Темная материя против модифицированной гравитации

Если бы единственным свидетельством наличия темной материи были кривые вращения галактики, модификации гравитации могло бы быть достаточно для объяснения данных. Однако у нас есть много других доказательств существования темной материи из астрофизики и космологии, и модификация гравитации не объясняет все эти доказательства.

Вот несколько примеров доказательств:

1. Мы можем использовать гравитационное линзирование для измерения массы карликовых галактик. В этих карликовых галактиках не так много звезд или молекулярных облаков, поэтому расчетная масса обычного вещества не будет соответствовать измеренной массе.
2. В астрофизике нам нужно, чтобы темная материя стала источником происхождения галактик, иначе мы не сможем объяснить, почему у нас так много галактик. Если бы темной материи не существовало, формирование галактик заняло бы слишком много времени.
3. Скопление Пуля является примером сильного столкновения двух скоплений галактик, где видимая масса сильно отделена от массы, измеренной с помощью гравитационного линзирования.
4. Очень точные измерения структуры космического микроволнового фонового (CMB) излучения спутниками WMAP и Plank не могли быть поняты без темной материи. Обратите внимание, что во время реликтового излучения галактик вообще не было.
5. Производство и изначальное изобилие гелия и лития во время Большого взрыва не соответствовали бы наблюдениям без присутствия темной материи.

Чтобы объяснить все это, все, что нам нужно сделать, это постулировать наличие одной дополнительной стабильной частицы, которая очень слабо взаимодействует с другими частицами. Таким образом, его основное взаимодействие будет только гравитационным. В теориях, расширяющих Стандартную модель физики элементарных частиц, существует множество возможных типов частиц, которые могут быть частицами темной материи. Чего нам не хватает, так это некоторых прямых экспериментальных измерений свойств частиц темной материи, таких как масса и различные скорости взаимодействия, чтобы сделать выбор между многими возможными кандидатами.

На самом деле нет причин предполагать, что существует только одна частица темной материи — может существовать целый зоопарк частиц темной материи. Согласно всем данным, темной материи примерно в 6 раз больше, чем обычной материи в нашей Вселенной (измеряется путем сравнения общей массы темной материи с общей массой обычной материи). Обычное вещество имеет стабильный электрон, протон, фотон и три вида нейтрино. Кроме того, вы можете рассматривать каждый стабильный атомный элемент как другой вид или частицу. Тогда есть много десятков нестабильных частиц, которые распадутся (в конечном счете) на стабильные частицы. Поскольку темной материи в 6 раз больше, чем обычной материи, возможно, существует несколько (или много) видов стабильных частиц темной материи.

Итак, существование темной материи установлено — она существует. Что остается сделать, так это измерить массу (или массы) и другие свойства одной или нескольких частиц темной материи.

Большинство поисков ограничивают только массу и силу взаимодействия возможных массивных частиц темной материи. Однако другим целым классом теоретически обоснованных возможных частиц темной материи будут Аксионы с очень малой массой; и для этих кандидатов не установлены очень строгие экспериментальные ограничения (пока). Наконец, вполне возможно, что частица темной материи вообще не взаимодействует с обычной материей, за исключением гравитационных эффектов. Если бы темная материя имела гравитационное взаимодействие только с обычной материей, мы, возможно, никогда не смогли бы определить точные свойства частицы темной материи, поскольку мы вообще никогда не смогли бы ее обнаружить — только коллективные гравитационные эффекты большой массы частиц темной материи. когда-либо можно было измерить.

Как видите, существует множество объяснений того, почему мы до сих пор не смогли измерить свойства частицы (частиц) темной материи. Однако, поскольку модифицированная гравитация не может объяснить все астрофизические и космологические данные, должны существовать частицы темной материи.

Космологи и астрофизики ничего не предполагают. Они ищут доказательства, которые либо идентифицируют частицу темной материи, либо доказывают, что она не существует. Иногда это занимает много времени. Между первоначальными статьями 1964 года, предсказывающими бозон Хиггса, и открытием в ЦЕРН в 2013 году прошло почти 50 лет (дальнейшее изучение частицы продолжается). Тот факт, что частица, соответствующая темной материи, не обнаружена, имеет две интерпретации: частица не существует или она слишком слабо взаимодействует с измерительными приборами. Ученым, возможно, потребуется построить более крупные инструменты или инструменты, основанные на различных взаимодействиях (в случае, если частица не является вимпом), прежде чем станет возможным обнаружение.

Другие ученые следуют идее модификации общей теории относительности и ищут доказательства устойчивых несоответствий между теорией относительности и движением астрофизических тел, которые не требуют специальной тонкой настройки в различных масштабах. Сейчас для галактик требуются различные модификации, в отличие от скоплений.

На самом деле, и темная материя, и модифицированная гравитация имеют предыдущие примеры того, что они были правильными.

• Астрономические наблюдения 1820-х годов показали, что Уран не двигался так, как предсказывала ньютоновская гравитация. Наблюдаемое движение привело к выводу, что существует еще одна планета, гравитация которой влияет на ее движение. Эту планету, Нептун, наблюдали в 1846 году. До своего обнаружения Нептун был темной материей: ненаблюдаемой массой, гравитация которой объясняла непредсказуемое движение астрономических тел.

• В начале 20 века также было обнаружено, что движение Меркурия противоречит предсказаниям, основанным на ньютоновской гравитации. Как и в случае с Нептуном, считалось, что внутри орбиты Меркурия находится еще одна планета. Эта планета (темная материя) была названа Вулканом. Эта планета так и не была найдена, и на самом деле движение Меркурия потребовало разработки Альбертом Эйнштейном общей теории относительности, которая модифицировала теорию гравитации Ньютона. В этом случае предполагаемой темной материи не существовало, и наше описание гравитации пришлось изменить.

В настоящее время похоже, что темная материя является более вероятным кандидатом на объяснение нынешних расхождений. Всегда поступает больше доказательств, и наше понимание в конечном итоге сходится к одному или другому или к чему-то совершенно другому. А пока все, что я могу посоветовать, это терпение.