Deze natuurkundigen geven de voorkeur aan de nieuwe zwaartekrachttheorie

Met behulp van de natuurkundige wetten van Newton kunnen we de bewegingen van de planeten in het zonnestelsel met volledige nauwkeurigheid modelleren. In het begin van de jaren zeventig ontdekten wetenschappers echter dat Dit werkte niet voor hem schijf sterrenstelsels De sterren aan hun buitenranden, weg van de zwaartekracht van alle materie in hun centrum, bewogen veel sneller dan de theorie van Newton voorspelde.

Als gevolg hiervan suggereerden natuurkundigen dat een onzichtbare substantie genaamd “donkere materie“Het zorgde voor een extra aantrekkingskracht, waardoor sterren versnelden – een theorie die algemeen aanvaard werd. laatste recensie Mijn collega’s en ik suggereren dat waarnemingen over een breed scala van schalen veel beter kunnen worden verklaard in een alternatieve zwaartekrachttheorie genaamd Milgromiaanse dynamiek of maandag – Vereist geen onzichtbaar materiaal. Het werd voor het eerst voorgesteld door de Israëlische natuurkundige Mordechai Milgrom in 1982.

De basisveronderstelling van Mond is dat wanneer de zwaartekracht te zwak wordt, zoals aan de rand van sterrenstelsels, het zich anders begint te gedragen dan de Newtoniaanse fysica. Op deze manier is het mogelijk uitleggen Waarom sterren, planeten en gas in de buitenwijken van meer dan 150 sterrenstelsels sneller ronddraaien dan verwacht, alleen op basis van hun zichtbare massa. Mond is echter niet alleen uitleggen Zoals rotatiecurven, in veel gevallen, Verwachten zij.

wetenschapsfilosofen ruzie maken Dat deze voorspellingskracht Mond superieur maakt aan het standaard kosmologische model, dat suggereert dat er meer donkere materie in het heelal is dan zichtbare materie. Dit komt omdat, volgens dit model, sterrenstelsels een uiterst onzekere hoeveelheid donkere materie bevatten die afhangt van de details van hoe het sterrenstelsel is gevormd – wat we niet altijd weten. Dit maakt het onmogelijk om te voorspellen hoe snel sterrenstelsels draaien. Maar dergelijke voorspellingen worden routinematig gedaan met Mond, en dat is tot nu toe bevestigd.

Stel je voor dat we de verdeling van zichtbare massa in een melkwegstelsel kennen, maar de rotatiesnelheid ervan nog niet. In het standaard kosmologische model zou alleen met enige zekerheid kunnen worden gezegd dat de rotatiesnelheid in de buitenwijken tussen 100 km/s en 300 km/s zou liggen. Mond geeft een meer specifieke voorspelling dat de rotatiesnelheid in het bereik van 180-190 km / s zou moeten liggen.

Als latere waarnemingen een rotatiesnelheid van 188 km/s laten zien, stemt dit overeen met beide theorieën – maar Mond is duidelijk de favoriet. Dit is een recente versie van Occam’s scheermes – dat de eenvoudigste oplossing beter is dan de meer complexe oplossingen, in welk geval we de noten moeten uitleggen met zo min mogelijk “vrije parameters”. Vrije parameters zijn constanten – bepaalde getallen die we in vergelijkingen moeten invoeren om ze te laten werken. Maar de theorie zelf heeft ze niet gegeven – er is geen reden voor het bestaan ​​van een bepaalde waarde – dus moeten we die meten door observatie. Een voorbeeld is de gravitatieconstante, G, in de gravitatietheorie of magnitude van Newton donkere materie in sterrenstelsels binnen het Standaard Kosmologisch Model.

We hebben een concept geïntroduceerd dat bekend staat als ’theoretische elasticiteit’ om het idee achter de code van Occam vast te leggen dat een theorie met de meeste vrije parameters consistent is met een breder scala aan gegevens – waardoor het complexer wordt. In onze review hebben we dit concept gebruikt bij het testen van het kosmologische model Standard en Mond tegen verschillende astronomische waarnemingen, zoals de rotatie van sterrenstelsels en bewegingen binnen clusters van sterrenstelsels.

Elke keer gaven we een theoretische elasticiteitsscore tussen -2 en +2. Een score van -2 geeft aan dat het model een duidelijke en nauwkeurige voorspelling doet zonder naar de gegevens te kijken. Omgekeerd staat +2 voor “alles mag” – theoretici hadden bijna elk redelijk waarnemingsresultaat kunnen passen (aangezien er zoveel vrije parameters zijn). We hebben ook beoordeeld hoe goed elk model bij de waarnemingen past, waarbij +2 een uitstekende pasvorm aangeeft en -2 is gereserveerd voor waarnemingen die duidelijk aantonen dat de theorie onjuist is. Vervolgens trekken we de mate van theoretische flexibiliteit af van die van overeenstemming met de waarnemingen, aangezien het goed matchen van de gegevens goed is – maar alles kunnen passen is slecht.

Een goede theorie zou duidelijke voorspellingen doen die later werden bevestigd, en een gecombineerde score van +4 op veel verschillende tests zou beter zijn (+2 – (- 2) = +4). Een slechte theorie krijgt een score tussen 0 en -4 (-2 – (+ 2) = -4). Nauwkeurige voorspellingen kunnen in dit geval mislukken – en het is onwaarschijnlijk dat ze werken met de verkeerde fysica.

We vonden een gemiddelde score voor het standaard kosmologische model -0,25 over 32 tests, terwijl Mond een gemiddelde score van +1,69 over 29 tests behaalde. De scores voor elke theorie op veel verschillende tests worden weergegeven in Figuren 1 en 2 hieronder voor respectievelijk het Standard en Mond kosmologische model.

Figuur 1. Vergelijking van het standaard kosmologische model met waarnemingen op basis van hoe goed de gegevens passen bij de theorie (bottom-up optimalisatie) en hoe flexibel het is bij het passen (van links naar rechts hoogte). De holle cirkel is niet meegenomen in onze evaluatie, omdat die gegevens werden gebruikt om parameters vrij te geven. Overgenomen uit tabel 3 van onze recensie. tegoed: Arxiv

Figuur 2. Vergelijkbaar met figuur 1, maar voor Mond met virtuele deeltjes die alleen door zwaartekracht interageren, worden ze steriele neutrino’s genoemd. Merk op dat er geen duidelijke vervalsing is. Overgenomen uit tabel 4 van onze recensie. tegoed: Arxiv

Het is meteen duidelijk dat er geen significante problemen zijn geïdentificeerd voor Mond, die in ieder geval redelijk overeenkomen met alle gegevens (merk op dat de onderste twee rijen die vervalsing aangeven leeg zijn in figuur 2).

donkere materie problemen

Een van de meest opvallende tekortkomingen van het Standard Cosmic Model heeft te maken met “staafstelsels” – heldere, staafvormige gebieden gemaakt van sterren – waarin spiraalstelsels vaak in hun centrale gebieden worden aangetroffen (zie hoofdafbeelding). De staven roteren in de tijd. Als sterrenstelsels zouden zijn ingebed in enorme halo’s van donkere materie, zouden hun staven vertragen. De meeste, zo niet alle, waargenomen galactische banden zijn echter snel. dit is nep Standaard kosmologisch model met een hoge mate van betrouwbaarheid.

Een ander probleem is dat originele modellen Dat de voorgestelde sterrenstelsels halo’s van donkere materie hebben, maakten een grote fout – ze gingen ervan uit dat donkere materiedeeltjes zwaartekracht aan de materie om hen heen geven, maar niet worden beïnvloed door de zwaartekracht van gewone materie. Dit vereenvoudigt de berekeningen, maar geeft niet de realiteit weer. Toen hiermee rekening werd gehouden in Volgende simulaties Het was duidelijk dat halo’s van donkere materie rond sterrenstelsels hun eigenschappen niet betrouwbaar verklaren.

Er zijn veel andere tekortkomingen van het standaard kosmologische model waar we naar hebben gekeken in onze recensie, en Mond was vaak in staat om: natuurlijk uitgelegd Opmerkingen. De reden dat het standaard kosmologische model zo populair is, kan echter te wijten zijn aan rekenfouten of beperkte kennis van de fouten, waarvan sommige recentelijk zijn ontdekt. Het kan ook te wijten zijn aan de onwil van mensen om de theorie van de zwaartekracht te wijzigen, die zo succesvol is geweest op veel andere gebieden van de natuurkunde.

Monds grote voorsprong op het Standaard Kosmologisch Model in onze studie bracht ons tot de conclusie dat de beschikbare waarnemingen sterk in het voordeel van Mond zijn. Hoewel we niet beweren dat Mond perfect is, denken we nog steeds dat het het grote geheel corrigeert – sterrenstelsels hebben echt geen donkere materie.

Geschreven door Indranil Banik, postdoctoraal onderzoeker in astrofysica, Universiteit van St. Andrews.

Dit artikel is voor het eerst gepubliceerd in Gesprek.

Referentie: “Van galactische staven tot Hubble-spanning: astrofysisch bewijs voor Melgromiaanse zwaartekracht wegen
Door Indranil Banik en Hongsheng Zhao, 27 juni 2022 Hier beschikbaar symmetrie.
DOI: 10.3390 / sym14071331