Diese Physiker bevorzugen die neue Gravitationstheorie

Unter Verwendung der Newtonschen Gesetze der Physik können wir die Bewegungen der Planeten im Sonnensystem mit vollständiger Genauigkeit modellieren. Wissenschaftler entdeckten dies jedoch Anfang der 1970er Jahre Das hat bei ihm nicht funktioniert Scheibengalaxien Die Sterne an ihren äußeren Rändern, weg von der Gravitationskraft der gesamten Materie in ihrem Zentrum, bewegten sich viel schneller, als Newtons Theorie vorhersagte.

Als Ergebnis schlugen Physiker vor, dass eine unsichtbare Substanz namens „Dunkle Materie„Sie sorgte für eine zusätzliche Gravitationskraft, wodurch Sterne beschleunigt wurden – eine Theorie, die weithin akzeptiert wurde letzte Bewertung Meine Kollegen und ich schlagen vor, dass Beobachtungen über einen weiten Bereich von Skalen viel besser in einer alternativen Gravitationstheorie namens Milgromian Dynamics oder erklärt werden Mond – Benötigt kein unsichtbares Material. Es wurde erstmals 1982 vom israelischen Physiker Mordechai Milgrom vorgeschlagen.

Monds Grundannahme ist, dass, wenn die Gravitation zu schwach wird, wie sie es in der Nähe der Ränder von Galaxien tut, sie beginnt, sich anders zu verhalten als die Newtonsche Physik. Auf diese Weise ist es möglich erklären Warum sich Sterne, Planeten und Gas in den Außenbezirken von mehr als 150 Galaxien schneller drehen als aufgrund ihrer sichtbaren Masse erwartet. Mond ist jedoch nicht nur erklären Wie Rotationskurven, in vielen Fällen Erwarten von sie.

Philosophen der Wissenschaft streiten Diese Vorhersagekraft macht Mond dem kosmologischen Standardmodell überlegen, das darauf hindeutet, dass es im Universum mehr dunkle Materie als sichtbare Materie gibt. Denn nach diesem Modell enthalten Galaxien eine extrem unsichere Menge an Dunkler Materie, die von den Details der Entstehung der Galaxie abhängt – die wir nicht immer kennen. Dies macht es unmöglich vorherzusagen, wie schnell Galaxien rotieren. Aber solche Vorhersagen werden bei Mond routinemäßig gemacht, und das hat sich bisher bestätigt.

Stellen Sie sich vor, wir kennen die Verteilung der sichtbaren Masse in einer Galaxie, aber noch nicht ihre Rotationsgeschwindigkeit. Im kosmologischen Standardmodell könnte man nur mit einiger Sicherheit sagen, dass die Rotationsgeschwindigkeit in den Vororten zwischen 100 km/s und 300 km/s liegen würde. Mond gibt eine genauere Vorhersage, dass die Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 180-190 km / s liegen sollte.

Wenn spätere Beobachtungen eine Rotationsgeschwindigkeit von 188 km/s ergeben, stimmt das mit beiden Theorien überein – aber Mond ist klarer Favorit. Dies ist eine neuere Version von Ockhams Rasiermesser – dass die einfachste Lösung besser ist als die komplexeren Lösungen, in diesem Fall müssen wir die Hinweise mit möglichst wenigen „freien Parametern“ erläutern. Freie Parameter sind Konstanten – bestimmte Zahlen, die wir in Gleichungen eingeben müssen, damit sie funktionieren. Aber die Theorie selbst hat sie nicht gegeben – es gibt keinen Grund für die Existenz eines bestimmten Werts – also müssen wir ihn durch Beobachtung messen. Ein Beispiel ist die Gravitationskonstante G in Newtons Gravitationstheorie oder -größe Dunkle Materie in Galaxien innerhalb des kosmologischen Standardmodells.

Wir haben ein Konzept eingeführt, das als „theoretische Elastizität“ bekannt ist, um die Idee hinter Occams Code zu erfassen, dass eine Theorie mit den meisten freien Parametern mit einer größeren Bandbreite von Daten konsistent ist – was sie komplexer macht. In unserem Review haben wir dieses Konzept verwendet, als wir das kosmologische Modell von Standard und Mond anhand verschiedener astronomischer Beobachtungen, wie der Rotation von Galaxien und Bewegungen innerhalb von Galaxienhaufen, getestet haben.

Jedes Mal gaben wir einen theoretischen Elastizitätswert zwischen -2 und +2. Eine Punktzahl von -2 zeigt an, dass das Modell eine klare und genaue Vorhersage macht, ohne die Daten zu betrachten. Umgekehrt steht +2 für „anything goes“ – Theoretiker hätten fast jedes vernünftige Beobachtungsergebnis anpassen können (da es so viele freie Parameter gibt). Wir haben auch bewertet, wie gut jedes Modell zu den Beobachtungen passt, wobei +2 eine hervorragende Anpassung anzeigt und -2 für Beobachtungen reserviert ist, die eindeutig zeigen, dass die Theorie falsch ist. Dann subtrahieren wir den Grad der theoretischen Flexibilität von dem Grad der Übereinstimmung mit den Beobachtungen, da es gut ist, die Daten gut abzugleichen – aber alles anpassen zu können, ist schlecht.

Eine gute Theorie würde klare Vorhersagen machen, die später bestätigt werden, und eine kombinierte Punktzahl von +4 bei vielen verschiedenen Tests wäre besser (+2 – (-2) = +4). Eine schlechte Theorie erhält eine Punktzahl zwischen 0 und -4 (-2 – (+ 2) = -4). Genaue Vorhersagen können in diesem Fall fehlschlagen – und es ist unwahrscheinlich, dass sie mit der falschen Physik funktionieren.

Wir fanden eine durchschnittliche Punktzahl für das Kosmologische Standardmodell von -0,25 in 32 Tests, während Mond in 29 Tests eine durchschnittliche Punktzahl von +1,69 erreichte. Die Ergebnisse für jede Theorie bei vielen verschiedenen Tests sind in den Abbildungen 1 und 2 unten für das kosmologische Standard- bzw. das Mond-Modell dargestellt.

Abbildung 1. Vergleich des kosmologischen Standardmodells mit Beobachtungen basierend darauf, wie gut die Daten mit der Theorie übereinstimmen (Bottom-up-Optimierung) und wie flexibel sie bei der Anpassung sind (Höhe von links nach rechts). Der Hohlkreis wird in unserer Auswertung nicht berücksichtigt, da diese Daten zur Einstellung freier Parameter verwendet wurden. Wiedergabe aus Tabelle 3 unseres Reviews. Kredit: Arxiv

Figur 2. Ähnlich wie Abbildung 1, aber für Mond mit virtuellen Teilchen, die nur durch die Schwerkraft interagieren, werden sie als sterile Neutrinos bezeichnet. Beachten Sie, dass keine offensichtliche Fälschung vorliegt. Wiedergabe aus Tabelle 4 unseres Reviews. Kredit: Arxiv

Es ist sofort klar, dass für Mond keine signifikanten Probleme festgestellt wurden, was zumindest einigermaßen mit allen Daten übereinstimmt (beachten Sie, dass die unteren beiden Zeilen, die eine Fälschung anzeigen, in Abbildung 2 leer sind).

Probleme mit dunkler Materie

Einer der auffälligsten Fehler des kosmischen Standardmodells hat mit „Balkengalaxien“ zu tun – helle, stabförmige Regionen aus Sternen – in deren zentralen Regionen häufig Spiralgalaxien zu finden sind (siehe Hauptbild). Die Balken rotieren mit der Zeit. Wenn Galaxien in riesige Halos aus dunkler Materie eingebettet wären, würden ihre Stäbchen langsamer werden. Die meisten, wenn nicht alle beobachteten galaktischen Bänder sind jedoch schnell. das ist gefälscht Kosmologisches Standardmodell mit hohem Vertrauensgrad.

Ein weiteres Problem ist das Originalmodelle Dass die vorgeschlagenen Galaxien Halos aus dunkler Materie haben, machte einen großen Fehler – sie gingen davon aus, dass Partikel aus dunkler Materie der sie umgebenden Materie Gravitation verleihen, aber nicht von der Anziehungskraft gewöhnlicher Materie beeinflusst werden. Dies vereinfacht die Berechnungen, spiegelt aber nicht die Realität wider. Als dies berücksichtigt wurde in Nachfolgende Simulationen Es war klar, dass Halos aus dunkler Materie um Galaxien ihre Eigenschaften nicht zuverlässig erklären.

Es gibt viele andere Fehler des kosmologischen Standardmodells, die wir in unserem Review untersucht haben, und Mond konnte dies oft tun natürlich erklärt Anmerkungen. Der Grund dafür, dass das kosmologische Standardmodell so beliebt ist, kann jedoch an Rechenfehlern oder begrenztem Wissen über seine Fehler liegen, von denen einige kürzlich entdeckt wurden. Es kann auch an der Zurückhaltung der Menschen liegen, die Gravitationstheorie zu modifizieren, die in vielen anderen Bereichen der Physik so erfolgreich war.

Der große Vorsprung von Mond gegenüber dem kosmologischen Standardmodell in unserer Studie ließ uns zu dem Schluss kommen, dass die verfügbaren Beobachtungen Mond stark begünstigen. Obwohl wir nicht behaupten, dass Mond perfekt ist, glauben wir dennoch, dass es das Gesamtbild korrigiert – Galaxien fehlt es wirklich an dunkler Materie.

Geschrieben von Indranil Banik, Postdoctoral Research Fellow in Astrophysik, University of St. Andrews.

Dieser Artikel erschien zuerst in Gespräch.

Referenz: „Von galaktischen Stäbchen zur Hubble-Spannung: Wiegen astrophysikalischer Beweise für die Melgromsche Schwerkraft
Von Indranil Banik und Hongsheng Zhao, 27. Juni 2022 Hier erhältlich Symmetrie.
DOI: 10.3390 / sym14071331