Tarihteki iki yerçekimi krizine dönüp baktığımızda, karanlık madde sorunu Einstein'ı sunaktan uzaklaştıracak mı?
"Tüm teoriler boş beyin egzersizleridir, bu nedenle birisi ilk önce evrenin gerçek bileşimini belirlemediği sürece zaman kaybıdır." - Fritz Zwicky
Karanlık madde onlarca yıldır öneriliyor ve hala ne olduğunu bilmiyoruz. Neden karanlık maddenin var olduğuna inanmak zorundayız? Bilim adamları yerçekimi teorisinin büyük ölçekte sorunları olduğundan şüphe etmeyin, yani Şu anda, bahsettiğimiz yerçekimi teorisi küçük ölçeklerde gerçekten sorun değil, ancak galaksiler ve galaksi kümeleri gibi süper büyük yapılara uygulandığında kusurlu!
Aslında düşündüğümüz tüm bilim adamları bunu düşünmüş olmalı, sadece düşünmekle kalmayıp, aynı zamanda MOND teorisi olan değiştirilmiş Newton dinamiklerini de uygulamaya başladılar. Bugün MOND'nin ne olduğu hakkında konuşalım. Bu makul bir teori mi? Yerçekimimizde büyük ölçekte bir sorun var mı?
İlk olarak, 19. yüzyıla geri dönelim ve karanlık madde ve MOND "eksik kalite" sorununu çözmeye çalışmadan önce var olan bir sorundan bahsedelim: Uranüs ve Merkür ile ilgili sorun.
Yerçekimi teorisinin ilk krizi
Soldaki Uranüs, sağdaki ise Merkür.
17. yüzyılın başlarında Newton, çığır açan bir teori olan evrensel çekim yasasını önerdi.O zamanlar, evrensel çekim yasasının her şeye uygulanabilir olduğu görülüyordu. Bir kabuğun hareketinden yuvarlanan bir nesneye; bir nesnenin ağırlığından bir saatin sarkacına; bir geminin kaldırma kuvvetinden dünyanın yörüngesinde dönen ayın yörüngesine kadar, Newton'un yerçekimi hiçbir zaman başarısız olmadı.
Aslında, Newtonun yerçekimi formülünün özel bir durumu olan Keplerin üç yasası, bilinen tüm gezegenler için de geçerlidir:
- Gezegenler, güneşin odak noktası etrafında kapalı bir elips şeklinde yörüngede dönerler.
- Herhangi bir zaman diliminde, güneşin yörüngesinde dönerken her gezegenin taradığı alan aynıdır.
- Gezegenin yörünge periyodunun karesi, yarı büyük ekseninin küpü ile orantılıdır.
Güneş sisteminin bilinen iç ve dış dünyaları bu yasalara o kadar şaşırtıcı bir şekilde uyarlar ki, insanlar yüzlerce yıldır herhangi bir sapma fark etmemişlerdir. Ancak Uranüs'ün 1781'de keşfedilmesiyle işler değişti. Bu yeni gezegen aynı zamanda güneş etrafında eliptik bir yörüngede dönüyor olsa da, hızı evrensel çekim yasasının öngörüleriyle karşılaştırıldığında yanlış görünüyor.
Keşfedildikten sonraki ilk 20 yıl içinde yasanın gösterdiğinden daha hızlı hareket etti. Ancak önümüzdeki 20-25 yıl içinde yasanın öngördüğü hızda çalışacak gibi görünüyor. Ama sonra daha da yavaşladı ve hızı yerçekiminin tahmin ettiğinden daha düşüktü.
Evrensel çekim yasası yanlış mı? Mümkün, ancak belki de Uranüs'ün yakınında Uranüs'ü çeken ve yukarıdaki yörünge hızının sapmasına neden olan başka bir madde (bir tür görünmez madde veya karanlık madde) olması olabilir.
Neptün mavi, Uranüs yeşil, Jüpiter ve Satürn sırasıyla mavi ve turuncudur.
Gerçekler böyle olduğunu kanıtladı. Le Verrier ve John Cucci Adams bağımsız olarak hesapladılar ve Uranüs'ün ötesindeki yeni gezegenlerin konumunu tahmin ettiler. Bu teorik savaştan sonra, Le Verrier'in tahmini 23 Eylül 1846'da John Galle ve yardımcısı Heinrich Dessien tarafından doğrulandı. Şimdiye kadar keşfedilen Neptün, kütlesinin yani yerçekiminin etkisiyle varlığı tahmin edilen ilk gök cismi.
İkinci kriz
Öte yandan, birkaç yüzyıl boyunca veri birikimi ile birlikte insanların gözlem doğruluğunun iyileştirilmesi nedeniyle, en içteki gezegen Merkür, yerçekimi yasasının daha garip bir ihlalini göstermeye başladı. Kepler'in yasası, gezegenin güneşe ve yörüngeye tamamen kapalı bir eliptik yörüngede odaklanması gerektiğini öngörse de, öncül sistemin diğer kütlelerden hiçbir müdahalesi veya etkisinin olmamasıdır. Ancak, Merkür'ün çevresinde tamamen kapalı bir eliptik yörüngede hareket etmeyen başka kütleler de var. Aksine, Merkür'ün eliptik yörüngesi devinim halindedir.
Yukarıdaki şekilde yörüngenin devinimi, eliptik yörüngenin kapalı bir yörünge olmaması ve yörüngenin dönmesine neden olmasıdır.
Newton'un evrensel çekim yasasına göre, bilinen tüm diğer gezegenlerin (Neptün dahil) Merkür üzerindeki etkisini ve Dünya'nın deviniminin gözlemler üzerindeki etkisini değerlendirdik. Tüm bu tahminleri yaptıktan sonra, tahminler ve gözlemler arasında sadece küçük bir fark olduğunu gördük: Yüzyıl başına sadece 0,012 ° devinim.
Peki bu sefer açıklama nedir? Merkür yörüngesinde yeni, görünmez bir kütle var mı? Yoksa çekim yasasında bir sorun mu var? Bu yeni teorik gezegeni, yani güneşe daha yakın olan Vulcan'ı bulmak için insanlar kapsamlı bir araştırma yaptılar, ancak sözde Vulcan yok (ve yok). 1915'te Einstein, bu sorunu tamamen çözen genel görelilik teorisini önerdi.
Karanlık madde yerçekiminin üçüncü krizi mi olacak?
Şimdi, 1970'lerde, gökbilimci Vera Rubin galaksimizi tek bir yan yana (doğrudan değil, bize bakan taraf) gözlemledi ve galaksinin dönüşünün hız dağılımını ölçtü. Bize bakan galaksinin dönüşü nedeniyle bir taraf bize doğru hareket edecek ve maviye kayacak, diğer taraf bizden uzaklaşacak ve kırmızıya kayacaktır.
Bir galaksinin dönüşünün güneş sistemindekine benzer olması gerektiği mantıklıdır.İç yıldızlar daha hızlı dönerler ve merkezden uzaklaştıkça hızları azalacaktır. Ancak galaksilerin dönüşü böyle değil.
Tersine, galaksinin merkezi gittikçe uzaklaştıkça galaksinin dönüş hızı sabit kalır. Bunun sebebi nedir? Aynı iki olasılık: ya yerçekimi yasasının gözden geçirilmesi gerekiyor ya da galakside fazladan, görünmez kütle olduğunu varsaymamız gerekiyor.
MOND (değiştirilmiş Newton dinamikleri) teorisi ilk olarak 1981'de Moti Milgrom tarafından önerildi. Newton'un evrensel çekim yasasını çok küçük ivmeler altında değiştirirsek galaksilerin dönüşünü açıklayabileceğimizi gözlemledi. eğri. Başka bir deyişle, böyle bir değişiklik tüm galaksi dönüş problemlerini açıklayabilir.
Öte yandan karanlık madde hipotezini önermektir.Standart Modeldeki normal parçacıklara ve hemen hemen tüm bildiğimiz maddeyi oluşturan normal madde olan "protonlar, nötronlar ve elektronlar" a ek olarak, yeni bir tür madde var. Galaksinin dönme eğrisini açıklamak için bilim adamları, galaksinin etrafına, ışık ve normal madde ile etkileşmeyen, yani yapışmayan veya çarpışmayan büyük bir karanlık madde halesinin sarıldığını öne sürdüler. Bu karanlık madde kavramıdır.
Karanlık madde galaksilerin dönüş eğrisini açıklayabilir, ancak açıklaması MOND kadar iyi değildir. En basit karanlık madde modeli tarafından üretilen hale'nin sayısal simülasyonu, gözlem sonuçlarıyla tamamen tutarlı değildir; hale, merkezde çok "yoğun" ve çevrede çok "kabarık" tır. Sadece galaksinin dönme eğrisi problemini düşünürsek, MOND teorisi kesinlikle başka bir devrimci değişiklik olabilecek karanlık madde teorisinden daha iyidir. Mevcut yerçekimi teorisinin büyük ölçekte uygun olmadığını gösteriyor.
Ama sadece galaksilerimiz yok, aynı zamanda dışarıda tüm evren açıklamamızı bekliyor.
Tıpkı genel göreliliğin Newton yasasının yerini alması gibi, eski bir teorinin yerini alacak yeni bir teori önerdiğimizde, üç problemle yüzleşmemiz gerekir:
- Yeni teori, eski teorinin daha önce başarıyla açıkladığı tüm olayları açıklamalıdır.
- Yeni teori, açıkladığı olguyu eski teoriden daha iyi açıklamalıdır.
- Yeni teori, deneyler veya gözlemlerle doğrulanabilen yeni tahminler yapmalı ve bu tahmin yeni teoriye özgü olmalıdır.
Önceki yerçekimi teorisinin birçok başarısı var. Herkes bunu duymuştur.
Örneğin: Yıldız ışığı, güçlü yerçekimi mercekleme etkisi ve zayıf yerçekimi mercekleme etkisi, yerçekimsel zaman genişlemesi ve yerçekimsel kırmızıya kayma dahil olmak üzere yerçekimi kütlesi tarafından bükülecektir. Big bang çerçevesi ve evren genişlemesi kavramı. Galaksi kümelerindeki galaksilerin hareketi ve en büyük ölçekte galaksi kümelerinin hareketi.
MOND bu etkileri açıklayamaz, etkili yeni tahminler sunmaz ve ayrıca mevcut verilerle ciddi şekilde çelişir. Belki de, MOND henüz tam bir teori değil, ancak gelecekte daha fazla iyileştirme ve mükemmelliğe sahip olabilir. Birçok kişi şu anda MOND'nin uzantısını inceliyor. TeVeS dahil bu uzantıların başarılı örnekleri yok ( Bekenstein'ın tensör-vektör-skaler yerçekimi), MoG (John Moffatt modifiye edilmiş yerçekimi) ve diğerleri.
Ancak Einsteinın yerçekimi yasasını kullanmaya devam edersek ve basitçe evrene yeni bir bileşen eklersek (çarpışmayan soğuk karanlık madde), bazı muhteşem ve yeni nüanslar dahil her şeyi açıklayabiliriz. .
Karanlık madde olmadan var olamayacak "akustik zirveler" dahil olmak üzere, kozmik mikrodalga arka planın dalgalanmalarını açıklayabiliriz.
Yukarıdaki büyük "eğri" şekli ve eğrideki "salınım" da dahil olmak üzere, evrenin büyük ölçekli yapıdaki kümelenme modunu açıklayabilir.Karanlık maddenin kütlesi, sıradan maddenin 5 katıdır.
Ayrıca yeni bir tahmin de elde edebilirsiniz: iki galaksi kümesi birbiriyle çarpıştığında, içindeki gaz ısınır, yavaşlar ve x-ışınları (aşağıdaki resimde görülen pembe kısım) ve yerçekimi merceğinden gördüğümüz kütle (aşağıda Resimdeki mavi kısım karanlık maddedir. Bu yeni tahmin, gözlemlerle doğrulandı ve karanlık maddenin varlığının dolaylı bir doğrulamasıdır.
MOND gerçekten de karanlık maddede bazı zaferler elde etti: Galaksilerin dönüş eğrisini karanlık maddeden daha iyi açıklayabilir. Ancak henüz fiziksel bir teori değil ve sahip olduğumuz gözlemlerle tutarsız. Belki gelecekte MOND eninde sonunda daha eksiksiz bir yerçekimi teorisinin ipucu olacak, ancak yerçekimi teorisini değiştirmek için çok iddialı bir plan!
Ancak şimdilik, değiştirilmiş kütleçekim teorisi, kozmolojideki karanlık madde teorisinden çok daha düşük. Dahası, mevcut yerçekimi teorisinin büyük ölçekte sorunları olması gerektiği söylenemez!
