Верны ли модифицированные теории гравитации?

Отличный вопрос!

Короче говоря, есть две логические возможности для объяснения данных:

1. Есть темная материя и космологическая постоянная (стандартная модель)
2. Гравитацию нужно изменить

Интересно, что обе возможности имеют исторический прецедент:

• Открытие Нептуна (Иоганном Готфридом Галле и Генрихом Луи д'Аррестом) через год после его предсказания Урбеном леверье стало историей успеха идеи темной материи.
  (Конечно, после его открытия астрономами было уже не темно...)
• Неоткрытие Вулкана было провалом идеи темной материи — вместо этого гравитация должна была быть изменена с Ньютона на Эйнштейна.
  (Забавно, что Вулкан на самом деле БЫЛ замечен Лескарболом через год после его предсказания Урбеном леверье, но это наблюдение так и не было подтверждено никем другим.)

Итак, в основном вы спрашиваете: мы в сценарии Нептуна или Вулкана? И разве вулканский сценарий не может быть более правдоподобным?

Вероятный ответ, кажется, нет. Модификации гравитации, которые, кажется, объясняют кривые вращения галактики, обычно либо противоречат прецизионным тестам Солнечной системы (где теория Эйнштейна работает чрезвычайно хорошо), либо они сложны и менее предсказуемы, чем теория Эйнштейна (например, TeVeS), либо они не являются теориями с самого начала. (как МОНД).

Помимо гравитационных свидетельств существования темной материи, есть и косвенные доказательства из физики элементарных частиц. Например, если вы верите в Великое Объединение, вы также должны принять суперсимметрию, чтобы константы связи сливались в одной точке на шкале ТВО. Тогда у вас есть естественный кандидат в темную материю, легчайшая суперсимметричная частица. Есть и другие предсказания физики элементарных частиц, которые приводят к кандидатам в темную материю, например, к аксионам. Итак, дело в том, что нет недостатка в кандидатах в темную материю (скорее, их много), которые могут отвечать за кривые вращения галактик, динамику скоплений, формирование структур и т. д.

Обратите также внимание, что Стандартная модель космологии — довольно точная модель (на уровне процентов), и для нее требуется около 23% темной материи. Эта модель была тщательно изучена во многих независимых измерениях (анизотропия реликтового излучения, данные о сверхновых, скопления и т. д.), поэтому у нас есть разумная уверенность в ее достоверности.

В некотором смысле лучшим доказательством существования темной материи является, пожалуй, отсутствие хороших альтернатив.

Тем не менее, до тех пор, пока темная материя не будет обнаружена напрямую с помощью какого-либо эксперимента по физике элементарных частиц/астрочастиц, с научной точки зрения целесообразно пытаться искать альтернативы (в этом отношении я признаю себя виновным). Просто кажется сомнительным, что какая-то специальная альтернатива проходит все наблюдательные тесты.

Хотя возможно, что гравитация все еще нуждается в модификации, кажется все более маловероятным, что не существует какой-либо формы темной материи. В частности, наблюдение пучкового скопления является трудной задачей для различных модифицированных теорий гравитации (хотя, возможно, дополнительные поля в чем-то вроде биметрической гравитации или TeVeS могут быть связаны друг с другом иначе, чем обычные поля, и это может быть тем, что вызывает разделение, но это в лучшем случае надумано). Основная идея MOND была довольно отчаянно расширена, чтобы объяснить также темную материю в галактических скоплениях.

Кроме того, рассмотрение космологических сценариев «замораживания», когда темная материя выходит из равновесия с обычной материей при какой-то высокой температуре в ранней Вселенной, дает модель, которая согласуется с текущими данными о нуклеосинтезе и с наблюдаемым изобилием темной материи. Это довольно сильное доказательство того, что есть что-то большее, чем гипотеза стандартной модели темной материи.

Но опять же, не исключено, что существует какая-то видоизмененная гравитация. В конце концов, в какой-то момент квантовым эффектам потребуется изменить гравитацию. Было бы ошибкой не искать ее только потому, что в данный момент другая гипотеза кажется лучшей.

Да. Модифицированные теории гравитации заслуживают доверия. Даниэль Грумиллер и Джерри Ширмер указали на некоторые аргументы против этого, но существуют и глубокие, потенциально неразрешимые проблемы, связанные с подходом частиц темной материи. Кроме того, вес доказательств, сдвинутых астрономами, физиками элементарных частиц и теоретиками, предоставил нам более релевантные доказательства и больше идей о том, как решить проблему, даже за последние несколько лет в этой очень активной области продолжающихся исследований.

Так и должно быть, потому что явления темной материи представляют собой самый поразительный из существующих сегодня случаев, когда комбинация общей теории относительности и Стандартной модели физики элементарных частиц просто не может объяснить эмпирические данные без какой-либо новой физики.

1. Любая жизнеспособная теория темной материи должна быть в состоянии объяснить, почему распределение светящейся материи в галактике так точно предсказывает наблюдаемые явления темной материи и с таким небольшим разбросом во множестве аспектов, таких как кривые вращения и размеры выпуклостей . Эти отношения сохраняются даже в случаях, которые в негравитационной теории не должны выполняться естественным образом. Например, планетарные туманности, вращающиеся на расстоянии эллиптических галактик , показывают ту же динамику звезд на краю спиральных галактик. Точно так же эти отношения сохраняются в богатых газом галактиках и карликовых галактиках.(которые, как предсказывалось, содержат около 0,2% обычной материи, если ОТО верна во Вселенной, которая в целом состоит из 17% темной материи), несмотря на то, что они выходят за рамки данных, используемых для формулирования теорий.

Одна из наиболее успешных недавних попыток воспроизвести барионное соотношение Талли-Фишера с моделями CDM — это Л. В. Сейлз и др., « Маломассивный конец барионного соотношения Талли-Фишера » (5 февраля 2016 г.). Это объясняет:

[Т] литература изобилует неудачными попытками воспроизвести соотношение Талли-Фишера в холодной вселенной, где доминирует темная материя. Прямое моделирование образования галактик, например, в течение многих лет постоянно производило галактики настолько массивные и компактные, что их кривые вращения резко снижались и, как правило, плохо соответствовали наблюдениям. Даже полуаналитические модели, в которых массы и размеры галактик могут быть скорректированы в соответствии с наблюдениями, с трудом воспроизводят соотношение Талли-Фишера, обычно предсказывая скорости при заданной массе, которые значительно выше, чем наблюдаемые, если только не будут сделаны несколько произвольные корректировки реакции галактики. темный ореол.

В статье удается смоделировать соотношение Талли-Фишера только с помощью модели, которая имеет шестнадцать параметров, тщательно «откалиброванных для соответствия наблюдаемой функции звездных масс галактики и размерам галактик на z = 0» и «выбранных так, чтобы они напоминали окрестности Местной группы». Галактик», тем не менее, и до сих пор пытается воспроизвести по одному параметру игрушечную модель MOND тридцатилетней давности. Любой набор данных может быть описан практически любой моделью, если она имеет достаточно настраиваемых параметров.

Большая часть улучшений по сравнению с предыдущими моделями была достигнута за счет попыток включить в модели обратную связь между барионной и темной материей, но это, как правило, делалось таким образом, который был скорее случайным, чем прочно основанный на строгой теории или эмпирических наблюдениях. процессы обратной связи в действии.

Одна из наиболее трудноразрешимых проблем с моделированием, основанным на модели частиц темной материи, которая была отмечена, например, в Элисон М. Брукс, Шарлотте Р. Кристенсен, « Формирование выпуклости через слияния в космологических симуляциях » (12 ноября 2015 г.) что их модель галактики и массового скопления резко занижает долю спиральных галактик в реальном мире, которые не имеют выпуклостей, что представляет собой неотъемлемую трудность процесса, посредством которого пропорции темной материи и барионной материи коррелируются в моделях частиц темной материи, которые не являются проблемой. для модифицированных гравитационных моделей. Они отмечают, что:

[Мы] также демонстрируем, что современным моделям звездной обратной связи очень трудно воспроизвести небольшие выпуклости, наблюдаемые в более массивных дисковых галактиках, таких как Млечный Путь. Мы утверждаем, что модели обратной связи необходимо улучшить, или необходим дополнительный источник обратной связи, такой как AGN, для создания необходимых оттоков.

Общая теория относительности, естественно, не предоставляет такой механизм обратной связи.

2. Тот факт, что почти все кривые вращения галактики можно объяснить с помощью одного параметра, означает, что любая теория темной материи также не может быть слишком сложной, потому что в противном случае для соответствия данным потребовалось бы больше параметров. Отношения, существование которых показывают модифицированные теории гравитации, реальны, независимо от того, реален ли предложенный механизм, порождающий эти отношения, или нет. Теория темной материи не должна иметь больше степеней свободы, чем теория игрушечных моделей, которая может объяснить те же данные. Количество степеней свободы, необходимое для объяснения набора данных, не зависит от конкретного основного характера правильной теории для объяснения этих данных.

Кроме того, хотя в данный момент у меня нет под рукой ссылок на них, ранние симуляции темной материи быстро показали, что модели с одним основным видом темной материи гораздо лучше соответствуют данным, чем модели с несколькими видами темной материи, которые вносят значительный вклад в эти явления.

Это требование простоты значительно сужает класс кандидатов на темную материю, которые необходимо рассмотреть, и, следовательно, количество жизнеспособных теорий частиц темной материи, с которыми модифицированная теория гравитации должна конкурировать в состязании за достоверность.

3. Астрономические наблюдения накладывают довольно жесткие ограничения на пространство параметров темной материи. Элисон Брукс, « Пересмотр астрофизических ограничений модели темной материи » (28 июля 2014 г.). Они исключают почти все модели холодной темной материи, кроме «теплой темной материи» (WDM) (масса в масштабе кэВ находится в нижней части диапазона, разрешенного моделью lamdaCDM) и «самодействующей темной материи» (SIDM). (что позволяет избежать проблем, которые в противном случае мешали бы моделям холодной темной материи с пятой силой, которая действует только между частицами темной материи, требующими по крайней мере фермиона за пределами Стандартной модели, и силы за пределами Стандартной модели, переносимой новым массивным бозоном с массой порядка 1-100 МэВ).

4. Эксперименты прямого обнаружения (особенно LUX) исключают любых кандидатов в темную материю, которые взаимодействуют через любое из трех сил Стандартной модели (включая слабое взаимодействие) при массах до 1 ГэВ (также здесь ).

5. Еще одним ударом является необнаружение сигнатур аннигиляции и распада. Многообещающие данные наблюдения галактического центра со спутника Ферми в настоящее время в значительной степени исключены, поскольку сигнатуры темной материи у Сэмюэля К. Ли, Марианджелы Лисанти, Бенджамина Р. Сафди, Трейси Р. Слейер и Вэй Сюэ. «Доказательства наличия неразрешенных точечных источников гамма-излучения во Внутренней Галактике». физ. Преподобный Летт. (3 февраля 2016 г.). И признаки того, что выглядело как сигнал аннигиляции теплой темной материи, также оказались ложной тревогой .

6. Эксперимент CMS на LHC исключает значительный класс маломассивных кандидатов на темную материю WIMP, в то время как другие результаты LHC исключают практически все возможные суперсимметричные кандидаты на темную материю. Если бы частицы SUSY существовали, они были бы слишком тяжелыми, чтобы составлять теплую темную материю (почти все типы частиц SUSY исключаются БАК до 40 ГэВ, который слишком тяжел), и им также не хватало бы правильного типа самовзаимодействий. заставить в контексте SUSY быть кандидатом SIDM. Это имеет особенно широкое значение, потому что SUSY является низкоэнергетической эффективной теорией почти всех популярных теорий великого объединения и жизнеспособной теории вакуума струн.

7. В то время как MOND требует темной материи в галактических скоплениях, включая особенно сложный случай пулевидного скопления, этот недостаток не является общим для всех модифицированных теорий гравитации (см., например, здесь и здесь ). Многие из теорий, которые могут успешно объяснить скопление пуль, могут это сделать в основном потому, что столкновение можно разложить на компоненты газа и галактики, которые имеют независимые друг от друга эффекты в соответствии с рассматриваемыми теориями. Скопление пули также является одним из основных ограничений пространства параметров SIDM (которое само по себе в основном изменяет гравитацию, но делает это только в темном секторе, ограничивая эти модификации только частицами темной материи), и его трудно сопоставить с образом частиц темной материи. теории.

8. В модифицированной теории гравитации возможно, но очень сложно в теории частиц темной материи объяснить, почему отношение массы к светимости эллиптических галактик изменяется в четыре раза в зависимости от степени их сферичности или нет.

9. Многие из модифицированных гравитационных предложений, достаточно зрелые, чтобы привлечь внимание к их соответствию космологическим данным, также могут пройти этот тест. См., например, здесь .

10. Короче говоря, в то время как одна только гипотеза темной материи может объяснить явно отсутствующую материю в любой данной ситуации, чтобы получить описательную теорию, вы должны быть в состоянии описать весьма специфический способ, которым она распределяется во Вселенной по отношению к барионной материи во Вселенной, в идеале таким образом, чтобы предсказывать новые явления, а не просто постдиктовать уже наблюдаемые результаты, которые вошли в формулировку модели.

Модифицированные теории гравитации неоднократно были предсказательными, в то время как теории темной материи до сих пор не выяснили, как правильно распределить ее по Вселенной, не «обманывая» то, как устроены тестирующие их модели, и не смогли сделать каких-либо правильных предсказаний новых явлений. ниже космического микроволнового фонового излучения по шкале космологии.

Вывод

Чтобы было ясно, я не утверждаю, что модифицированная гравитация действительно должна правильно объяснить все или некоторые из явлений, приписываемых темной материи, и я не утверждаю, что любая из модифицированных теорий гравитации, широко распространенных в настоящее время, на самом деле является правильным описанием Природы.

Но примеров модифицированных теорий гравитации, которые у нас есть, достаточно, чтобы прояснить, что какая-то модифицированная теория гравитации является правдоподобным возможным решением проблемы явлений темной материи.

Это также более надежное решение, чем раньше, потому что доводы в пользу самых популярных теорий частиц темной материи становятся все менее убедительными, поскольку различные виды кандидатов на темную материю были исключены, а все больше данных сузило пространство параметров, доступное для теории. Кандидаты в темную материю. «Чудо WIMP», которое мотивировало множество ранних предложений по темной материи, мертво.

Хотя этот ответ не рассматривает все возможные кандидаты на темную материю и не исключает их (что выходит за рамки вопроса), он ясно дает понять, что ни одно из простых решений, которые, как многие ожидали, сработают в 20-м века выдержали испытание временем в 2016 году. За последние шесть лет или около того выжило лишь несколько жизнеспособных теорий частиц темной материи, в то время как было разработано и не исключено множество новых модифицированных теорий гравитации.