Mørkt stof eksisterer måske ikke i virkeligheden – og vores alternative teori kan sættes på prøve

Forskere har ledt efter "mørk stof" - et ukendt og usynligt stof, der menes at udgøre det store flertal af stof i universet - i næsten et århundrede. Årsagen til denne vedholdenhed er, at mørkt stof er nødvendigt for at forklare det faktum, at galakser ikke ser ud til at adlyde fysikkens grundlæggende love. Imidlertid, søgninger efter mørkt stof er forblevet uden succes.

Men der er andre tilgange til at forstå, hvorfor galakser opfører sig så mærkeligt. Vores nye undersøgelse, offentliggjort i Journal of Cosmology and Astropartikelfysik , viser, at ved at justere tyngdelovene på galaksernes enorme skalaer, vi har måske faktisk ikke brug for mørkt stof alligevel.

Den schweiziske astronom Fritz Zwicky opdagede i 1930'erne, at hastighederne i galaksehobe var for høje til at tage højde for, hvor meget stof vi kunne se. Et lignende fænomen blev beskrevet af flere grupper af astronomer, såsom Vera Rubin og Kent Ford, da de studerede stjernernes bevægelse ved Andromedagalaksens fjerne kanter.

Hastigheden af ​​stjernerne langt fra dens centrum forventedes at falde, da de oplever mindre tyngdekraft. Det er fordi, ifølge Newtons anden lov om bevægelse, tyngdekraften på stof i kredsløb kan sidestilles med et produkt af dets masse og acceleration (som er relateret til hastighed).

Imidlertid, målingerne viste, at der ikke var et sådant fald i hastigheder med afstand. Det fik videnskabsmænd til at tro, at der må være noget usynligt stof der for at skabe en stærkere tyngdekraft og hurtigere stjernebevægelser. I de seneste årtier, utallige andre sonder af gravitationssystemer i meget store længdeskalaer indikerede det samme problem.

Ud over mørkt stof

Mysteriet om, hvad mørkt stof faktisk er, er fortsat den ultimative udfordring for moderne fundamental fysik. Kernespørgsmålet er, om det virkelig er en manglende massekilde, såsom en ny type sag, eller om gravitationsloven simpelthen er anderledes på gigantiske længdeskalaer.

Mens den første mulighed virker meget fristende, vi har faktisk ikke fundet noget mørkt stof endnu. Også, mens tyngdekraftlovene er velafprøvede i solsystemet, man skal være forsigtig med at ekstrapolere dette til skalaer, der er mindst en milliard gange større.

Et velkendt forsøg på at slippe af med behovet for mørkt stof er Modified Newtonian Dynamics (MOND), hvilket tyder på, at Newtons tyngdelov bliver uregelmæssig, når tyngdekraften er meget svag – som det er tilfældet i de ydre områder af galaksen. Men denne teori, selvom det var vellykket i mange henseender, har ikke bestået de samme strenge tests som vores standardmodel for kosmologi, som omfatter mørkt stof.

Hovedproblemet er, at MOND ikke kan forklare det manglende masseproblem i galakser og galaksehobe på samme tid. Et andet meget stærkt argument mod MOND er baseret på observation af kolliderende galaksehobe, hvor stjernerne i hver galakse passerer gennem hinanden, men gasskyerne hænger sammen og bliver tilbage. Et berømt eksempel er Bullet Cluster, som består af to sådanne kolliderende klynger. Observationer tyder på, at mørkt stof følger stjernerne i disse begivenheder, som har en lavere totalmasse end gasskyen. MOND kan ikke forklare, hvorfor det er det.

Rumbobler

Vi satte os for at justere tyngdelovene på en anden måde. Vores tilgang antog, at et fænomen kendt som Vainshtein-screening er på arbejde. Dette tyder på, at hver tilstrækkelig tæt, kompakt objekt i rummet genererer en usynlig kugle omkring sig, som bestemmer, hvordan fysikkens love opfører sig med voksende afstand. Denne sfære er et teoretisk koncept for at hjælpe os med at forstå forskellen mellem små og store skalaer, snarere end en egentlig fysisk membran.

Ifølge vores teori, i denne boble gælder lovene for almindelig newtonsk tyngdekraft, som vi ser i vores solsystem, for objekter, der interagerer med det massive legeme i centrum. Uden for boblen, teorien antyder, at tyngdekraften fra det centrale objekt kan forstærkes betydeligt – selvom der ikke er mere masse til stede.

Boblestørrelsen ville være proportional med massen af ​​det centrale objekt. Hvis, for eksempel, i en galakse har denne kugle en radius på et par tusinde lysår – en typisk afstand, hvor man observerer tegn på mørkt stof – den tilsvarende kugle af vores sol ville have en radius på 50.000 astronomiske enheder (en sådan enhed er afstanden mellem solen og jorden). Imidlertid, kanten af ​​solsystemet er kun 50 astronomiske enheder væk. Med andre ord, der er ingen objekter, vi kunne observere så langt fra solen for at teste, om solen har en anden tyngdekraft på dem, end den har på Jorden. Kun observation af hele systemer meget langt væk tillader os at gøre det.

Den overraskende effekt er, at størrelsen af ​​den newtonske boble vokser med den indelukkede masse på en bestemt måde. Det betyder, at tyngdeloven ændrer sig ved forskellige længdeskalaer i henholdsvis galakser og galaksehobe, og derfor kan den forklare det tilsyneladende mørke stof i begge systemer samtidigt. Det er ikke muligt med MOND. Desuden, det er i overensstemmelse med observationen af ​​kugleklyngen. Det skyldes, at de gasskyer, der blev efterladt i kollisionen, ikke er kompakte nok til at skabe en kugle omkring dem – hvilket betyder, at det tilsyneladende mørke stof kun er bemærkelsesværdigt omkring de mere kompakte stjerner. MOND skelner ikke mellem stjerner og gasskyer.

Til vores store overraskelse, vores teori tillod os at forklare stjernehastighederne i galakser meget bedre end med Einsteins generelle relativitetsteori, som tillader mørkt stof at eksistere. Så der kan faktisk være mindre mystisk mørkt stof derude, end vi tror – og måske endda slet ingen.

Vi planlægger at undersøge dette interessante fænomen yderligere. Det kan også være ansvarligt for den høje variabilitet af galaktisk bevægelse, som vi samler flere og flere beviser for.

Enhver massiv krop fordrejer rummet og tiden omkring sig, ifølge almen relativitetsteori. Som resultat, lysstråler tager en tilsyneladende drejning rundt om objektet i stedet for at bevæge sig i en lige linje – en effekt kaldet gravitationslinser. En yderst interessant test af vores fund ville være observation af præcis gravitationel lysafbøjning af individuelle galakser, hvilket er en svær måling. Vores teori forudsiger en stærkere lysafbøjning for meget kompakte galakser, så spændende, det kunne en dag blive forfalsket eller bekræftet ved en sådan måling.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.