Uudet tiedot tukevat pimeän aineen modifioitua painovoiman selitystä, tutkijoiden suureksi yllätykseksi
Pimeä aine on erittäin hyvä teoria. Sitä tukee runsaasti havainnointi- ja laskennallista dataa, minkä vuoksi se on osa kosmologian standardimallia. Mutta pimeää ainetta ei ole havaittu suoraan, joten joskus jopa vahvat pimeän aineen kannattajat ovat motivoituneita katsomaan vaihtoehtoja.
Suosituin vaihtoehto tunnetaan nimellä Modified Newtonian Dynamics (MoND), joka tunnetaan myös nimellä modifioitu painovoima. Pimeästä aineesta saamamme todisteet olettavat, että käsityksemme painovoimasta on oikea. Sekä Newtonin painovoima että yleinen suhteellisuusteoria ovat havainnoilla vahvasti vahvistettuja, joten pimeän aineen oletus on täysin perusteltu. Mutta MoND olettaa, että perustasolla käsityksemme painovoimasta on hieman väärä.
Robert DuBois Eötvös-laitteen kanssa. Luotto: Missouri Science & Tech
Sekä Newtonin että Einsteinin gravitaatioteoriat riippuvat perusilmiöstä, joka tunnetaan nimellä vahva vastaavuusperiaate. Eli esineen inertiamassa (miten se vastustaa liikkeen muutosta) ja sen painovoimamassa (miten se vetää muita massoja) ovat verrannollisia. Tämän periaatteen lopputulos on, että kaikki aine putoaa samalla nopeudella gravitaatiokentässä. Tämä vaikutus on vahvistettu niin kutsutuilla Eötvösin kokeilla. Vahva vastaavuusperiaate on totta yhden osan sisällä 10:stä14, joka on nykyinen havaintoraja.
MoND:n yleisimmissä versioissa kohteen inertiamassa ei ole verrannollinen gravitaatiomassaan 'ulkoisen kentän vaikutuksen vuoksi'. Newtonilaisessa fysiikassa esineen inertiamassa on luontainen ominaisuus, joka on olemassa riippumatta siitä, mikä on sen ympärillä. MoND:ssä inertiamassa riippuu kohteen painovoimamassasta sekä muusta universumista tulevasta vetovoimasta. Toisin sanoen inertiamassa on ilmentyvä ominaisuus eikä luontainen ominaisuus.
Havaittu galaktinen kierto (B) verrattuna standardiennusteeseen (A). Luotto: Phil Hibbs
MoND otettiin käyttöön selittämään havaittua aineen liikettä galakseissa, mikä oli myös motivaatio pimeän aineen käyttöönotolle. Useimmissa galakseissa suurin osa näkyvästä aineesta on keskittynyt lähellä keskustaa. Joten tähtien lähellä galaksin keskustaa pitäisi liikkua nopeammin kuin lähellä reunaa olevien tähtien, aivan kuten aurinkokuntamme sisäplaneetat liikkuvat nopeammin kuin ulkoplaneetat. Mutta havaitsemme, että tähdet useimmissa galakseissa pyrkivät liikkumaan samanlaisilla nopeuksilla riippumatta niiden etäisyydestä keskustasta. Tähtitiedessä sanomme, että havaittu kiertokäyrä ei vastaa ennustetta.
Pimeän aineen mallissa nämä käyrät selittyvät sillä, että pimeä aine käsittää suurimman osan galaksin aineesta ja ympäröi galaksia halossa, joten suurin osa aineestaei olekeskittynyt keskelle. MoND selittää käyrät olettamalla, että muiden galaksien vetovoima muuttaa tähtien inertiamassaa kauempana keskustasta, minkä vuoksi ne liikkuvat odotettua nopeammin.
Pyörimiskäyrät tulisi keskittää nollaan, mutta ne eivät ole. Luotto: Chae, Kyu-Hyun et al
Mutta jos MoND on oikein, galaksin pyörimiskäyrän ja muiden lähellä olevien galaksien jakautumisen välillä pitäisi olla korrelaatio. Tässä on tämä uusi tutkimus. Ryhmä käytti Spitzer-fotometria- ja Accurate Rotation Curves (SPARC) -tietokantaa tutkiakseen 175 galaksin pyörimiskäyriä. He vertasivat kunkin galaksin pyörimiskäyrää lähellä olevien galaksien keskimääräiseen jakautumiseen. Jos pimeän aineen malli on oikea, lähellä olevien galaksien jakauman ei pitäisi vaikuttaa pyörimiskäyrään. Jos MoND on oikein, jakauman ja tuloksena olevan ulkoisen kentän vaikutuksen (EFE) pitäisi vaikuttaa käyriin.
Yllättäen, jopa järkyttävästi, heidän tutkimuksensa löysi selkeän vaikutuksen. Galakseissa, joissa on voimakkaimmat ulkoiset kentät, EFE vahvistettiin 8-11 sigman luotettavuudella. Kokeet katsotaan yleensä vahvistetuiksi, jos vaikutus on yli 5 sigmaa. Tiimi ei myöskään nähnyt käyrävaikutusta galakseille, joilla on heikot ulkoiset kentät. Kaiken kaikkiaan tämä on todella hyvä todiste yhdelle tutkimukselle. Lisäksi tiimi odotti tämän tutkimuksen kumoavan MoND:n, joten he ovat yhtä yllättyneitä tuloksista.
Kaiken kaikkiaan tämä on kiehtova tutkimus. Se ei kiellä pimeää ainetta, koska monet tutkimukset tukevat pimeän aineen vaikutuksia, mutta se tukee muunnetun painovoiman näkökohtaa. Se on odottamaton tulos, ja sitä on tutkittava lisää. MoND on pitkään ollut poissa tähtitieteilijöiden suosiosta, mutta tämä tutkimus osoittaa, että meidän ei pitäisi vielä uskoa legendaa sen kaatumisesta.
Viite:Chae, Kyu-Hyun et ai. ' Vahvan ekvivalenssin periaatteen testaus: Ulkoisen kentän vaikutuksen havaitseminen rotaatiolla tuetuissa galakseissa .'Astrophysical Journal904.1 (2020): 51.