Nová data podporují modifikované vysvětlení gravitace pro temnou hmotu, k velkému překvapení výzkumníků
Temná hmota je extrémně dobrá teorie. Je podporována velkým množstvím pozorovacích a výpočetních dat, a proto je součástí standardního modelu kosmologie. Ale temná hmota nebyla přímo pozorována, takže někdy jsou dokonce i silní zastánci temné hmoty motivováni podívat se na alternativy.
Nejoblíbenější alternativa je známá jako Modified Newtonian Dynamics (MoND), také známá jako modifikovaná gravitace. Důkazy, které máme pro temnou hmotu, předpokládají, že naše chápání gravitace je správné. Newtonovská gravitace i obecná teorie relativity byly pozorováním silně potvrzeny, takže předpoklad temné hmoty je naprosto rozumný. Ale MoND předpokládá, že na základní úrovni je naše chápání gravitace mírně špatné.
Robert DuBois s přístrojem Eötvös. Kredit: Missouri Science & Tech
Gravitační teorie Newtona i Einsteina závisí na základním jevu známém jako silný princip ekvivalence. To znamená, že setrvačná hmotnost objektu (jak odolává změně pohybu) a jeho gravitační hmotnost (jak táhne jiné hmoty) jsou úměrné. Výsledkem tohoto principu je, že veškerá hmota padá v gravitačním poli stejnou rychlostí. Tento efekt byl potvrzen tzv. Eötvösovými experimenty. Princip silné ekvivalence platí v rámci jedné části z 1014, což je aktuální pozorovací limit.
V nejběžnějších verzích MoND není setrvačná hmotnost objektu úměrná gravitační hmotnosti kvůli „efektu vnějšího pole“. V newtonovské fyzice je setrvačná hmotnost objektu inherentní vlastností, která existuje nezávisle na čemkoli kolem něj. V MoND závisí setrvačná hmotnost na gravitační hmotnosti objektu a také na čisté gravitační síle ze zbytku vesmíru. Jinými slovy, setrvačná hmota je spíše emergentní vlastnost než vlastnost inherentní.
Pozorovaná galaktická rotace (B) vs. standardní předpověď (A). Kredit: Phil Hibbs
MoND byl představen k vysvětlení pozorovaného pohybu hmoty v galaxiích, což bylo také motivací pro zavedení temné hmoty. Ve většině galaxií je většina viditelné hmoty soustředěna blízko středu. Hvězdy poblíž středu galaxie by se tedy měly pohybovat rychleji než hvězdy poblíž okraje, stejně jako se vnitřní planety naší sluneční soustavy pohybují rychleji než vnější planety. Ale pozorujeme, že hvězdy ve většině galaxií mají tendenci se pohybovat podobnou rychlostí bez ohledu na jejich vzdálenost od středu. V astronomii říkáme, že pozorovaná rotační křivka neodpovídá předpovědi.
V modelu temné hmoty jsou tyto křivky vysvětleny skutečností, že temná hmota obsahuje většinu hmoty v galaxii a obklopuje galaxii v halo, takže většina hmotynenísoustředěný ve středu. MoND vysvětluje křivky tím, že předpokládá, že gravitační přitažlivost z jiných galaxií vyladí setrvační hmotu hvězd dále od středu, což je důvod, proč se pohybují rychleji, než se očekávalo.
Rotační křivky by měly být vycentrovány na nulu, ale nejsou. Kredit: Chae, Kyu-Hyun a kol
Ale pokud je MoND správné, měla by existovat korelace mezi rotační křivkou galaxie a rozložením dalších blízkých galaxií. Zde přichází tato nová studie. Tým použil databázi Spitzer Photometry a Accurate Rotation Curves (SPARC) ke studiu rotačních křivek 175 galaxií. Porovnali rotační křivku každé galaxie s průměrnou distribucí blízkých galaxií. Pokud je model temné hmoty správný, nemělo by rozložení blízkých galaxií ovlivnit rotační křivku. Pokud je MoND správné, distribuce a výsledný efekt vnějšího pole (EFE) by měly ovlivnit křivky.
Překvapivě, dokonce šokujícím způsobem, jejich studie zjistila jasný účinek. V galaxiích s nejsilnějšími vnějšími poli byla EFE potvrzena s jistotou 8 až 11 sigma. Experimenty se obvykle považují za potvrzené, pokud je účinek vyšší než 5 sigma. Tým také neviděl křivkový efekt pro galaxie se slabými vnějšími poli. Celkově je to opravdu dobrý důkaz pro jednu studii. A co víc, tým očekával, že tato studie vyvrátí MoND, takže jsou výsledky stejně překvapeni.
Celkově je to fascinující studie. Nevyvrací temnou hmotu, protože četné studie podporují účinky temné hmoty, ale podporuje aspekt modifikované gravitace. Je to neočekávaný výsledek a je třeba ho dále studovat. MoND je mezi astronomy dlouho v nemilosti, ale tato studie ukazuje, že bychom legendě o jeho pádu ještě docela věřit neměli.
Odkaz:Chae, Kyu-Hyun a kol. “ Testování principu silné ekvivalence: Detekce vlivu vnějšího pole v rotačně podporovaných galaxiích .'The Astrophysical Journal904,1 (2020): 51.