Ei spun că există cea mai întunecată materie din univers (dacă vorbim despre materie în general). Și totuși în viața de zi cu zi practic nu o întâlnim. Cunoaștem soarele - cel mai masiv obiect din sistemul solar - este format din materie obișnuită (protoni, neutroni și electroni), dar există multe alte surse, inclusiv planete, gaze, praf, plasmă și rămășițele stelelor. Materia întunecată nu este printre ele - și nici modelul standard nu descrie particulele sale. Desigur, materia întunecată nu este singura modalitate de a explica fenomenele gravitaționale observate în Univers. O altă opțiune este modificarea teoriei gravitației, pe care mulți au încercat deja să o facă. Acest lucru a dat naștere ideii dinamicii newtoniene modificate (MOND) și a altor teorii, care sunt încă alternative populare la materia întunecată.
Pentru a începe de undeva, trebuie să ne întoarcem în anii 1800 și să vorbim despre o problemă care a existat cu mult înainte de materia întunecată „masă lipsă” (sau „lumină lipsă”) și MOND încearcă să rezolve: problema Uranus-Mercur. Legea gravitației lui Newton, inițiată de Newton în anii 1600, a avut un succes incredibil în a descrie totul - din câte știm - la ce s-a aplicat. De la mișcarea proiectilelor la obiectele rulante; de la greutatea obiectelor la bifarea unui ceas cu pendul; de la flotabilitatea unei bărci până la orbita lunii în jurul Pământului, gravitația lui Newton nu a eșuat niciodată.
Trei legi ale lui Kepler, un caz special al formulei gravitaționale a lui Newton, aplicate tuturor planetelor cunoscute în aceeași măsură:
1. Planetele se mișcă în elipse cu Soarele într-unul din focare.
2. Fiecare planetă se mișcă într-un plan care trece prin centrul Soarelui și, la intervale egale de timp, vectorul de rază care leagă Soarele și planeta descrie zone egale.
3. Pătratele perioadelor orbitale ale planetelor din jurul Soarelui sunt denumite cuburi ale axelor semi-majore ale planetelor.
Lumile interioare și exterioare cunoscute au respectat toate aceste legi, astfel încât nu au fost detectate abateri timp de sute de ani. Dar odată cu descoperirea lui Uranus în 1781, ceva s-a schimbat. În timp ce ultima dintre planetele descoperite se mișca într-o elipsă în jurul Soarelui, ea se mișca cu viteza greșită în comparație cu legile gravitației prezise.
Video promotional:
În primii 20 de ani de la deschidere, s-a deplasat mai repede, în fiecare seară și în fiecare an, decât au dictat legile. În următorii 20-25 de ani, planeta s-a deplasat în strictă conformitate cu legile. Dar apoi a încetinit, iar viteza a scăzut sub prezisă.
A existat o greșeală în legea gravitației? Poate. Dar este, de asemenea, posibil să fi existat ceva mai multă materie - ceva invizibil, întunecat - care afectase Uranus, provocând tulburări pe orbita sa. Aceasta seamănă mai mult cu adevărul. După războiul teoretic dintre Urbain Le Verrier și John Coach Adams, care a lucrat independent și a făcut predicții despre locația noii planete, predicțiile lui Le Verrier au fost confirmate de Johann Halle și asistentul său Heinrich d'Arre la 23 septembrie 1846. A fost descoperită planeta Neptun, primul obiect dedus din efectele masei sale: influența gravitațională.
Pe de altă parte, planeta interioară Mercur - datorită preciziei crescute a observațiilor și în combinație cu datele seculare - a început să prezinte o încălcare și mai ciudată a legilor gravitației. Dacă legile lui Kepler au prezis că planetele ar trebui să se deplaseze de-a lungul elipselor ideale cu Soarele într-unul din focare, atunci cu condiția să nu existe alte mase care să încalce sau să afecteze sistemul. Dar nu există mase în jur, iar Mercur nu se mișcă de-a lungul unei elipse perfecte. Elipsa sa precesează în timp.
Folosind legile gravitației lui Newton, am putea lua în considerare influența tuturor planetelor cunoscute (inclusiv a lui Neptun). După ce am făcut toate acestea, am descoperi că rămâne o ușoară discrepanță între previzionat și observat: o precesiune de 43 pe secol sau 0,012 grade pe secol. Dar nu a fost un accident.
Care este explicația de această dată? Această nouă masă invizibilă este legată de interiorul lui Mercur? Sau adevărata problemă s-a strecurat în legea gravitației? O căutare aprofundată a unui răspuns la această întrebare a dus la o nouă planetă teoretică Vulcan, care ar fi trebuit să fie mai aproape de Soare decât toate celelalte. Dar nu a fost găsit niciun vulcan. Soluția a venit în 1915 când Einstein și-a prezentat teoria relativității generale.
Acum vom ignora timpul până în anii 1970 - până la o serie de observații științifice de către Vera Rubin. Observăm galaxii individuale - în special galaxii marginale - și le măsurăm profilurile de viteză. Ne uităm la o parte a galaxiei și vedem că aceasta se deplasează spre noi (prin deplasare albastră), ne uităm la cealaltă - se îndepărtează de noi (prin deplasare spre roșu) și așa determinăm rotația galaxiei. Ce așteptăm de la ei? La fel ca sistemul nostru solar, stelele interioare trebuie să se rotească mai repede și, cu cât este mai departe de centru, cu atât trebuie să fie mai mică viteza. Dar nu asta găsim.
În schimb, viteza de rotație a fiecărei galaxii rămâne constantă indiferent de distanță. De ce? Din nou, există două opțiuni: fie legile gravitației trebuie îmbunătățite, fie trebuie să presupunem existența unei mase excesive invizibile.
MOND a fost observat pentru prima dată de Moti Milgrom în 1981, care a observat că dacă schimbăm legea gravitației la accelerații foarte mici - ceva de genul fracțiunilor de nanometru pe secundă pătrat - am putea explica aceste curbe de rotație. Mai mult, aceeași modificare, simplă și consistentă, ar putea explica rotația tuturor galaxiilor, de la cea mai mică la cea mai mare. MOND încă o face și o face bine.
Pe de altă parte, materia întunecată sugerează că, pe lângă particulele normale ale modelului standard și materia obișnuită a „protonilor, neutronilor și electronilor” care alcătuiesc aproape tot ceea ce știm, există un nou tip de materie. Pentru a explica fenomenul de rotație, s-a propus introducerea unui halou mare de materie care nu interacționează cu lumina, dar nu rămâne împreună și nu interacționează cu materia obișnuită, cu excepția gravitațională. Aceasta a fost ideea materiei întunecate.
Materia întunecată poate explica aceste curbe de rotație, dar nu o face la fel de bine ca MOND. Simulările numerice pentru halouri care produc chiar și cele mai simple modele de materie întunecată nu se potrivesc cu observațiile; halourile sunt prea „doborâte” în centru și prea „pufoase” la periferie. (Din punct de vedere tehnic, par a fi mai izoterme decât se aștepta). Pe scurt, MOND a fost liderul clar la început.
Dar acolo, mai departe, a început întregul Univers. Când propuneți o nouă teorie care să o înlocuiască pe una veche - modul în care relativitatea generală a înlocuit legile lui Newton - teoria dvs. trebuie să îndeplinească trei principii:
1. Trebuie să reproducă întregul succes al teoriei anterioare.
2. Trebuie să explice cu succes noul fenomen (sau fenomene) pentru care a fost creat.
3. Și trebuie să facă noi predicții care vor fi verificate experimental, observațional, confirmat sau infirmat, astfel încât să fie unic pentru noua teorie.
Vorbim despre toate succesele teoriei anterioare conducătoare și sunt numeroase.
Există o curbură gravitațională a luminii stelelor prin masă, lentilă gravitațională puternică și slabă. Există efectul Shapiro. Există dilatație gravitațională a timpului și schimbare gravitațională spre roșu. Există conceptul de Big Bang și conceptul de univers în expansiune. Există mișcări ale galaxiilor în grupuri și grupări de galaxii în sine la cele mai mari scări.
În cazul tuturor acestor exemple - toate - MOND suferă o înfrângere zdrobitoare, fie oferind nici o predicție sau făcând predicții care sunt în mod frustrant incompatibile cu datele disponibile. Puteți sublinia pe bună dreptate că MOND nu a fost niciodată menit să fie o teorie completă, ci mai degrabă o descriere a unui fenomen care ar putea duce la o teorie mai completă. Mulți oameni lucrează la o extensie MOND care ar putea explica aceste observații, dar fără rezultat.
Dar dacă continuați legea gravitației lui Einstein și adăugați doar un ingredient nou, materia întunecată rece, puteți explica totul, inclusiv câteva noi nuanțe neobișnuite.
Puteți explica modelul de grupare care este observat în structura la scară largă a universului dacă aveți de cinci ori mai multă materie întunecată decât materia normală.
Și ceea ce este și mai impresionant este că puteți face o predicție complet nouă: când două clustere de galaxii se ciocnesc, gazul din ele se încălzește, încetinește și emite raze X, în timp ce masa pe care o vedem cu lentile gravitaționale urmează materia întunecată și este înlocuită cu raze X. Această nouă predicție a fost confirmată experimental și se menține de zece ani, oferind o confirmare indirectă a existenței materiei întunecate.
MOND are avantajul de a explica curbele de rotație galactică mai bine decât materia întunecată. Dar aceasta nu este o teorie fizică și nu se potrivește întregului set de observații pe care le avem. Materia întunecată există - cel puțin în teorie - deoarece ne oferă același univers, consecvent, fără nicio modificare.
Dar eșecurile actuale ale lui MOND, cosmologice, o pun sub materia întunecată. Lasă-l să reproducă toate succesele relativității generale, să explice noi fenomene, să facă predicții care pot fi confirmate - iar oamenii de știință se vor converti fără îndoială la o nouă credință. La urma urmei, sunt buni oameni de știință.
