Er mørkt stof ægte, eller har vi misforstået tyngdekraften?

I mange år nu, astronomer og fysikere har været i en konflikt. Er det mystiske mørke stof, som vi observerer dybt i universet, ægte, eller er det, vi ser, resultatet af subtile afvigelser fra tyngdelovene, som vi kender dem? I 2016 Den hollandske fysiker Erik Verlinde foreslog en teori af den anden slags:emergent gravitation. Ny forskning, udgivet i Astronomi og astrofysik denne uge, skubber grænserne for observationer af mørkt stof til de ukendte ydre områder af galakser, og ved at gøre det revurderer adskillige mørkt stofmodeller og alternative teorier om tyngdekraft. Målinger af tyngdekraften på 259, 000 isolerede galakser viser en meget tæt sammenhæng mellem bidragene fra mørkt stof og dem fra almindeligt stof, som forudsagt i Verlindes teori om emergent gravitation og en alternativ model kaldet Modified Newtonian Dynamics. Imidlertid, resultaterne ser også ud til at stemme overens med en computersimulering af universet, der antager, at mørkt stof er 'rigtige ting'.

Den nye forskning blev udført af et internationalt hold af astronomer, ledet af Margot Brouwer (RUG og UvA). Yderligere vigtige roller blev spillet af Kyle Oman (RUG og Durham University) og Edwin Valentijn (RUG). I 2016 Brouwer udførte også en første test af Verlindes ideer; denne gang, Verlinde selv kom også med i forskerholdet.

Stof eller tyngdekraft?

Indtil nu, mørkt stof er aldrig blevet observeret direkte - deraf navnet. Det, astronomer observerer på nattehimlen, er konsekvenserne af stof, der potentielt er til stede:bøjning af stjernelys, stjerner, der bevæger sig hurtigere end forventet, og endda effekter på hele galaksers bevægelse. Uden tvivl er alle disse effekter forårsaget af tyngdekraften, men spørgsmålet er:observerer vi virkelig yderligere tyngdekraft, forårsaget af usynligt stof, eller er tyngdelovene i sig selv det, vi ikke helt har forstået endnu?

For at besvare dette spørgsmål, den nye forskning bruger en lignende metode som den, der blev brugt i den oprindelige test i 2016. Brouwer og hendes kolleger gør brug af en løbende serie af fotografiske målinger, der startede for ti år siden:KiloDegree Survey (KiDS), udført ved hjælp af ESO's VLT Survey Telescope i Chile. I disse observationer måler man, hvordan stjernelys fra fjerntliggende galakser bøjes af tyngdekraften på vej til vores teleskoper. Mens målingerne af sådanne 'linseeffekter' i 2016 kun dækkede et område på omkring 180 kvadratgrader på nattehimlen, i mellemtiden er dette blevet udvidet til omkring 1000 kvadratgrader - hvilket gør det muligt for forskerne at måle fordelingen af ​​tyngdekraften i omkring en million forskellige galakser.

Sammenlignende test

Brouwer og hendes kolleger udvalgte over 259, 000 isolerede galakser, for hvilket de var i stand til at måle den såkaldte 'Radial Acceleration Relation' (RAR). Denne RAR sammenligner den forventede mængde tyngdekraft baseret på det synlige stof i galaksen, til den mængde tyngdekraft, der faktisk er til stede - med andre ord:resultatet viser, hvor meget 'ekstra' tyngdekraft der er, ud over det på grund af normal sag. Indtil nu, mængden af ​​ekstra tyngdekraft var kun blevet bestemt i de ydre områder af galakser ved at observere stjernernes bevægelser, og i et område omkring fem gange større ved at måle rotationshastigheden af ​​kold gas. Ved at bruge tyngdekraftens linseeffekter, forskerne var nu i stand til at bestemme RAR ved gravitationsstyrker, som var hundrede gange mindre, giver dem mulighed for at trænge meget dybere ind i områderne langt uden for de enkelte galakser.

Dette gjorde det muligt at måle den ekstra tyngdekraft ekstremt præcist - men er denne tyngdekraft resultatet af usynligt mørkt stof, eller skal vi forbedre vores forståelse af selve tyngdekraften? Forfatteren Kyle Oman angiver, at antagelsen om 'rigtige ting' i det mindste delvist ser ud til at virke:"I vores forskning, vi sammenligner målingerne med fire forskellige teoretiske modeller:to, der antager eksistensen af ​​mørkt stof og danner grundlaget for computersimuleringer af vores univers, og to, der modificerer tyngdelovene - Erik Verlindes model for emergent gravitation og den såkaldte 'Modified Newtonian Dynamics' eller MOND. En af de to simuleringer af mørkt stof, MUS, laver forudsigelser, der matcher vores mål meget fint. Det kom som en overraskelse for os, at den anden simulering, BAHAMAS, førte til meget forskellige forudsigelser. At forudsigelserne af de to modeller overhovedet var forskellige var allerede overraskende, da modellerne er så ens. Men desuden vi ville have forventet, at hvis en forskel ville vise sig, BAHAMAS ville klare sig bedst. BAHAMAS er en meget mere detaljeret model end MICE, nærmer sig vores nuværende forståelse af, hvordan galakser dannes i et univers med mørkt stof meget tættere på. Stadig, MICE klarer sig bedre, hvis vi sammenligner dens forudsigelser med vores målinger. I fremtiden, baseret på vores resultater, vi ønsker at undersøge yderligere, hvad der forårsager forskellene mellem simuleringerne."

Unge og gamle galakser

Således ser det ud til, at mindst én model af mørkt stof ser ud til at virke. Imidlertid, de alternative tyngdekraftsmodeller forudsiger også den målte RAR. Et standpunkt, det ser ud til - så hvordan finder vi ud af, hvilken model der er korrekt? Margot Brouwer, der ledede forskerholdet, fortsætter:"Baseret på vores tests, vores oprindelige konklusion var, at de to alternative tyngdekraftsmodeller og MICE matchede observationerne rimeligt godt. Imidlertid, den mest spændende del var endnu ikke kommet:fordi vi havde adgang til over 259, 000 galakser, vi kunne opdele dem i flere typer - relativt unge, blå spiralgalakser kontra relativt gamle, røde elliptiske galakser." Disse to typer galakser opstår på meget forskellige måder:røde elliptiske galakser dannes, når forskellige galakser interagerer, for eksempel når to blå spiralgalakser passerer tæt forbi hinanden, eller endda støde sammen. Som resultat, forventningen inden for partikelteorien om mørkt stof er, at forholdet mellem regulært og mørkt stof i de forskellige typer af galakser kan variere. Modeller som Verlindes teori og MOND på den anden side gør ikke brug af mørkt stof partikler, og derfor forudsige et fast forhold mellem den forventede og målte tyngdekraft i de to typer af galakser - dvs. uafhængig af deres type. Brouwer:"Vi opdagede, at RAR'erne for de to typer galakser adskilte sig væsentligt. Det ville være et stærkt hint om eksistensen af ​​mørkt stof som en partikel."

Imidlertid, der er en advarsel:gas. Mange galakser er sandsynligvis omgivet af en diffus sky af varm gas, hvilket er meget svært at observere. Hvis det var tilfældet, at der næsten ikke er nogen gas omkring unge blå spiralgalakser, men at gamle røde elliptiske galakser lever i en stor sky af gas – af nogenlunde samme masse som stjernerne selv – så kunne det forklare forskellen i RAR mellem de to typer. For at nå frem til en endelig bedømmelse af den målte forskel, man ville derfor også skulle måle mængderne af diffus gas - og det er netop det, der ikke er muligt ved brug af KiDS-teleskoperne. Andre målinger er blevet foretaget for en lille gruppe på omkring hundrede galakser, og disse målinger fandt faktisk mere gas omkring elliptiske galakser, men det er stadig uklart, hvor repræsentative disse målinger er for de 259, 000 galakser, der blev undersøgt i den nuværende forskning.

Mørkt stof til sejren?

Hvis det viser sig, at ekstra gas ikke kan forklare forskellen mellem de to typer galakser, så er resultaterne af målingerne lettere at forstå i form af mørkt stof partikler end i form af alternative tyngdekraftsmodeller. Men selv da sagen er ikke afgjort endnu. Mens de målte forskelle er svære at forklare ved hjælp af MOND, Erik Verlinde ser stadig en vej ud for sin egen model. Verlinde:"Min nuværende model gælder kun for statisk, isoleret, sfæriske galakser, så det kan ikke forventes at skelne mellem de forskellige typer galakser. Jeg ser disse resultater som en udfordring og inspiration til at udvikle en asymmetrisk, dynamisk version af min teori, hvor galakser med en anden form og historie kan have en anden mængde 'tilsyneladende mørkt stof'."

Derfor, selv efter de nye målinger, striden mellem mørkt stof og alternative gravitationsteorier er ikke afgjort endnu. Stadig, de nye resultater er et stort skridt fremad:hvis den målte forskel i tyngdekraften mellem de to typer galakser er korrekt, så den ultimative model, hvad end det er, skal være præcis nok til at forklare denne forskel. Det betyder især, at mange eksisterende modeller kan kasseres, som i betydelig grad udtynder landskabet af mulige forklaringer. Oven i købet, den nye forskning viser, at systematiske målinger af den varme gas omkring galakser er nødvendige. Edwin Valentijn formulerer er som følger:"Som observationsastronomer, vi er nået til det punkt, hvor vi er i stand til at måle den ekstra tyngdekraft omkring galakser mere præcist, end vi kan måle mængden af ​​synligt stof. Den kontraintuitive konklusion er, at vi først skal måle tilstedeværelsen af ​​almindeligt stof i form af varm gas omkring galakser, før fremtidige teleskoper som Euclid endelig kan løse mysteriet med mørkt stof."