. A galaxisok halmazain belül mozognak, és maguk a galaxisok csoportosulnak a legnagyobb skálán.
Mindezen példák esetében - mindet - a MOND hatalmas vereséget szenved, vagy azzal, hogy nem kínál előrejelzéseket, vagy olyan előrejelzéseket tesz, amelyek frusztrálóan nem egyeztethetők össze a rendelkezésre álló adatokkal. Joggal emelheti ki, hogy a MOND-t soha nem tervezték teljes elméletnek, sokkal inkább egy olyan jelenség leírásának, amely teljesebb elmélethez vezethet. Sokan dolgoznak egy MOND kiterjesztésen, amely megmagyarázhatja ezeket a megfigyeléseket, de eredménytelenül.
De ha folytatja Einstein gravitációs törvényét, és csak hozzáad egy új összetevőt, a hideg sötét anyagot, mindent meg tud magyarázni, beleértve néhány új szokatlan árnyalatot is.
Ha az ötször több sötét anyag van, mint a normál anyagban, akkor megmagyarázhatja a világegyetem nagyméretű struktúrájában megfigyelhető klaszterképet.
És ami még imponálóbb, hogy teljesen új jóslatot tehet: amikor két galaxishalmaz ütközik, a bennük lévő gáz felmelegszik, lelassul és röntgensugarat bocsát ki, míg a gravitációs lencsékkel látott tömeg követi a sötét anyagot, és helyébe röntgensugarak lépnek. Ezt az új jóslatot kísérletileg megerősítették, és tíz évig tartott, közvetett megerősítést nyújtva a sötét anyag létezéséről.
A MOND előnye, hogy jobban megmagyarázza a galaktikus forgásgörbéket, mint a sötét anyag. De ez nem fizikai elmélet, és nem felel meg a megfigyelések teljes sorozatának. A sötét anyag - legalábbis elméletben - azért létezik, mert ugyanazt az univerzumot adja nekünk, következetes, mindenféle módosítás nélkül.
De a MOND jelenlegi kozmológiai kudarcai a sötét anyag alá helyezik. Hadd reprodukálja az általános relativitáselmélet összes sikerét, elmagyarázza az új jelenségeket, előrejelzéseket tehet, amelyek megerősíthetők - és a tudósok kétségkívül új hitre térnek át. Végül is jó tudósok.