Почему темная материя и общая теория относительности?

Потому что у общей теории относительности есть огромное количество экспериментальных доказательств, подтверждающих ее. В результате физики ищут темную материю, которая работает внутри ОТО, а не выбрасывают ребенка вместе с водой из ванны, и тем самым предполагают, что ОТО ошибочна.

Когда Альберт Эйнштейн представил миру ОТО, он предложил три теста , подтверждающих ОТО. Пожалуйста, имейте в виду, что в то время эти предсказания (кроме № 1 ниже) ранее не наблюдались и не могли быть объяснены какими-либо ранее существовавшими физическими теориями.

1. Прецессия перигелия Меркурия . По сути, прецессию орбиты Меркурия нельзя объяснить ньютоновской гравитацией или законами движения Кеплера. На самом деле людям было так трудно объяснить эту прецессию, что одна гипотеза даже предполагала ранее ненаблюдаемую планету, вращающуюся между Меркурием и Солнцем. Однако после того, как Эйнштейн разработал ОТО, он показал, что часть прецессии Меркурия, необъяснимая другими факторами, может быть объяснена искривлением пространства-времени.
2. Отклонение света Солнцем . Эйнштейн предположил, что свет может отклоняться под действием гравитации из-за ОТО. Это наблюдалось в 1919 году во время солнечного затмения, когда положение звезд «около» Солнца (я использую «около» в связи с их видимым расположением на куполе неба, а не «около» в космосе) немного сместилось из-за гравитация Солнца. Хотя первоначальный эксперимент подвергался критике, этот эффект воспроизводился много раз с тех пор, как он был первоначально обнаружен.
3. Гравитационное красное смещение света . В 1959 году в эксперименте Паунда-Ребки наблюдалось относительное красное смещение света между двумя разными источниками света из-за гравитационного воздействия Земли.

У каждого из этих тестов есть отдельные страницы Википедии, на которые ссылается первая ссылка, которую я указал выше. Кроме того, существует ряд более современных тестов GR, не ограничивающихся только тремя, описанными выше.

Свидетельства существования темной материи обнаруживаются в разных местах и ​​в разных масштабах — от масштабов флуктуаций космического микроволнового фона до формирования крупномасштабной структуры во Вселенной, до динамики галактик в скоплениях (и гравитационного линзирования). и динамика звезд и газа в галактиках. Чрезвычайно важны относительные оценки количества «нормальной» и «небарионной» материи, которые возникают из-за дополнительных ограничений, обеспечиваемых первичным нуклеосинтезом Большого взрыва, по сравнению с ограничениями на общую плотность материи из-за космического микроволнового фона. Это указывает на то, что большая часть (5/6) гравитирующей материи во Вселенной не является «нормальной», и ее было бы трудно решить, просто изменив наши представления о гравитации.

Между этими разными линиями свидетельств в совершенно разных масштабах существует много совпадений в пользу существования небарионной холодной темной материи, причем в количествах, которые также примерно согласуются друг с другом.

Отличный доступный учебник по этим темам — Garrett & Duda (2011) .

Я подошел к вашему вопросу с точки зрения того, почему предлагается темная материя, а не того, может ли ОТО ошибаться? Как отмечает Шон, ОТО прошла множество наблюдательных тестов и в настоящее время является хорошей теорией. Однако я считаю, что сторонники модифицированной ньютоновской динамики и им подобных не признают, что она была достаточно проверена, чтобы исключить изменения в режиме слабых гравитационных полей и малых ускорений, но МОНД изо всех сил пытается объяснить динамику в масштабе скоплений галактик. .

Первые свидетельства существования темной материи основаны не на общей теории относительности, а на ньютоновской механике:

На больших расстояниях от галактического центра гравитационный потенциал должен быть потенциалом, создаваемым центральной точечной массой, и при отсутствии других сил, кроме гравитации, следует ожидать, что GM/R2 =$\theta^{2}_{}$/R (G — постоянная всемирного тяготения; M — масса галактики; R — галактоцентрический радиус;$\theta$, скорость вращения), поэтому$\theta$ $\propto$R-1/2, которую по понятным причинам называют кеплеровской кривой вращения. Этого кеплеровского спада не наблюдалось, а скорее плоские кривые вращения с$\theta$=cte были получены. По-видимому, это имеет прямое значение, что М.$\propto$R, таким образом, в зависимости от качества используемого телескопа. Гипотеза «Темной Материи» (ТМ) интерпретирует этот результат в том смысле, что кеплеровский режим сохраняется на гораздо больших расстояниях, чем те, на которых мы получаем наблюдения. Должно быть большое количество темной материи, простирающейся далеко за пределы видимой материи в более или менее сферически симметричном гало DM.

(жирный мой)

Кривая вращения типичной спиральной галактики : предсказанная (A) и наблюдаемая (B). Темная материя может объяснить «плоский» вид кривой скорости на большом радиусе.

В конце 1960-х и начале 1970-х годов Вера Рубин из отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне была первой, кто провел надежные измерения, указывающие на существование темной материи, и приписал их темной материи. Рубин работал с новым чувствительным спектрографом, который мог измерять кривую скоростей спиральных галактик, видимых с ребра, с большей точностью, чем когда-либо прежде. Вместе с коллегой Кентом Фордом Рубин объявил на собрании Американского астрономического общества в 1975 году об открытии того, что большинство звезд в спиральных галактиках вращаются примерно с одинаковой скоростью, что означает, что плотности массы галактик были одинаковыми далеко за пределами областей. содержащий большинство звезд (галактическая выпуклость), результат, независимо обнаруженный в 1978 году. результаты 1980 г.[29] Наблюдения и расчеты Рубина показали, что большинство галактик должно содержать примерно в шесть раз больше «темной» массы, чем можно объяснить видимыми звездами.

Сигнатуры темной материи можно предсказать и найти в космологической модели Большого взрыва, которая зависит от общей теории относительности, но она присутствует и в простой ньютоновской механике.

Другая теория гравитации кажется наиболее простым подходом.

Это будет ужасно сложный подход, поскольку ньютоновская физика в плоском пространстве в высшей степени хорошо подтверждена.

Все просто: люди пытались заставить модифицированную гравитацию выдавать правильные числа для всех наблюдений, которые у нас есть, и никому не удавалось получить такие же хорошие результаты, как общая теория относительности + темная материя.

Вот цитата из модифицированной ньютоновской динамики , одной из модифицированных теорий гравитации:

MOND и его обобщения неадекватно объясняют наблюдаемые свойства скоплений галактик, и на основе теории не было построено удовлетворительной космологической модели.

Сложность возникает из-за того, насколько невероятно точно ОТО предсказывает и объясняет различные явления. Это не потому, что все просто верят, что ОТО совершенна и что темная материя — единственный возможный выход, вовсе нет. Просто никакая альтернатива даже близко не подходит для получения правильных чисел для всех наблюдений, которые мы можем сделать.

Как бы то ни было, релятивистские обобщения MOND, по-видимому, довольно близко подходят к объяснению всех космологических наблюдений, но наблюдения скопления Пули , возможно, положили им конец:

В исследовании, проведенном в августе 2006 года, сообщалось о наблюдении за парой сталкивающихся скоплений галактик, скоплением Пуля, поведение которого, как сообщалось, не совместимо с какими-либо текущими модифицированными теориями гравитации.

_{PS Я не физик, просто человек с общим интересом к физике.}