Nad ütlevad, et universumis on kõige rohkem tumeainet (kui me räägime ainest üldiselt). Ja ometi ei puutu me igapäevases elus sellega kokku. Me teame Päikest - kõige massiivsemat objekti Päikesesüsteemis - see on valmistatud tavalisest ainest (prootonid, neutronid ja elektronid), kuid on palju muid allikaid, sealhulgas planeete, gaasi, tolmu, plasmat ja tähtede jäänuseid. Tume aine pole nende hulgas - ja isegi standardmudel ei kirjelda selle osakesi. Muidugi pole tumeaine ainus viis universumis täheldatud gravitatsiooninähtuste seletamiseks. Teine võimalus on gravitatsiooniteooria muutmine, mida paljud on juba proovinud teha. Sellest sündis idee modifitseeritud Newtoni dünaamikast (MOND) ja muudest teooriatest, mis on endiselt tumeda aine populaarsed alternatiivid.
Kusagilt alustamiseks peame minema tagasi 1800. aastatesse ja rääkima probleemist, mis eksisteeris juba ammu enne seda, kui “puuduv mass” (või “puuduv valgus”) tumeaine ja MOND üritasid lahendada: Uraani-Merkuuri probleem. Newtoni gravitatsiooniseadus, mille algatas Newton juba 1600. aastatel, oli uskumatult edukas kirjeldades kõike - nii palju kui me teame - seda rakendati. Mürskude liikumisest objektide veeremiseni; esemete kaalust pendlikella tiksumiseni; alates paadi ujuvusest kuni kuu orbiidini ümber maa ei kukkunud Newtoni gravitatsioon kunagi alla.
Kepleri kolme seadust, Newtoni gravitatsioonivalemi erijuhtu, rakendati kõigile teadaolevatele planeetidele samal määral:
1. Planeedid liiguvad ellipsidena koos Päikesega ühes fookuses.
2. Iga planeet liigub Päikese keskpunkti läbivas tasapinnas ja võrdsete ajavahemike järel kirjeldab Päikest ja planeeti ühendav raadiusevektor võrdseid alasid.
3. Päikese ümber olevate planeetide pöörlemisperioodide ruutu nimetatakse planeetide orbiidide pool-suuremate telgede kuubikuteks.
Tuntud sisemine ja välimine maailm järgisid neid seadusi, nii et sadu aastaid ei ilmnenud ühtegi kõrvalekallet. Kuid Uraani avastamisega 1781. aastal muutus midagi. Kui viimane avastatud planeetidest liikus ellipsi ümber Päikese, liikus see prognoositavate gravitatsiooniseadustega võrreldes vale kiirusega.
Reklaamvideo:
Esimese 20 aasta jooksul pärast avamist liikus see igal õhtul ja igal aastal kiiremini, kui seadused ette nägid. Järgmise 20–25 aasta jooksul liikus planeet rangelt seadustega kooskõlas. Kuid siis see aeglustus ja kiirus langes prognoositust madalamale.
Kas gravitatsiooniseaduses oli viga? Võib olla. Kuid on ka võimalik, et ainet - midagi nähtamatut, tumeainet - oli natuke rohkem, mis mõjutas Uraani, põhjustades häireid tema orbiidil. See sarnaneb rohkem tõega. Pärast teoreetilist sõda Urbain Le Verrieri ja John Coach Adamsi vahel, kes töötasid iseseisvalt ja tegid ennustusi uue planeedi asukoha kohta, kinnitasid Johann Halle ja tema assistent Heinrich d'Arre 23. septembril 1846 Le Verrieri ennustused. Avastati Neptuuni planeet, esimene objekt, mille olemasolu järeldati selle massi mõjudest: gravitatsiooniline mõju.
Teisalt hakkas sisemine planeet Merkuur - tänu vaatluste suurenenud täpsusele ja koos ilmalike andmetega - näitama gravitatsiooniseaduste veelgi kummalisemat rikkumist. Kui Kepleri seadused ennustasid, et planeedid peaksid liikuma ideaalsetes ellipsides koos Päikesega ühes fookuses, siis tingimusel, et pole ühtegi teist massi, mis süsteemi rikub või mõjutab. Kuid ümberringi pole ühtegi massi ja Merkuur ei liigu mööda täiuslikku ellipsi. Selle ellips areneb aja jooksul.
Kasutades Newtoni raskusseadusi, võiksime arvestada kõigi teadaolevate planeetide (sealhulgas Neptuuni) mõjudega. Seda kõike tehes leiame, et prognoositava ja vaadeldava vahel on väike lahknevus: 43 pretsessioon sajandil ehk 0,012 kraadi sajandil. Kuid see polnud õnnetus.
Mis seletus sel korral on? Kas see uus nähtamatu mass on seotud Merkuuri sisemusega? Või on tõeline probleem hiilinud gravitatsiooniseadusesse? Sellele küsimusele põhjalik vastuse otsimine viis uue teoreetilise planeedi Vulcanini, mis oleks pidanud olema Päikesele lähemal kui kõik teised. Vulcani aga ei leitud. Lahendus tuli 1915. aastal, kui Einstein tutvustas oma üldrelatiivsusteooria teooriat.
Nüüd jätame aja 1970. aastateni - kuni paljude Vera Rubini teaduslike tähelepanekuteni. Vaatleme üksikuid galaktikaid, eriti servast galaktikaid, ja mõõdame nende kiirusprofiile. Vaatame galaktika ühte külge ja näeme, et see liigub meie poole (sinise nihke abil), vaatame teist - see eemaldub meist (punase nihke abil) ja nii määrame galaktika pöörlemise. Mida me neilt ootame? Nagu meie päikesesüsteem, peavad ka sisetähed kiiremini pöörlema ja mida kaugemale keskmest peab kiirus olema väiksem. Kuid seda me ei leia.
Selle asemel jääb iga üksiku galaktika pöörlemiskiirus konstantseks, sõltumata kaugusest. Miks? Jällegi on kaks võimalust: kas gravitatsiooniseadusi tuleb täiustada või peame eeldama nähtamatu üleliigse massi olemasolu.
Moti Milgrom märkas MOND-i esmakordselt 1981. aastal, märkides, et kui me muudaksime raskusseadust väga madalate kiirenduste korral - umbes nagu nanomeetri murdosad sekundis ruudus -, siis saaksime neid pöördkõveraid selgitada. Veelgi enam, sama modifikatsioon, üksik ja järjekindel, võiks selgitada kõigi galaktikate pöörlemist, alates väiksematest kuni suurimateni. MOND teeb seda siiani ja teeb seda hästi.
Tume aine seevastu viitab sellele, et lisaks tavalise mudeli normaalsetele osakestele ja tavalisele ainele "prootonid, neutronid ja elektronid", mis moodustavad peaaegu kõik, mida me teame, on olemas ka uut tüüpi aine. Pöörlemisnähtuse selgitamiseks tehti ettepanek võtta kasutusele suur halo ainet, mis ei suhtle valgusega, kuid ei kleepu kokku ega suhtle tavalise ainega, välja arvatud gravitatsiooniliselt. See oli tumeaine idee.
Tume aine võib neid pöörlemiskõveraid seletada, kuid see ei tee seda nii hästi kui MOND. Halode numbrilised simulatsioonid, mis annavad isegi kõige lihtsamaid tumeaine mudeleid, ei ühti tähelepanekutega; halod on liiga "maha löödud" kesklinnas ja liiga "kohevad" äärelinnas. (Tehnilisest küljest tunduvad nad loodetust isotermilisemad). Ühesõnaga, MOND oli esialgu selge liider.
Kuid sealt edasi algas kogu Universum. Kui pakute vana teooria asemele uut - kuidas üldrelatiivsusteooria asendas Newtoni seadusi - peab teie teooria vastama kolmele põhimõttele:
1. See peab taastama eelmise juhtteooria täieliku edu.
2. See peab edukalt selgitama uut nähtust (või nähtusi), mille jaoks see loodi.
3. Ja ta peab tegema uusi ennustusi, mida katseliselt või vaatluslikult kontrollitakse, kinnitatakse või lükatakse ümber, nii et see oleks omane ainult uuele teooriale.
Me räägime eelmise juhtteooria kõigist õnnestumistest ja neid on palju.
Seal on gravitatsiooniline tähevalguse kõverus massi järgi, tugev ja nõrk gravitatsiooniline lääts. Seal on Shapiro efekt. Toimub gravitatsiooniaja laienemine ja gravitatsiooniline punane nihe. Seal on Suure Paugu ja laieneva universumi mõiste. Galaktikate liikumine toimub klastrite piires ja galaktikate klastrite moodustamine kõige suuremas skaalas.
Kõigi nende näidete puhul - kõik - kannatab MOND purustava kaotuse, kas pakkumata ennustusi või tehes ennustusi, mis on masendavalt vastuolus olemasolevate andmetega. Võite õigustatult märkida, et MOND ei olnud kunagi mõeldud terviklikuks teooriaks, vaid pigem ühe nähtuse kirjelduseks, mis võib viia täielikumate teooriateni. Paljud inimesed töötavad MOND-i laienduse kallal, mis võiks neid tähelepanekuid selgitada, kuid tulutult.
Kuid kui jätkate Einsteini gravitatsiooniseadust ja lisate lihtsalt uue koostisosa, külma tumeaine, saate selgitada kõike, sealhulgas mõnda uut ebatavalist nüanssi.
Kui teil on viis korda rohkem tumeainet kui tavalist ainet, saate selgitada klastrite mustrit, mida täheldatakse universumi suuremahulises struktuuris.
Ja veelgi muljetavaldavam on see, et saate teha täiesti uue ennustuse: kui kaks galaktikakobarat põrkuvad, siis neis olev gaas soojeneb, aeglustub ja kiirgab röntgenikiirgust, samal ajal kui mass, mida näeme gravitatsiooniläätsede abil, järgib tumeainet ja asendatakse röntgenikiirgusega. See uus ennustus leidis kinnitust eksperimentaalselt ja on kestnud juba kümme aastat, andes kaudse kinnituse tumeaine olemasolule.
MOND eeliseks on galaktiliste pöörlemiskõverate parem seletamine kui tumeaine. Kuid see pole füüsikaline teooria ja see ei sobi kogu meie vaatluste kogumiga. Tume aine eksisteerib - vähemalt teoreetiliselt -, sest see annab meile sama universumi, järjepideva, ilma igasuguste muudatusteta.
Kuid MONDi praegused kosmoloogilised ebaõnnestumised viivad selle tumeaine alla. Las ta paljundab kõik üldrelatiivsusteooria õnnestumised, selgitab uusi nähtusi, teeb ennustusi, mida saab kinnitada - ja teadlased pöörduvad kahtlemata uude usku. Lõppude lõpuks on nad head teadlased.
