Kažu da u Svemiru ima najviše tamne materije (ako uopće govorimo o materiji). Pa ipak se u svakodnevnom životu praktički ne susrećemo s njim. Znamo da je Sunce - najmasivniji objekt u Sunčevom sustavu - napravljeno od obične tvari (protoni, neutroni i elektroni), ali postoje mnogi drugi izvori, uključujući planete, plin, prašinu, plazmu i ostatke zvijezda. Tamna materija nije među njima - a čak ni Standardni model ne opisuje svoje čestice. Naravno, tamna tvar nije jedini način objašnjenja promatranih gravitacijskih pojava u Svemiru. Druga je mogućnost modifikacija teorije gravitacije, što su mnogi već pokušali učiniti. To je rodilo ideju Modificirane Newtonove dinamike (MOND) i drugih teorija, koje su i dalje popularne alternative tamnoj tvari.
Da bismo negdje započeli, moramo se vratiti u 1800-te i razgovarati o problemu koji je postojao davno prije nego što "nedostajuća masa" (ili "nedostajuća svjetlost") tamna tvar i MOND pokušavaju riješiti: problem Uran-Merkur. Newtonov zakon gravitacije, koji je Newton uveo još u 1600-ima, bio je nevjerojatno uspješan u opisivanju svega - koliko znamo - primijenjenog. Od kretanja projektila do valjanih predmeta; od težine predmeta do otkucaja sata njihala; od uzgona broda do Mjesečeve orbite oko Zemlje, Newtonova gravitacija nikada nije zakazala.
Keplerova tri zakona, poseban slučaj Newtonove gravitacijske formule, primijenjeni su na sve poznate planete u istoj mjeri:
1. Planete se kreću u elipsama sa Suncem u jednom od žarišta.
2. Svaka se planeta kreće u ravnini koja prolazi kroz središte Sunca i u jednakim vremenskim intervalima vektor polumjera koji povezuje Sunce i planet opisuje jednaka područja.
3. Kvadrati orbitalnih razdoblja planeta oko Sunca nazivaju se kockama polu glavnih osi planeta.
Svi poznati unutarnji i vanjski svijet pokoravali su se tim zakonima, tako da stotinama godina nisu otkrivena nikakva odstupanja. No otkrićem Urana 1781. godine nešto se promijenilo. Dok se posljednji od otkrivenih planeta kretao u elipsi oko Sunca, kretao se pogrešnom brzinom u usporedbi s predviđenim zakonima gravitacije.
Promotivni video:
U prvih 20 godina od otvorenja kretao se brže, svake noći i svake godine, nego što su zakoni nalagali. Sljedećih 20-25 godina planet se kretao u strogom skladu sa zakonima. Ali onda je usporio i brzina je pala ispod predviđene.
Je li došlo do pogreške u zakonu gravitacije? Može biti. Ali moguće je i da je postojalo malo više materije - nečega nevidljivog, tamne tvari - koja je utjecala na Uran, uzrokujući poremećaje u njegovoj orbiti. Ovo više sliči istini. Nakon teoretskog rata između Urbaina Le Verriera i Johna trenera Adamsa, koji su radili samostalno i prognozirali položaj novog planeta, Le Verrierove prognoze potvrdili su Johann Halle i njegov pomoćnik Heinrich d'Arre 23. rujna 1846. Otkriven je planet Neptun, prvi objekt čije se postojanje zaključilo iz utjecaja njegove mase: gravitacijskog utjecaja.
S druge strane, unutarnji planet Merkur - zahvaljujući povećanoj točnosti opažanja i u kombinaciji sa svjetovnim podacima - počeo je pokazivati još čudnije kršenje zakona gravitacije. Ako su Keplerovi zakoni predviđali da bi se planeti trebali kretati u idealnim elipsama sa Suncem u jednom od žarišta, onda pod uvjetom da nema drugih masa koje krše ili utječu na sustav. Ali okolo nema masa, a Merkur se ne kreće savršenom elipsom. Njegova se elipsa vremenom prekine.
Koristeći Newtonove zakone gravitacije, mogli bismo uzeti u obzir utjecaj svih poznatih planeta (uključujući Neptun). Nakon što smo sve ovo učinili, otkrili bismo da ostaje mali nesklad između predviđenog i promatranog: 43 precesija po stoljeću ili 0,012 stupnjeva po stoljeću. Ali ovo nije bila slučajnost.
Kakvo je objašnjenje ovaj put? Je li ta nova nevidljiva masa povezana s unutrašnjošću Merkura? Ili se stvarni problem uvukao u zakon gravitacije? Temeljita potraga za odgovorom na ovo pitanje dovela je do novog teorijskog planeta Vulcan, koji je trebao biti bliži Suncu od svih ostalih. Ali nije pronađen nijedan Vulkan. Rješenje je došlo 1915. kada je Einstein iznio svoju teoriju opće relativnosti.
Sada ćemo preskočiti vrijeme do 1970-ih - do brojnih znanstvenih opažanja Vere Rubin. Promatramo pojedine galaksije - posebno galaksije s rubom - i mjerimo njihove profile brzine. Gledamo jednu stranu galaksije i vidimo da se ona kreće prema nama (plavim pomakom), gledamo drugu - udaljava se od nas (crvenim pomakom) i na taj način određujemo rotaciju galaksije. Što očekujemo od njih? Kao i naš Sunčev sustav, i unutarnje zvijezde moraju se brže okretati, a što je dalje od središta, brzina mora biti manja. Ali to nije ono što nalazimo.
Umjesto toga, brzina rotacije svake pojedine galaksije ostaje konstantna bez obzira na udaljenost. Zašto? Opet postoje dvije mogućnosti: ili zakone gravitacije treba poboljšati ili moramo pretpostaviti postojanje nevidljive suvišne mase.
MOND je prvi put primijetio Moti Milgrom 1981. godine, koji je primijetio da bismo, ako promijenimo zakon gravitacije pri vrlo malim ubrzanjima - nešto poput udjela nanometra u sekundi na kvadrat - mogli objasniti ove rotacijske krivulje. Štoviše, ista modifikacija, pojedinačna i dosljedna, mogla bi objasniti rotaciju svih galaksija, od najmanje do najveće. MOND to još uvijek čini i to dobro.
Tamna tvar, s druge strane, sugerira da osim normalnih čestica Standardnog modela i obične materije "protona, neutrona i elektrona" koje čine gotovo sve što znamo, postoji i nova vrsta materije. Da bi se objasnio rotacijski fenomen, predloženo je uvođenje velikog oreola materije koja ne djeluje sa svjetlošću, ali se ne lijepi i ne djeluje s običnom materijom, osim gravitacijski. To je bila ideja tamne materije.
Tamna tvar može objasniti ove rotacijske krivulje, ali to ne čini tako dobro kao MOND. Numeričke simulacije za oreole koji proizvode čak i najjednostavnije modele tamne tvari ne podudaraju se s opažanjima; oreoli su previše "srušeni" u sredini i previše "pahuljasti" na periferiji. (S tehničkog gledišta, čini se da su izotermičniji nego što se očekivalo). Ukratko, MOND je isprva bio jasan vođa.
Ali tamo je dalje započeo cijeli Svemir. Kada predložite novu teoriju koja će zamijeniti staru - kako je opća relativnost zamijenila Newtonove zakone - vaša teorija mora zadovoljiti tri principa:
1. Mora reproducirati puni uspjeh prethodne vodeće teorije.
2. Mora uspješno objasniti novi fenomen (ili pojave) za koji je stvoren.
3. I ona mora iznijeti nova predviđanja koja će biti eksperimentalno ili promatrački provjerena, potvrđena ili opovrgnuta, tako da to bude jedinstveno za novu teoriju.
Govorimo o svim uspjesima prethodne vodeće teorije, a oni su brojni.
Postoji gravitacijska zakrivljenost zvjezdane svjetlosti masom, jaka i slaba gravitacijska leća. Postoji Shapiro efekt. Postoji gravitacijsko širenje vremena i gravitacijsko crveno pomicanje. Postoji koncept Velikog praska i koncept svemira koji se širi. Postoje kretanja galaksija unutar nakupina i nakupine samih galaksija u najvećim razmjerima.
U slučaju svih ovih primjera - svih - MOND trpi porazan poraz, bilo time što ne nudi nikakva predviđanja ili daje prognoze koje su frustrirajuće u suprotnosti s dostupnim podacima. Možete s pravom naglasiti da MOND nikada nije bio zamišljen kao cjelovita teorija, već kao opis jednog fenomena koji bi mogao dovesti do potpunije teorije. Mnogi ljudi rade na produženju MOND-a koje bi moglo objasniti ta zapažanja, ali bezuspješno.
Ali ako nastavite Einsteinov zakon gravitacije i dodate samo novi sastojak, hladnu tamnu tvar, možete objasniti sve, uključujući neke nove neobične nijanse.
Možete objasniti obrazac grupiranja koji se uočava u strukturi svemira velikih razmjera ako imate pet puta više tamne tvari od normalne materije.
A ono što je još impresivnije jest da možete iznijeti potpuno novo predviđanje: kada se sudaraju dva jata galaksija, plin u njima se zagrijava, usporava i emitira X-zrake, dok masa koju vidimo gravitacijskim lećama prati tamnu materiju i zamjenjuje je X-zrakama. Ovo novo predviđanje potvrđeno je eksperimentalno i održava se deset godina, pružajući neizravnu potvrdu postojanja tamne tvari.
Prednost MOND-a je u tome što bolje objašnjava krivulje galaktičke rotacije od tamne tvari. Ali ovo nije fizička teorija i ne uklapa se u čitav niz zapažanja koja imamo. Tamna tvar postoji - barem u teoriji - jer nam daje isti svemir, dosljedan, bez ikakvih preinaka.
Ali trenutni kozmološki zaostaci MOND-a stavljaju ga ispod tamne materije. Neka reproducira sve uspjehe opće relativnosti, objašnjava nove pojave, daje predviđanja koja se mogu potvrditi - i znanstvenici će nesumnjivo prijeći na novu vjeru. Napokon, oni su dobri znanstvenici.
