La materia oscura è stata proposta per spiegare perché le stelle all’estremità della galassia sono in grado di muoversi molto più velocemente di quanto previsto da Newton. Una teoria della gravità alternativa potrebbe essere una spiegazione migliore.

Usando le leggi della fisica di Newton, possiamo modellare i movimenti dei pianeti nel sistema solare con assoluta precisione. Tuttavia, all’inizio degli anni ’70, gli scienziati lo scoprirono Questo non ha funzionato per lui galassie a disco Le stelle ai loro bordi esterni, lontane dalla forza gravitazionale di tutta la materia al loro centro, si muovevano molto più velocemente di quanto previsto dalla teoria di Newton.

Di conseguenza, i fisici hanno suggerito che una sostanza invisibile chiamata “materia oscura“Forniva un’ulteriore attrazione gravitazionale, provocando l’accelerazione delle stelle, una teoria che divenne ampiamente accettata. Tuttavia, in a ultima recensione I miei colleghi ed io suggeriamo che le osservazioni su un’ampia gamma di scale siano spiegate molto meglio in una teoria alternativa della gravità chiamata dinamica milgromiana o Mond – Non richiede alcun materiale invisibile. Fu proposto per la prima volta dal fisico israeliano Mordechai Milgrom nel 1982.

L’assunto di base di Mond è che quando la gravità diventa troppo debole, come accade vicino al bordo delle galassie, inizia a comportarsi in modo diverso dalla fisica newtoniana. In questo modo è possibile spiegare Perché stelle, pianeti e gas alla periferia di oltre 150 galassie ruotano più velocemente del previsto in base solo alla loro massa visibile. Tuttavia, Mond non è solo spiegare Come le curve di rotazione, in molti casi, Aspettare essi.

filosofi della scienza litigare Che questo potere di predizione renda Mond superiore al modello cosmologico standard, il che suggerisce che c’è più materia oscura nell’universo che materia visibile. Questo perché, secondo questo modello, le galassie contengono una quantità estremamente incerta di materia oscura che dipende dai dettagli di come si è formata la galassia, cosa che non sempre sappiamo. Ciò rende impossibile prevedere la velocità di rotazione delle galassie. Ma tali previsioni vengono fatte di routine con Mond, e questo è stato finora confermato.

Immagina di conoscere la distribuzione della massa visibile in una galassia ma non ne conosciamo ancora la velocità di rotazione. Nel Modello Cosmico Standard, sarebbe solo possibile affermare con una certa sicurezza che la velocità di rotazione sarebbe compresa tra 100 km/s e 300 km/s in periferia. Mond fornisce una previsione più specifica che la velocità di rotazione dovrebbe essere compresa tra 180 e 190 km / s.

Se osservazioni successive rivelano una velocità di rotazione di 188 km/s, ciò concorda con entrambe le teorie, ma Mond è chiaramente il preferito. Questa è una versione recente di rasoio di Occam – che la soluzione più semplice è migliore delle soluzioni più complesse, nel qual caso dobbiamo spiegare le note con il minor numero possibile di “parametri liberi”. I parametri liberi sono costanti: determinati numeri che dobbiamo inserire nelle equazioni per farli funzionare. Ma la teoria stessa non li ha forniti – non c’è motivo per l’esistenza di un valore particolare – quindi dobbiamo misurarlo mediante l’osservazione. Un esempio è la costante gravitazionale, G, nella teoria o magnitudine gravitazionale di Newton materia oscura nelle galassie all’interno del Modello Cosmologico Standard.

Abbiamo introdotto un concetto noto come “elasticità teorica” ​​per catturare l’idea alla base del codice di Occam secondo cui una teoria con i parametri più liberi è coerente con una gamma più ampia di dati, rendendola più complessa. Nella nostra recensione, abbiamo utilizzato questo concetto per testare il modello cosmologico Standard e Mond rispetto a varie osservazioni astronomiche, come la rotazione delle galassie e i movimenti all’interno degli ammassi di galassie.

Ogni volta, abbiamo assegnato un punteggio di elasticità teorico compreso tra -2 e +2. Un punteggio di -2 indica che il modello sta facendo una previsione chiara e accurata senza guardare i dati. Al contrario, +2 sta per “va bene qualsiasi cosa” – i teorici avrebbero potuto adattarsi a quasi tutti i risultati di osservazione ragionevoli (dato che ci sono così tanti parametri liberi). Abbiamo anche valutato quanto bene ciascun modello si adatti alle osservazioni, dove +2 indica un adattamento eccellente e -2 è riservato alle osservazioni che mostrano chiaramente che la teoria è falsa. Quindi sottraiamo il grado di flessibilità teorica da quello di accordo con le osservazioni, poiché abbinare bene i dati è buono, ma essere in grado di adattarsi a qualsiasi cosa è negativo.

Una buona teoria renderebbe chiare previsioni che sarebbero state successivamente confermate e un punteggio combinato di +4 su molti test diversi sarebbe migliore (+2 – (- 2) = +4). Una teoria sbagliata otterrà un punteggio compreso tra 0 e -4 (-2 – (+ 2) = -4). In questo caso, previsioni accurate potrebbero fallire ed è improbabile che funzionino con la fisica sbagliata.

Abbiamo trovato un punteggio medio per il Modello Cosmologico Standard -0,25 in 32 test, mentre Mond ha ottenuto un punteggio medio di +1,69 in 29 test. I punteggi di ciascuna teoria su molti test diversi sono mostrati nelle Figure 1 e 2 di seguito per il modello cosmologico Standard e Mond, rispettivamente.

Figura 1. Confrontando il modello cosmologico standard con le osservazioni basate su quanto bene i dati si adattano alla teoria (ottimizzazione dal basso verso l’alto) e quanto è flessibile nell’adattamento (altezza da sinistra a destra). Il cerchio vuoto non viene preso in considerazione nella nostra valutazione, poiché quei dati sono stati utilizzati per impostare parametri liberi. Riprodotto dalla tabella 3 della nostra recensione. credito: Arxiv

Figura 2. Simile alla Figura 1, ma per Mond con particelle virtuali che interagiscono solo per gravità, sono chiamati neutrini sterili. Si noti che non vi è alcun falso apparente. Riprodotto dalla tabella 4 della nostra recensione. credito: Arxiv

È immediatamente chiaro che non sono stati individuati problemi significativi per Mond, che almeno ragionevolmente concorda con tutti i dati (si noti che le due righe inferiori che indicano la falsificazione sono vuote nella Figura 2).

problemi di materia oscura

Uno dei fallimenti più sorprendenti del Modello Cosmico Standard ha a che fare con le “galassie a barra” – regioni luminose a forma di bastoncello fatte di stelle – in cui le galassie a spirale si trovano spesso nelle loro regioni centrali (vedi immagine principale). Le barre ruotano nel tempo. Se le galassie fossero incorporate in enormi aloni di materia oscura, i loro bastoncelli rallenterebbero. Tuttavia, la maggior parte, se non tutte, delle bande galattiche osservate sono veloci. questo è impostore Modello cosmico standard con confidenza molto elevata.

Un altro problema è quello modelli originali Il fatto che le galassie proposte abbiano aloni di materia oscura ha commesso un grosso errore: presumevano che le particelle di materia oscura fornissero gravità alla materia intorno a loro, ma non fossero influenzate dall’attrazione gravitazionale della materia ordinaria. Questo semplifica i calcoli, ma non riflette la realtà. Quando questo è stato preso in considerazione in Simulazioni successive Era chiaro che gli aloni di materia oscura attorno alle galassie non spiegano in modo affidabile le loro proprietà.

Ci sono molti altri fallimenti del Modello Cosmologico Standard che abbiamo esaminato nella nostra recensione, e Mond è stato spesso in grado di farlo spiegato naturalmente Appunti. Tuttavia, il motivo per cui il modello cosmologico standard è così popolare può essere dovuto a errori di calcolo o alla conoscenza limitata dei suoi fallimenti, alcuni dei quali sono stati scoperti di recente. Potrebbe anche essere dovuto alla riluttanza delle persone a modificare la teoria della gravità che ha avuto così tanto successo in molte altre aree della fisica.

L’ampio vantaggio di Mond sul modello cosmologico standard nel nostro studio ci ha portato a concludere che le osservazioni disponibili favoriscono fortemente Mond. Anche se non affermiamo che Mond sia perfetto, pensiamo comunque che corregga il quadro generale: le galassie sono davvero prive di materia oscura.

È stato scritto da Indranil Banik, Postdoctoral Research Fellow in Astrophysics, University of St Andrews.

Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta in Conversazione.

Riferimento: “Dalle barre galattiche alla tensione di Hubble: pesare le prove astrofisiche per la gravità melgromiana”
Di Indranil Banik e Hongsheng Zhao, 27 giugno 2022, disponibile qui. simmetria.
DOI: 10.3390 / sym14071331