Казват, че във Вселената има най-много тъмна материя (ако говорим за материя като цяло). И все пак в ежедневието практически не се сблъскваме с него. Познаваме Слънцето - най-масивният обект в Слънчевата система - то е направено от обикновена материя (протони, неутрони и електрони), но има много други източници, включително планети, газ, прах, плазма и останки от звезди. Тъмната материя не е сред тях - и дори Стандартният модел не описва частиците си. Разбира се, тъмната материя не е единственият начин да се обяснят наблюдаваните гравитационни явления във Вселената. Друг вариант е да се модифицира теорията за гравитацията, което мнозина вече са се опитвали да направят. Това породи идеята за модифицирана нютонова динамика (MOND) и други теории, които все още са популярни алтернативи на тъмната материя.
За да започнем някъде, трябва да се върнем към 1800-те и да поговорим за проблем, който е съществувал много преди „липсваща маса“(или „липсваща светлина“), която тъмната материя и MOND се опитват да разрешат: проблемът Уран-Меркурий. Законът за гравитацията на Нютон, въведен от Нютон през 1600-те години, беше невероятно успешен в описанието на всичко - доколкото знаем - на това, за което се прилагаше. От движението на снаряди към подвижните предмети; от теглото на предметите до тиктакането на махало часовник; от плавателността на лодка до орбитата на Луната около Земята, гравитацията на Нютон никога не се проваля.
Трите закона на Кеплер, специален случай на гравитационната формула на Нютон, бяха приложени към всички известни планети в еднаква степен:
1. Планетите се движат в елипси със Слънцето в един от фокусите.
2. Всяка планета се движи в равнина, преминаваща през центъра на Слънцето, и за равни интервали от време радиусният вектор, свързващ Слънцето и планетата, описва равни площи.
3. Квадратите на периодите на революция на планетите около Слънцето се наричат кубчета на полу-големите оси на орбитите на планетите.
Всички познати вътрешни и външни светове се подчиняваха на тези закони, така че стотици години не бяха открити отклонения. Но с откриването на Уран през 1781 г. нещо се промени. Докато последната от откритите планети се движеше в елипса около Слънцето, тя се движеше с грешна скорост в сравнение с предсказаните закони на гравитацията.
Промоционално видео:
През първите 20 години от откриването си той се движеше по-бързо, всяка вечер и всяка година, отколкото диктуваха законите. През следващите 20-25 години планетата се движеше в строго съответствие със законите. Но след това се забави и скоростта падна под предвидената.
Имаше ли грешка в закона за гравитацията? Може би. Но също така е възможно да е имало малко повече материя - нещо невидимо, тъмна материя -, което е засягало Уран, причинявайки смущения в орбитата му. Това е по-скоро като истината. След теоретична война между Urbain Le Verrier и John Coach Adams, които са работили самостоятелно и са правили прогнози за местоположението на новата планета, прогнозите на Le Verrier са потвърдени от Johann Halle и неговия асистент Heinrich d'Arre на 23 септември 1846 г. Открита е планетата Нептун, първият обект, за чието съществуване се заключава от въздействието на нейната маса: гравитационно влияние.
От друга страна, вътрешната планета Меркурий - благодарение на повишената точност на наблюденията и в комбинация със светски данни - започна да показва още по-странно нарушение на законите на гравитацията. Ако законите на Кеплер предвиждаха, че планетите трябва да се движат в идеални елипси със Слънцето в един от фокусите, то при условие, че няма други маси, които нарушават или засягат системата. Но наоколо няма маси и Меркурий не се движи по идеална елипса. Нейната елипса прецеси с течение на времето.
Използвайки законите на Нютон за гравитацията, бихме могли да вземем предвид влиянието на всички известни планети (включително Нептун). След като направихме всичко това, щяхме да открием, че остава леко несъответствие между предсказаното и наблюдаваното: 43 прецесия на век, или 0,012 градуса на век. Но това не беше случайно.
Какво е обяснението този път? Тази нова невидима маса свързана ли е с вътрешността на Меркурий? Или истинският проблем се е прокраднал в закона за гравитацията? Обстойното търсене на отговор на този въпрос доведе до нова теоретична планета Вулкан, която трябваше да е по-близо до Слънцето от всички останали. Но не е намерен Вулкан. Решението идва през 1915 г., когато Айнщайн очертава своята теория за общата теория на относителността.
Сега ще прескочим времето до 70-те години - до редица научни наблюдения на Вера Рубин. Наблюдаваме отделни галактики - по-специално галактики с ръбове - и измерваме техните профили на скоростта. Гледаме едната страна на галактиката и виждаме, че тя се движи към нас (чрез синя смяна), гледаме другата - тя се отдалечава от нас (чрез червено изместване) и по този начин определяме въртенето на галактиката. Какво очакваме от тях? Подобно на нашата слънчева система, вътрешните звезди трябва да се въртят по-бързо и колкото по-далеч от центъра, толкова по-ниска трябва да бъде скоростта. Но това не е това, което откриваме.
Вместо това скоростта на въртене на всяка отделна галактика остава постоянна, независимо от разстоянието. Защо? Отново има два варианта: или законите на гравитацията трябва да бъдат подобрени, или трябва да приемем съществуването на невидима излишна маса.
MOND беше забелязан за първи път от Моти Милгром през 1981 г., който забеляза, че ако променим закона на гравитацията при много ниски ускорения - нещо като части от нанометър в секунда на квадрат - можем да обясним тези ротационни криви. Освен това една и съща модификация, единична и последователна, би могла да обясни въртенето на всички галактики, от най-малката до най-голямата. MOND все още го прави и го прави добре.
Тъмната материя, от друга страна, предполага, че в допълнение към нормалните частици на Стандартния модел и обикновената материя на „протони, неутрони и електрони“, които съставляват почти всичко, което познаваме, има и нов тип материя. За да се обясни ротационното явление, беше предложено да се въведе голям ореол от материя, която не взаимодейства със светлината, но не се слепва и не взаимодейства с обикновената материя, освен гравитационно. Това беше идеята на тъмната материя.
Тъмната материя може да обясни тези ротационни криви, но не го прави толкова добре, колкото MOND. Числените симулации за ореоли, които създават дори най-простите модели на тъмна материя, не съвпадат с наблюденията; ореолите са твърде "съборени" в центъра и твърде "пухкави" в покрайнините. (От техническа гледна точка те изглеждат по-изотермични от очакваното). Накратко, MOND в началото беше категоричен лидер.
Но там по-нататък започна цялата Вселена. Когато предлагате нова теория, която да замени старата - как общата теория на относителността замени законите на Нютон - вашата теория трябва да отговаря на три принципа:
1. Той трябва да възпроизведе пълния успех на предишната водеща теория.
2. То трябва успешно да обясни новото явление (или явления), за което е създадено.
3. И то трябва да прави нови прогнози, които ще бъдат експериментално или наблюдателно проверени, потвърдени или опровергани, така че да е уникално за новата теория.
Говорим за всички успехи на предишната водеща теория и те са многобройни.
Има гравитационно изкривяване на звездната светлина по маса, силна и слаба гравитационна леща. Има ефектът на Шапиро. Има гравитационно разширение на времето и гравитационно червено изместване. Съществува концепцията за Големия взрив и концепцията за разширяваща се вселена. Има движения на галактики в рамките на клъстери и групиране на самите галактики в най-големите мащаби.
В случая на всички тези примери - всички - MOND претърпява поразително поражение, или като не предлага никакви прогнози, или като прави прогнози, които са разочароващо несъвместими с наличните данни. С право можете да посочите, че MOND никога не е бил предназначен да бъде цялостна теория, а по-скоро описание на едно явление, което може да доведе до по-пълна теория. Много хора работят по разширение на MOND, което би могло да обясни тези наблюдения, но без резултат.
Но ако продължите закона за гравитацията на Айнщайн и просто добавите нова съставка, студена тъмна материя, можете да обясните всичко, включително някои необичайни нови нюанси.
Можете да обясните модела на групиране, който се наблюдава в мащабната структура на Вселената, ако имате пет пъти повече тъмна материя от обикновената материя.
И още по-впечатляващото е, че можете да направите напълно нова прогноза: Когато два галактически клъстера се сблъскат, газът в тях се нагрява, забавя и излъчва рентгенови лъчи, докато масата, която виждаме с гравитационна леща, следва тъмната материя и се заменя с рентгенови лъчи. Това ново предсказание е потвърдено експериментално и се провежда от десет години, предоставяйки косвено потвърждение за съществуването на тъмна материя.
MOND има предимството да обяснява кривите на галактическото въртене по-добре от тъмната материя. Но това не е физическа теория и не отговаря на пълния набор от наблюдения, които имаме. Тъмната материя съществува - поне на теория - защото тя ни дава една и съща вселена, последователна, без никакви модификации.
Но настоящите провали на MOND, космологични, го поставят под тъмната материя. Нека възпроизведе всички успехи на общата теория на относителността, да обясни нови явления, да направи прогнози, които могат да бъдат потвърдени - и учените несъмнено ще се обърнат към нова вяра. Все пак те са добри учени.