Mørkt stof:Vores anmeldelse foreslår, at det er på tide at droppe det til fordel for en ny tyngdekraftsteori

Vi kan modellere planeternes bevægelser i solsystemet ret præcist ved hjælp af Newtons fysiklove. Men i begyndelsen af ​​1970'erne bemærkede videnskabsmænd, at dette ikke virkede for diskgalakser - stjerner ved deres ydre kanter, langt fra tyngdekraften af ​​alt stof i deres centrum - bevægede sig meget hurtigere end Newtons teori forudsagde.

Dette fik fysikere til at foreslå, at et usynligt stof kaldet "mørk stof" gav ekstra tyngdekraft, hvilket fik stjernerne til at fremskynde - en teori, der er blevet enormt populær. Men i en nylig gennemgang foreslår mine kolleger og jeg, at observationer på tværs af en lang række skalaer er meget bedre forklaret i en alternativ teori om tyngdekraft, foreslået af den israelske fysiker Mordehai Milgrom i 1982, kaldet Milgromian dynamics eller Mond – der ikke kræver noget usynligt stof.

Monds hovedpostulat er, at når tyngdekraften bliver meget svag, som det sker ved kanten af ​​galakser, begynder den at opføre sig anderledes end newtonsk fysik. På denne måde er det muligt at forklare, hvorfor stjerner, planeter og gas i udkanten af ​​over 150 galakser roterer hurtigere end forventet ud fra netop deres synlige masse. Men Mond forklarer ikke kun sådanne rotationskurver forudsiger i mange tilfælde dem.

Videnskabsfilosoffer har hævdet, at denne forudsigelsesevne gør Mond overlegen i forhold til den standard kosmologiske model, som foreslår, at der er mere mørkt stof i universet end synligt stof. Dette skyldes, ifølge denne model, at galakser har en meget usikker mængde mørkt stof, der afhænger af detaljer om, hvordan galaksen blev dannet – hvilket vi ikke altid ved. Dette gør det umuligt at forudsige, hvor hurtigt galakser skal rotere. Men sådanne forudsigelser laves rutinemæssigt med Mond, og indtil videre er disse blevet bekræftet.

Forestil dig, at vi kender fordelingen af ​​synlig masse i en galakse, men endnu ikke kender dens rotationshastighed. I den standard kosmologiske model ville det kun være muligt at sige med en vis sikkerhed, at rotationshastigheden vil komme ud mellem 100 km/s og 300 km/s i udkanten. Mond kommer med en mere sikker forudsigelse om, at rotationshastigheden skal være i området 180–190 km/s.

Hvis observationer senere afslører en rotationshastighed på 188 km/s, så er dette i overensstemmelse med begge teorier - men det er klart, at Mond foretrækkes. Dette er en moderne version af Occams barbermaskine - at den enkleste løsning er at foretrække frem for mere komplekse, i dette tilfælde at vi skal forklare observationer med så få "frie parametre" som muligt. Frie parametre er konstanter – visse tal, som vi skal sætte ind i ligninger for at få dem til at fungere. Men de er ikke givet af teorien selv - der er ingen grund til, at de skulle have nogen særlig værdi - så vi er nødt til at måle dem observationelt. Et eksempel er gravitationskonstanten, G, i Newtons gravitationsteori eller mængden af ​​mørkt stof i galakser inden for den kosmologiske standardmodel.

Vi introducerede et koncept kendt som "teoretisk fleksibilitet" for at fange den underliggende idé om Occams barbermaskine, at en teori med flere frie parametre stemmer overens med et bredere udvalg af data – hvilket gør det mere komplekst. I vores gennemgang brugte vi dette koncept, når vi testede den kosmologiske standardmodel og Mond mod forskellige astronomiske observationer, såsom rotation af galakser og bevægelser i galaksehobe.

Hver gang gav vi en teoretisk fleksibilitetsscore mellem –2 og +2. En score på –2 indikerer, at en model laver en klar, præcis forudsigelse uden at kigge på dataene. Omvendt indebærer +2 "alt går" - teoretikere ville have været i stand til at passe næsten ethvert plausibelt observationsresultat (fordi der er så mange frie parametre). Vi vurderede også, hvor godt hver model matcher observationerne, hvor +2 indikerer fremragende overensstemmelse og -2 reserveret til observationer, der tydeligt viser, at teorien er forkert. Vi trækker derefter den teoretiske fleksibilitetsscore fra den for overensstemmelsen med observationer, da det er godt at matche dataene – men det er dårligt at kunne passe til alt.

En god teori ville give klare forudsigelser, som senere bekræftes, ideelt set få en kombineret score på +4 i mange forskellige tests (+2 -(-2) =+4). En dårlig teori ville få en score mellem 0 og -4 (-2 -(+2)=-4). Præcise forudsigelser ville mislykkes i dette tilfælde – det er usandsynligt, at de fungerer med den forkerte fysik.

Vi fandt en gennemsnitlig score for den standard kosmologiske model på -0,25 på tværs af 32 test, mens Mond opnåede et gennemsnit på +1,69 på tværs af 29 test. Scoringerne for hver teori i mange forskellige test er vist i figur 1 og 2 nedenfor for henholdsvis den kosmologiske standardmodel og Mond.

Det er umiddelbart tydeligt, at der ikke blev identificeret større problemer for Mond, hvilket i det mindste plausibelt stemmer overens med alle data (bemærk, at de to nederste rækker, der angiver forfalskninger, er tomme i figuren nedenfor).

Problemerne med mørkt stof

En af de mest slående fejl i den kosmologiske standardmodel vedrører "galaksestænger" - stavformede lyse områder lavet af stjerner - som spiralgalakser ofte har i deres centrale områder (se blybillede). Stængerne roterer over tid. Hvis galakser var indlejret i massive glorier af mørkt stof, ville deres stænger bremse. De fleste, hvis ikke alle, observerede galaksestænger er dog hurtige. Dette forfalsker den standard kosmologiske model med meget høj tillid.

Et andet problem er, at de originale modeller, der antydede, at galakser havde glorier af mørkt stof begik en stor fejl - de antog, at partiklerne af mørkt stof gav tyngdekraften til stoffet omkring det, men var ikke påvirket af det normale stofs tyngdekraft. Dette forenklede beregningerne, men det afspejler ikke virkeligheden. Da dette blev taget i betragtning i efterfølgende simuleringer, var det klart, at mørkt stof-haloer omkring galakser ikke pålideligt forklarer deres egenskaber.

Der er mange andre fejl i den standard kosmologiske model, som vi undersøgte i vores gennemgang, hvor Mond ofte naturligt kan forklare observationerne. Grunden til, at den kosmologiske standardmodel ikke desto mindre er så populær, kan skyldes beregningsfejl eller begrænset viden om dens fejl, hvoraf nogle blev opdaget for ganske nylig. Det kan også skyldes folks modvilje mod at tilpasse en tyngdekraftsteori, der har været så succesfuld på mange andre områder af fysikken.

Monds enorme forspring i forhold til den kosmologiske standardmodel i vores undersøgelse fik os til at konkludere, at Mond er stærkt begunstiget af de tilgængelige observationer. Selvom vi ikke påstår, at Mond er perfekt, tror vi stadig, at det får det store billede korrekt - galakser mangler virkelig mørkt stof. + Udforsk yderligere

Nyt spin på galakserotation redder kontroversiel tyngdekraftsteori

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