Esses físicos preferem a nova teoria da gravidade

Usando as leis da física de Newton, podemos modelar os movimentos dos planetas no sistema solar com total precisão. No entanto, no início da década de 1970, os cientistas descobriram que Isso não funcionou para ele galáxias de disco As estrelas em suas bordas externas, longe da força gravitacional de toda a matéria em seu centro, estavam se movendo muito mais rápido do que a teoria de Newton previu.

Como resultado, os físicos sugeriram que uma substância invisível chamada “matéria escura“Ele estava fornecendo uma atração gravitacional adicional, fazendo com que as estrelas acelerassem – uma teoria que se tornou amplamente aceita. última revisão Meus colegas e eu sugerimos que as observações em uma ampla gama de escalas são muito melhor explicadas em uma teoria alternativa da gravidade chamada dinâmica Milgromiana ou Mond – Não requer nenhum material invisível. Foi proposto pela primeira vez pelo físico israelense Mordechai Milgrom em 1982.

A suposição básica de Mond é que quando a gravidade se torna muito fraca, como acontece perto da borda das galáxias, ela começa a se comportar de maneira diferente da física newtoniana. Desta forma, é possível explique Por que estrelas, planetas e gás nos arredores de mais de 150 galáxias estão girando mais rápido do que o esperado com base apenas em sua massa visível. No entanto, Mond não é apenas explique Como curvas de rotação, em muitos casos, Espero elas.

filósofos da ciência argumentar Que esse poder de previsão torna Mond superior ao modelo cosmológico padrão, o que sugere que há mais matéria escura no universo do que matéria visível. Isso porque, de acordo com esse modelo, as galáxias contêm uma quantidade extremamente incerta de matéria escura que depende dos detalhes de como a galáxia se formou – o que nem sempre sabemos. Isso torna impossível prever o quão rápido as galáxias giram. Mas essas previsões são feitas rotineiramente com Mond, e isso foi confirmado até agora.

Imagine que conhecemos a distribuição da massa visível em uma galáxia, mas ainda não sabemos sua velocidade de rotação. No Modelo Cósmico Padrão, só seria possível dizer com alguma confiança que a velocidade de rotação estaria entre 100 km/s e 300 km/s nos subúrbios. Mond dá uma previsão mais específica de que a velocidade de rotação deve estar na faixa de 180-190 km / s.

Se observações posteriores revelarem uma velocidade de rotação de 188 km/s, isso concorda com ambas as teorias – mas Mond é claramente o favorito. Esta é uma versão recente do navalha de Occam – que a solução mais simples é melhor que as soluções mais complexas, caso em que devemos explicar as notas com o menor número possível de “parâmetros livres”. Parâmetros livres são constantes – certos números que devemos inserir em equações para fazê-los funcionar. Mas a própria teoria não os forneceu – não há razão para qualquer valor particular existir – então temos que medi-lo por observação. Um exemplo é a constante gravitacional, G, na teoria ou magnitude gravitacional de Newton matéria escura em galáxias dentro do Modelo Cosmológico Padrão.

Introduzimos um conceito conhecido como “elasticidade teórica” ​​para capturar a ideia por trás do código de Occam de que uma teoria com os parâmetros mais livres é consistente com uma gama mais ampla de dados – tornando-a mais complexa. Em nossa análise, usamos esse conceito ao testar o modelo cosmológico Standard e Mond contra várias observações astronômicas, como a rotação de galáxias e movimentos dentro de aglomerados de galáxias.

A cada vez, demos uma pontuação teórica de elasticidade entre -2 e +2. Uma pontuação de -2 indica que o modelo está fazendo uma previsão clara e precisa sem examinar os dados. Por outro lado, +2 significa “vale tudo” – os teóricos poderiam ter se encaixado em quase qualquer resultado observacional razoável (já que existem tantos parâmetros livres). Também avaliamos o quão bem cada modelo se ajusta às observações, onde +2 indica ajuste excelente e -2 é reservado para observações que mostram claramente que a teoria é falsa. Em seguida, subtraímos o grau de flexibilidade teórica daquele de concordância com as observações, já que combinar bem os dados é bom – mas ser capaz de ajustar qualquer coisa é ruim.

Uma boa teoria faria previsões claras que foram posteriormente confirmadas, e uma pontuação combinada de +4 em muitos testes diferentes seria melhor (+2 – (- 2) = +4). Uma teoria ruim obterá uma pontuação entre 0 e -4 (-2 – (+ 2) = -4). Previsões precisas podem falhar neste caso – e é improvável que funcionem com a física errada.

Encontramos uma pontuação média para o Modelo Cosmológico Padrão -0,25 em 32 testes, enquanto Mond alcançou uma pontuação média de +1,69 em 29 testes. As pontuações para cada teoria em muitos testes diferentes são mostradas nas Figuras 1 e 2 abaixo para o modelo cosmológico Padrão e Mond, respectivamente.

Figura 1. Comparando o modelo cosmológico padrão com observações baseadas em quão bem os dados se encaixam com a teoria (otimização de baixo para cima) e quão flexível é no ajuste (altura da esquerda para a direita). O círculo vazio não é considerado em nossa avaliação, pois esses dados foram usados ​​para definir parâmetros livres. Reproduzido da Tabela 3 de nossa revisão. crédito: Arxiv

Figura 2. Semelhante à Figura 1, mas para Mond com partículas virtuais que interagem apenas por gravidade, eles são chamados de neutrinos estéreis. Observe que não há falsificação aparente. Reproduzido da Tabela 4 de nossa revisão. crédito: Arxiv

Fica imediatamente claro que nenhum problema significativo foi identificado para Mond, que pelo menos concorda razoavelmente com todos os dados (observe que as duas linhas inferiores indicando falsificação estão em branco na Figura 2).

problemas de matéria escura

Uma das falhas mais marcantes do Modelo Cósmico Padrão tem a ver com “galáxias em barra” – regiões brilhantes em forma de bastonetes feitas de estrelas – nas quais as galáxias espirais são frequentemente encontradas em suas regiões centrais (veja a imagem principal). As barras giram ao longo do tempo. Se as galáxias estivessem embutidas em enormes halos de matéria escura, seus bastonetes desacelerariam. No entanto, a maioria, se não todas, as bandas galácticas observadas são rápidas. isto é falso Modelo cosmológico padrão com alto grau de confiança.

Outro problema é que modelos originais Que as galáxias propostas têm halos de matéria escura cometeu um grande erro – eles assumiram que as partículas de matéria escura fornecem gravidade à matéria ao seu redor, mas não são afetadas pela atração gravitacional da matéria comum. Isso simplifica os cálculos, mas não reflete a realidade. Quando isso foi levado em consideração na Simulações subsequentes Ficou claro que os halos de matéria escura ao redor das galáxias não explicam de forma confiável suas propriedades.

Existem muitas outras falhas do Modelo Cosmológico Padrão que examinamos em nossa revisão, e Mond muitas vezes conseguiu explicado naturalmente Notas. No entanto, a razão pela qual o Modelo Cosmológico Padrão é tão popular pode ser devido a erros computacionais ou conhecimento limitado de suas falhas, algumas das quais foram descobertas recentemente. Também pode ser devido à relutância das pessoas em modificar a teoria da gravidade, que tem tido tanto sucesso em muitas outras áreas da física.

A grande vantagem de Mond sobre o Modelo Cosmológico Padrão em nosso estudo nos levou a concluir que as observações disponíveis favorecem fortemente Mond. Embora não afirmemos que Mond é perfeito, ainda achamos que corrige o quadro geral – as galáxias realmente carecem de matéria escura.

Escrito por Indranil Banik, Pesquisador de Pós-Doutorado em Astrofísica, Universidade de St Andrews.

Este artigo foi publicado pela primeira vez em Conversação.

Referência: “Das hastes galácticas à tensão do Hubble: pesando evidências astrofísicas para a gravidade de Melgromian
Por Indranil Banik e Hongsheng Zhao, 27 de junho de 2022 Disponível aqui simetria.
DOI: 10.3390 / sym14071331