Jie sako, kad visatoje yra daugiausia tamsiosios materijos (jei kalbėtume apie medžiagą apskritai). Ir vis dėlto kasdieniame gyvenime praktiškai su tuo nesusiduriame. Mes žinome, kad saulė - pats masyviausias objektas Saulės sistemoje - pagaminta iš paprastos materijos (protonų, neutronų ir elektronų), tačiau yra daugybė kitų šaltinių, įskaitant planetas, dujas, dulkes, plazmą ir žvaigždžių liekanas. Tamsiosios materijos nėra tarp jų - ir net standartinis modelis neapibūdina jos dalelių. Žinoma, tamsioji materija nėra vienintelis būdas paaiškinti pastebėtus Visatos gravitacijos reiškinius. Kitas variantas yra modifikuoti gravitacijos teoriją, kurią daugelis jau bandė padaryti. Dėl to kilo mintis apie modifikuotą Niutono dinamiką (MOND) ir kitas teorijas, kurios vis dar yra populiarios tamsiosios materijos alternatyvos.
Norėdami pradėti kur nors, turime grįžti į 1800-uosius ir kalbėti apie problemą, egzistavusią dar gerokai prieš „trūkstamą masę“(arba „trūkstamą šviesą“), kurią bando išspręsti tamsioji materija ir MOND: Urano-Merkurijaus problemą. Niutono gravitacijos įstatymas, kurio pradininkas buvo Niutonas dar 1600-aisiais, nepaprastai sėkmingai aprašė viską - kiek mes žinome - jis buvo pritaikytas. Nuo sviedinių judėjimo iki riedančių objektų; nuo daiktų svorio iki švytuoklės laikrodžio pažymėjimo; pradedant valties plūdrumu ir baigiant Mėnulio orbita aplink Žemę, Niutono gravitacija niekada nenusileido.
Trys Keplerio dėsniai, ypatingas Niutono gravitacinės formulės atvejis, buvo vienodai taikomi visoms žinomoms planetoms:
1. Planetos juda elipsėmis, o Saulė yra viename iš židinių.
2. Kiekviena planeta juda plokštumoje, einančioje per Saulės centrą, ir vienodais laiko tarpais spindulio vektorius, jungiantis Saulę ir planetą, apibūdina lygias sritis.
3. Aplink Saulę esančių planetų orbitinių periodų kvadratai vadinami pusiau didžiųjų planetų ašių kubais.
Žinomas vidinis ir išorinis pasauliai visi laikėsi šių dėsnių, todėl šimtus metų nebuvo nustatyta jokių nukrypimų. Tačiau 1781 m. Atradus Uraną kažkas pasikeitė. Nors paskutinė iš atrastų planetų judėjo elipsėje aplink Saulę, ji judėjo neteisingu greičiu, palyginti su numatomais gravitacijos dėsniais.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Per pirmuosius 20 metų nuo atidarymo ji judėjo greičiau, kiekvieną vakarą ir metus, nei diktavo įstatymai. Per ateinančius 20–25 metus planeta judėjo griežtai laikydamasi įstatymų. Bet tada jis sulėtėjo ir greitis nukrito žemiau numatyto.
Ar buvo gravitacijos dėsnyje klaida? Gal būt. Bet taip pat gali būti, kad buvo šiek tiek daugiau materijos - kažko nematomos, tamsios materijos -, kuri paveikė Uraną, sukeldama sutrikimų jo orbitoje. Tai labiau panašu į tiesą. Po teorinio karo tarp Urbaino Le Verrierio ir Johno Coacho Adamso, kurie dirbo savarankiškai ir spėjo apie naujos planetos vietą, Le Verrierio prognozes 1846 m. Rugsėjo 23 d. Patvirtino Johannas Halle'as ir jo padėjėjas Heinrichas d'Arre'as. Atrasta Neptūno planeta, pirmasis objektas, kurio egzistavimas buvo padarytas iš jos masės padarinių: gravitacinės įtakos.
Kita vertus, vidinė Merkurijaus planeta - padidėjusio stebėjimų tikslumo dėka ir kartu su pasaulietiniais duomenimis - ėmė rodyti dar keistesnį gravitacijos dėsnių pažeidimą. Jei Keplerio įstatymai numatė, kad planetos turėtų judėti idealiomis elipsėmis, o Saulė yra viename iš židinių, tada su sąlyga, kad nėra kitų masių, kurios pažeidžia ar veikia sistemą. Bet aplink nėra masių, o Merkurijus nejuda išilgai tobulos elipsės. Jo elipsė laikui bėgant pranašaujasi.
Naudodami Niutono traukos dėsnius galėtume atsižvelgti į visų žinomų planetų (įskaitant Neptūną) įtaką. Atlikę visa tai, pastebėsime, kad išlieka nedidelis numatomo ir pastebėto neatitikimas: 43 precedencija per amžių arba 0,012 laipsniai per šimtmetį. Bet tai nebuvo atsitiktinumas.
Koks paaiškinimas šį kartą? Ar ši nauja nematoma masė yra susijusi su Merkurijaus interjeru? O gal tikroji problema įsivėlė į traukos dėsnį? Kruopščiai ieškant atsakymo į šį klausimą atsirado nauja teorinė Vulcan planeta, kuri turėjo būti arčiau Saulės nei visos kitos. Tačiau „Vulcan“nebuvo rastas. Sprendimas buvo 1915 m., Kai Einšteinas išdėstė savo bendrojo reliatyvumo teoriją.
Dabar praleisime laiką iki 1970-ųjų - iki daugybės mokslinių Vera Rubin pastebėjimų. Mes stebime atskiras galaktikas, ypač galūnes, esančias ant krašto, ir matuojame jų greičio profilius. Pažvelgiame į vieną galaktikos pusę ir matome, kad ji juda link mūsų (mėlynu poslinkiu), pažvelgiame į kitą - ji tolsta nuo mūsų (raudonu poslinkiu) ir taip nustatome galaktikos sukimąsi. Ko mes iš jų tikimės? Kaip ir mūsų Saulės sistema, vidinės žvaigždės turi suktis greičiau, o kuo toliau nuo centro, tuo mažesnis greitis turi būti. Bet ne tai mes randame.
Vietoj to, kiekvienos atskiros galaktikos sukimosi greitis išlieka pastovus, neatsižvelgiant į atstumą. Kodėl? Vėlgi, yra du variantai: arba reikia tobulinti gravitacijos dėsnius, arba mes turime manyti, kad egzistuoja nematoma perteklinė masė.
Pirmą kartą MOND pastebėjo Moti Milgromas 1981 m., Kuris pastebėjo, kad jei mes pakeisime gravitacijos dėsnį labai mažais pagreičiais - panašiai kaip nanometro per sekundę kvadrato dalys, mes galime paaiškinti šias sukimosi kreives. Be to, ta pati modifikacija, viena ir nuosekli, galėtų paaiškinti visų galaktikų sukimąsi nuo mažiausios iki didžiausios. MOND vis dar tai daro ir daro gerai.
Kita vertus, tamsioji materija rodo, kad be įprastų Standartinio modelio dalelių ir įprastos „protonų, neutronų ir elektronų“materijos, sudarančios beveik viską, ką žinome, yra ir naujo tipo materija. Norėdami paaiškinti sukimosi reiškinį, buvo pasiūlyta įvesti didelę materijos aureolę, kuri nesąveikauja su šviesa, tačiau nesulimpa ir nesusijusi su įprasta materija, išskyrus gravitacinę. Tai buvo tamsiosios materijos idėja.
Tamsioji materija gali paaiškinti šias sukimosi kreives, tačiau ji to nepadaro taip gerai, kaip MOND. Skaitinės aureolių simuliacijos, kurios sukuria net paprasčiausius tamsiosios medžiagos modelius, neatitinka stebėjimų; aureolės yra per daug „numuštos“centre ir per „pūkuotos“pakraštyje. (Techniniu požiūriu atrodo, kad jie yra daugiau izoterminiai nei tikėtasi). Trumpai tariant, iš pradžių MOND buvo aiškus lyderis.
Bet ten toliau prasidėjo visa Visata. Kai siūlote naują teoriją, kuri pakeistų senąją - kaip bendrasis reliatyvumas pakeitė Niutono dėsnius - jūsų teorija turi atitikti tris principus:
1. Ji turi atkartoti ankstesnės pagrindinės teorijos sėkmę.
2. Jis turi sėkmingai paaiškinti naują reiškinį (ar reiškinius), kuriam jis buvo sukurtas.
3. Ir ji turi pateikti naujas prognozes, kurios bus eksperimentiškai ar stebėjimo būdu patikrintos, patvirtintos ar paneigtos, kad tai būtų būdinga tik naujajai teorijai.
Mes kalbame apie visas ankstesnės pagrindinės teorijos sėkmes, ir jų yra daug.
Yra gravitacinis žvaigždės šviesos kreivumas pagal masę, stiprus ir silpnas gravitacinis lęšis. Yra Shapiro efektas. Yra gravitacinis laiko išsiplėtimas ir gravitacinis raudonas poslinkis. Yra Didžiojo sprogimo ir besiplečiančios visatos samprata. Galaktikų judėjimas grupėse vyksta ir pačių galaktikų sankaupos didžiausiomis skalėmis.
Visų šių pavyzdžių atveju - visi - MOND patiria triuškinamą pralaimėjimą arba nesiūlydamas jokių prognozių, arba pateikdamas prognozes, kurios varginančiai neatitinka turimų duomenų. Galite teisingai pažymėti, kad MOND niekada nebuvo skirta išsamiai teorijai, o veikiau aprašant vieną reiškinį, galintį sukurti išsamesnę teoriją. Daugelis žmonių kuria MOND plėtinį, kuris galėtų paaiškinti šiuos pastebėjimus, tačiau nesėkmingai.
Bet jei tęsite Einšteino traukos dėsnį ir tiesiog pridėsite naują ingredientą - šaltą tamsiąją medžiagą, galite paaiškinti viską, įskaitant keletą neįprastų naujų niuansų.
Jūs galite paaiškinti klasterio modelį, kuris pastebimas didelio masto Visatos struktūroje, jei turite penkis kartus daugiau tamsiosios medžiagos nei įprasta materija.
Ir dar įspūdingiau yra tai, kad galite padaryti visiškai naują prognozę: susidūrus dviem galaktikų sankaupoms, juose esančios dujos įkaista, sulėtėja ir skleidžia rentgeno spindulius, o masė, kurią matome gravitaciniu lęšiu, seka tamsiąją medžiagą ir ją pakeičia rentgeno spinduliai. Ši nauja prognozė buvo patvirtinta eksperimentiniu būdu ir jau dešimt metų, suteikdama netiesioginį tamsiosios materijos egzistavimo patvirtinimą.
MOND turi pranašumą paaiškinti galaktikos sukimosi kreives geriau nei tamsioji medžiaga. Bet tai nėra fizinė teorija ir ji netinka visam mūsų turimam stebėjimų rinkiniui. Tamsioji materija egzistuoja - bent jau teoriškai - nes ji suteikia mums tą pačią visatą, nuoseklią, be jokių modifikacijų.
Tačiau dabartinės MOND nesėkmės, kosmologinės, padaro ją žemiau tamsiosios materijos. Tegul jis atkartoja visas bendrojo reliatyvumo sėkmes, paaiškina naujus reiškinius, pateikia prognozes, kurias galima patvirtinti - ir mokslininkai neabejotinai pereis į naują tikėjimą. Juk jie yra geri mokslininkai.