Tyngdekraften for alle skalaer?

Original English version: http://astroweb.case.edu/ssm/mond/astronow.html

Den moderne gravitasjonsoppfatningen begynte på det syttende århundre med Sir Isaac Newton. På grunnlag av Newton universell gravitasjonslov er en enkel empirisk observasjon:
Alt skjer… som om kraften mellom to legemer er direkte proporsjonal med massenes produkt og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.
– Sir Isaac Newton
Dette tydelige faktum forklarte månens detaljerte bevegelse, innkapslet Keplers lov om planetarisk bevegelse, og informerer oss i moderne tid om hvordan vi kan navigere bittesmå romfartøyer gjennom de store vidder av interplanetarisk rom med bemerkelsesverdig presisjon. Aldri i historien har en slik vanlig peoken-observasjon ført oss (bokstavelig talt!) Så langt.

Newtons tyngdelov er blitt testet over et bredt spekter av skalaer, fra submillimeter til solsystem. Dens gjentatte suksesser og utrolige nøyaktighet konkurreres av få andre fysiske teorier. Påliteligheten til universell gravitasjon var slik at i det nittende århundre utgjorde den ørsmå overflødige presesjonen til Merkurus bane en krise.

Denne krisen ble løst av Einsteins teori om generell relativitet, den eneste viktige oppdateringen til vår gravitasjonsoppfatning siden Newton. Generell relativitet har selv motstått mange presisjonstester. De gjentatte suksessene med Newton-Einstein-teorien, og den rene fremtredenen fra forfatterne, har ført til en utbredt holdning blant lærde at det ikke kan være noe nytt å lære om gravitasjon. Mange av disse samme lærde holder seg samtidig til den motstridende holdningen om at det må være en enhetlig teori om alt, eller i det minste av de fire grunnleggende kreftene. Så langt har tyngdekraften standhaftig nektet å bli assimilert i det kvantemekaniske bildet som er essensielt for beskrivelsen av de andre naturkreftene. Likevel må det være en kvanteteori om tyngdekraften. Forfølger dette til sin logiske konklusjon, må det være mer å lære utover det Newton og Einstein allerede har fortalt oss.

Utover kvanteområdet er det andre gravitasjonspuslespill som gjenstår å forklare. En av de mest relevante blir ofte referert til som “problemet med mørk materie.” Når astronomer måler bevegelsene til stjerner og gass i galakser og likevel større systemer, opplever de at hastighetene er godt over det som kan forklares med anvendelsen av Netwunds Universal Gravitation på massen i synlige former som stjerner (se figur 1). Dette har ført til slutningen at mesteparten (omtrent 90%) av massen i universet er mørk.

Det er en enorm mengde bevis for mørk materie. Likevel er alt dette beviset basert på antagelsen om at Newtonian teori trygt kan ekstrapoleres fra solsystemet (hvor det er godt testet) til galaksers skala. Selv om det er et utmerket utgangspunkt, bør vi ikke anta at det faktisk vil holde. Sticklers for epistemology kan innvende at vi strengt tatt ikke står overfor bevis for mørk materie, men snarere for masseavvik. Det vi ser, legger ikke opp, så verken universet er fullt av usett masse, eller teorien som fører til inferansen til denne massen trenger revisjon.

For å gå tilbake til tyngdeerfarings røtter, husker Newtons observasjon om at “alt oppfører seg som om…” Selv om dette er sant med stor nøyaktighet i solsystemet, er det åpenbart falske i galakser og andre ekstragalaktiske systemer. Hvis det holdt, ville vi ikke ha behov for mørk materie. Casting skylden i stedet på tyngdekraften kan være aktuelt dersom det foreligger en modifikasjon av Newtons formel som tilfreds ånden av hans utsagn “alt oppfører seg som om…”

Mange slike forsøk har blitt gjort, og mange har mislyktes. Disse feilene oppfordret folk i retning av mørk materie. Likevel er det en idé som har ja til å mislykkes. I 1983 israelske fysikeren M. Milgrom hypotese en bestemt endring i ligningene som styrer partikkelbevegelser ved svært lave akselerasjoner. Han kalte dette de Mond, eller MOND. MOND reduseres til den vanlige newtonsk form i regimet til høy akselerasjon, men ved akselerasjoner lavere enn en del i 1011  av hva vi føler her på jorden, ting endrer på en måte som kan forklare masse avvik.

Når ligninger av MOND (eller andre hypotetiske modifikasjon) er skrevet ned, de la lite handlingsrom. Nøyaktige dynamiske data, slik som rotasjons kurver av spiralgalakser, må følge av anvendelsen av MOND til den observerte fordeling av selvlysende materiale (stjerner og gass). Hver eneste galaksen gir en unik test av hypotesen. Passer til de observerte rotasjons kurver av galakser som det i Fig. 1 er nå blitt utført i over 100 galakser, med sammenlignbare resultater. Mens det er sikkert en og annen oppgave, er det ingen kjente tilfeller der MOND klart svikter. I de aller fleste, er det helt klart lykkes. MOND er formelen som tilfredsstiller Newtons dictum “alt oppfører seg som om…“

I sine originale papirer fra 1983 kom Milgrom med en rekke spådommer om en den gang ukjent klasse galakser med ‘lav overflatetetthet’. Disse gjenstandene skal, hvis MOND er riktig, utvise store masseavvik fordi deres diffuse lysmasse vil gi en enda svakere gravitasjonsakselerasjon enn den allerede tunge mengden som finnes i lysere galakser. Han listet opp en rekke spesifikke, testbare konsekvenser av denne spådommen. På den tiden ble slike objekter antatt å være sjeldne eller ikke-eksisterende. Senere ble de oppdaget, og er nå kjent som “lav overflate lysstyrke” galakser. I prosessen med å studere disse nye objektene for egen interesse, samlet astronomer gradvis de dataene som er nødvendige for å teste Milgroms stort sett glemte, tiår gamle spådommer. Det kom som et sjokk å oppdage at alle ble realisert i dataene. Mens vitenskapen i prinsippet går fremover ved å konstruere hypoteser som gir forutsigelser som senere kan testes, er det faktisk en sjelden tilfelle at i praksis faktisk følger denne modellen så rent.

Disse suksessene til MOND er mest åpenbare steder der de dynamiske dataene som tester den er mest nøyaktige. Imidlertid er det mange andre systemer der bildet er mindre tydelig. Enhver modifisering av dynamiske lover må forklare masseforskjellen overalt. Det må fungere ikke bare for rotasjonskurver, men også for hastighetsdispersjonene av sfæriske galakser, gasstemperaturene til klynger av galakser og de særegne bevegelsene til galakser i storskala strukturen i universet.

Et sted MOND ser ut til å ha alvorlige vanskeligheter, er i rike galakser: den lysende massen kommer til kort med en faktor på omtrent to av det som er nødvendig for å forklare observasjonene. På den ene siden kan dette ikke virke så ille: Å komme innenfor en faktor to i astronomi blir ofte sett på som en stor suksess. På den annen side virker avviket ekte. Dette innebærer at det fortsatt gjenstår noe ekstra masse i klynger. Dette påkaller faktisk en form for mørk materie – neppe et salgsargument for en teori som søker å fjerne slike ting. Dette kan betraktes som dødelig for MOND, hvis det ikke var fordi oppdagelsen av enorme massereservoarer i klynger har skjedd før. Man trodde lenge at stjernene i galaksene som utgjorde klyngene var det største reservoaret av normal materie der. For omtrent et tiår siden viste det seg at massen av varm, diffus gass spredt mellom klyngalakser i stor grad overstiger massen i stjerner. Når dette er tilfelle, er det vanskelig å være trygg på at en annen faktor på to ikke vil dukke opp.

Et annet problem er kosmologi. Umodifisert generell relativitet gir en tilfredsstillende tolkning for de empiriske aspektene ved den varme big bang-kosmologien – et ekspanderende univers, nukleosyntesen av lyselementene og relikvestrålingen kjent som den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Suksessen til standard kosmologi blir ofte likestilt med bevis mot MOND. Likevel er standardkosmologien bare levedyktig hvis 90% av massen faktisk eksisterer i en ennå hypotetisk form – neppe et stort skrytpunkt. Verre er det at det de siste årene har blitt nødvendig å gjenopplive Einsteins selvbeskrevne “største bommert”: den kosmologiske konstanten. Man kan lure på om disse merkelige svingene antyder en større sannhet.

Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen kan være med på å avgjøre dette problemet. Et univers fullt av mørk materie etterlater en subtilt underskrift på dette ekkoet til det store smellet enn det som er blottet for mørk materie. Nyere observasjoner kom fristende nær det å kunne skille mellom de to tilfellene, men klarte til slutt ikke å gjøre en klar skille. Kommende romoppdrag, som NASA MAP og ESA PLANCK, vil forhåpentligvis gjøre susen.

Uansett om MOND er riktig som teori, utgjør det en observert fenomenologi som krever forklaring. Heri ligger et virkelig conundrum for det mørke materiebildet. De naturlige forventningene til mørkstoffteorier for rotasjonskurver ser ikke ut som MOND, og ​​klarer derfor ikke å gjengi et helt sett med essensielle observasjonsfakta. Det beste en teori om mørk materie kan håpe å gjøre er å kontre på å se ut som MOND, og ​​følgelig etterbeskrive de mange tingene Milgrom vellykket spådde. Dette gir en genuin pause for å vurdere hvordan vitenskapen skal anta.

Debatten mellom mørk materie og MOND er forfriskende. De siste årene har det vært uttrykt en viss bekymring for at vitenskapen er på slutten. Alle de grunnleggende funnene er blitt gjort; det er ikke noe virkelig nytt igjen å oppdage. Dette følelsen gjenspeiler ordene fra Rutherford for nesten et århundre siden: “Alt som gjenstår… er å fylle ut de siste desimalene.” Som da er ryktene om slutten på grunnleggende vitenskap sterkt overdrevet.


Figur 1: Rotasjonskurven til dverggalaksen NGC 1560. Den nedre linjen er rotasjonen som er forutsagt av anvendelsen av Newtonsk tyngdekraft på de observerte stjernene og gassen. Dette faller godt under den observerte rotasjonen, noe som fører til inferensen av mørk materie for å utgjøre forskjellen. Den øverste linjen viser rotasjonen forventes ved bruk av MOND til de observerte stjernene og gassen. Tilsvarende resultater er nå kjent for over 100 galakser. Legg merke til at også i dette tilfellet reflekteres selv kink som er observert i gassfordelingen. Dette er svært vanskelig å forklare med mørk materie som ikke er fordelt som den lysende massen. MOND er formelen som tilfredsstiller Newtons diktum “alt oppfører seg som om…