kozmos.hr
Astronomija

Je li vrijeme da napustimo teoriju ‘tamne tvari’?

Galaksija NGC 1300 – primjer prečkaste spiralne galakasije (©Hubble, NASA).
objavljeno

U novom kritičkom osvrtu na ‘standardni model’ tim znanstvenika ustanovio je da teorija Mond puno bolje objašnjava gravitaciju u svemiru.

Izazovi i manjkavosti teorije ‘tamne tvari’

Iako pomoću Newtonovih zakona fizike možemo prilično točno modelirati kretanje planeta u Sunčevom sustavu, znanstvenici su u ranim 1970-ima primijetili da zakoni ne odgovaraju načinu funkcioniranja diska galaksije. Točnije, zvijezde na vanjskim rubovima ovim galaktičkih diskova – dakle smještene daleko od gravitacijske sile sve materije u središtu galaksije – kreću se mnogo brže nego što je predviđala Newtonova teorija.

Ova opažanja potaknula su fizičare da pretpostave da nevidljiva tvar zvana ‘tamna tvar’ pruža dodatnu gravitacijsku silu uzrokujući ubrzanje zvijezda, a ova teorija brzo je postala iznimno popularna. Međutim, u nedavnom kritičkom osvrtu na ovu teoriji istraživački tim predvođen Indranilom Banikom sugerira da su opažanja u širokom rasponu mjerila mnogo bolje objašnjena u alternativnoj teoriji gravitacije koju je predložio izraelski fizičar Mordehai Milgrom 1982. godine. Njegova teorija poznata je pod nazivom Milgromova dinamika ili Mond (Modified Newtonian dynamics, tj. Modificirana Newtonova dinamika), a znanstvenicima je posebno zanimljiva jer objašnjava uočene obrasce gravitacije bez uključivanja nevidljive tvari.

Ako znanstvenici u narednim godinama ne uspiju potvrditi postojanje tamne tvari – što, među ostalim, pokušavaju i znanstvenici u CERN-ovom Velikom hadronskom sudarivaču – teorija Mond mogla bi postati prihvaćeniji model objašnjavanja gravitacije.

Modificirana Newtonova dinamika (Mond)

Mondov glavni postulat je da kada gravitacija postane vrlo slaba – kao što se događa na rubovima galaksija – počinje se ponašati drugačije od Newtonove fizike. Na taj je način moguće objasniti zašto se zvijezde, planeti i plin u periferiji preko 150 galaksija okreću brže od očekivanog na temelju samo njihove vidljive mase. Međutim, Mond ne samo da objašnjava takve rotacijske krivulje, u mnogim slučajevima ih predviđa.

Dio znanstvenika tvrdi da upravo ova mogućnost predviđanja čini Monda superiornijim od standardnog modela kozmologije, koji predlaže da u svemiru ima više tamne materije nego vidljive materije. To je zato što, prema ovom modelu, galaksije imaju vrlo neizvjesnu količinu tamne tvari koja ovisi o pojedinostima o tome kako je galaksija nastala – što ne znamo uvijek. Zbog toga je nemoguće predvidjeti koliko brzo bi se galaksije trebale okretati. Tu je prednost Monda – takva se predviđanja s Mondom rutinska i dosad su potvrđena.

Novo istraživanje galaksija propituje standardni model kozmologije

Zamislite da znamo raspodjelu vidljive mase u galaksiji, ali još ne znamo njenu brzinu rotacije. U standardnom kozmološkom modelu bilo bi moguće samo s određenom pouzdanošću reći da će brzina rotacije izaći između 100 km/s i 300 km/s na periferiji. Mond daje određenije predviđanje da brzina rotacije mora biti u rasponu od 180-190 km/s. Ako promatranja kasnije otkriju brzinu rotacije od 188 km/s, onda je to u skladu s obje teorije – ali jasno je da se prednost daje Mondu. Dio znanstvenika tako smatra da je ova teorija moderna verzija Occamove britve – tj. da je najjednostavnije rješenje bolje od složenijih.

Teorijska fleksibilnost

U ranije spomenutom osvrtu tim je uveo koncept poznat kao ‘teorijska fleksibilnost’ kako bi uhvatili temeljnu ideju Occamove britve da je teorija s više slobodnih parametara (tj. konstanti) dosljedna sa širim rasponom podataka – što je čini složenijom. U pregledu su upotrijebili ovaj koncept pri testiranju standardnog kozmološkog modela i Monda u odnosu na različita astronomska promatranja, poput rotacije galaksija i gibanja unutar galaktičkih skupina.

Promatrali su i ocjenjivali koliko se dobro svaki model podudara s opažanjima, pri čemu +2 označava izvrsno slaganje, a –2 rezervirano za opažanja koja jasno pokazuju da je teorija pogrešna. Zatim su od toga oduzimali teoretsku ocjenu fleksibilnosti za slaganje s opažanjima, budući da je dobro podudaranje podataka dobro – ali mogućnost uklapanja bilo čega je loše.

Rezultati ispitivanja

Dobra teorija bi dala jasna predviđanja koja se kasnije potvrđuju, idealno bi se dobila kombinirana ocjena od +4 u mnogim različitim testovima (+2-(-2) = +4). Loša teorija dobila bi ocjenu između 0 i -4 (-2 -(+2)= -4). Precizna predviđanja u ovom slučaju ne bi bila uspješna – malo je vjerojatno da će raditi s pogrešnom fizikom.

Njihova ispitivanja pokazala prosječnu ocjenu za standardni kozmološki model od –0.25 u 32 testa, dok je Mond postigao prosjek od +1.69 u 29 testova. Za Mond nisu identificirani veći problemi, što se barem uvjerljivo slaže sa svim podatcima.

Galaksija NGC 1300 – primjer prečkaste spiralne galakasije (©Hubble, NASA).
Galaksija NGC 1300 – primjer prečkaste spiralne galakasije (©Hubble, NASA).

Problem s tamnom tvari

Jedan od najupečatljivijih ‘promašaja’ standardnog kozmološkog modela odnosi se na tzv. galaxy bars (galaktička prečka; takve galaksije poznate su kao prečkaste spiralne galaksije) – svijetle regije u obliku šipke napravljene od zvijezda – koje spiralne galaksije često imaju u središnjim područjima. One se rotiraju tijekom vremena. Kad bi galaksije bile ugrađene u masivne aureole tamne tvari, njihovi bi se prečke usporile. Međutim, većina, ako ne i sve, promatrane prečke galaksija su brze.

Drugi je problem što su izvorni modeli koji su sugerirali da galaksije imaju aureole tamne tvari napravili veliku pogrešku – pretpostavili su da čestice tamne tvari osiguravaju gravitaciju materiji oko sebe, ali na njih ne utječe gravitacijska sila normalne materije. To je pojednostavilo izračune, ali prema kritičarima teorije ne odražava stvarnost. Kada je to uzeto u obzir u kasnijim simulacijama, postalo je jasno da aureole tamne tvari oko galaksija ne objašnjavaju pouzdano njihova svojstva.

Postoje mnogi drugi nedostaci standardnog modela koje su istraživači proučili u svom kritičkom osvrtu, a za sve ove nedostatke ustvrdili su da Mond često može prirodno objasniti ova opažanja. Razlog zašto je standardni kozmološki model ipak tako popularan mogle bi biti računske pogreške ili ograničeno znanje o njegovim neuspjesima, od kojih su neki otkriveni nedavno. To bi moglo biti i zbog nevoljkosti ljudi da dotjeraju teoriju gravitacije koja je bila tako uspješna u mnogim drugim područjima fizike.

Istraživači su stoga na kraju zaključili da je njihova studija otkrila ogromne prednosti Monda nad standardnim kozmološkim modelom. Iako ne tvrde da je Mond savršen, ipak smatraju da daje točniju sliku – galaksije vjerojatno nemaju tamnu tvar.

Veliki hadronski sudarivač ponovno aktivan i u potrazi za tamnom tvari

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Indranik Banik, Hongsheng Zhao, „From Galactic Bars to the Hubble Tension: Weighing Up the Astrophysical Evidence for Milgromian Gravity,“ Symmetry (2022).

Indranil Banik (8. srpnja 2022.), „Dark matter: Our review suggests it’s time to ditch it in favor of a new theory of gravity,“ phys.org (pristup 10. srpnja 2022).

Student povijesti koji u slobodno vrijeme voli čitati i pisati o svojim najdražim temama - povijesti, svemiru i astronomiji.