Темна матерія Монд нарешті обійдеться без неї, щоб пояснити викопне випромінювання та форму
Альтернатива темній матерії модифікації законів Ньютона небесної механіки, теорія Монда, стає все більш надійною в останні роки. Її основні вади, які не повинні бути сумісними з теорією відносності Ейнштейна і особливо з характеристиками викопного випромінювання, що дає можливість народити галактики, здаються остаточно усуненими, як пояснює нам астрофізик Бенуа Фамей.
Стандартна модель фізики частинок стала предметом вражаючих випробувань завдяки зіткненню протонів, проведеному в LHC. Однак усі фізики високих енергій знають, що ця модель є неповною і що вона має бути просто тією формою, яку набуває уніфікована теорія сил при низьких енергіях. Переважна більшість теорій такого роду передбачає існування нових частинок, які могли б поводитися так, як частинки темної матерії, задіяні для врахування руху зірок в галактиках та галактик в скупченнях галактик. Ці частинки темної речовини не можуть бути частинками звичайної речовини з різних причин.
Деякі фізики не люблять постулювати існування нових частинок, ніколи раніше не виявлених, тим більше, що вони шукали їх десятиліттями, і моделі, засновані на їх існуванні, стикаються з труднощами в обліку динаміки частинок. Галактик.
Вони вважають за краще модифікувати закони гравітації і, зокрема, закони небесної механіки Ньютона, щоб на великій відстані від притягуючого тіла прискорення, яке створюється його гравітаційним полем на іншому тілі, не зменшувалось. у фізиці Ньютона. Таким чином, зірки в галактиці можуть швидше обертатися навколо її центру, ніби є більша, але невидима маса, коли її немає.
Для цього існує теоретична основа, досліджена із початку 1980-х років ізраїльським фізиком Мілгромом: Модифікована ньютонівська динаміка (Монд).
Теорія Монда досягла великих успіхів в останні роки, зокрема тому, що вона краще описує, наприклад, спостереження щодо динаміки спіральних галактик і навіть карликових галактик навколо Андромеди та Чумацького Шляху. .
Футура присвятив Монду численні статті, кілька разів надаючи слово одному з дослідників, що досліджує цю альтернативу моделі холодної темної матерії, астрофізику Бенуа Фамей (який працює над динамікою галактик в обсерваторії Страсбурга). Разом зі своєю колегою Стейсі Макго він написав дуже вичерпну статтю на тему "Живі огляди у відносності". .
Проте вже більше століття Альберт Ейнштейн відкрив свою теорію загальної теорії відносності, засновану, зокрема, на тому, що, щоб бути послідовною, фізика повинна вимагати гравітації, щоб бути сумісною з теорією спеціальної теорії відносності. З тих пір були запропоновані інші рівняння, крім розширення теорії Ейнштейна про кривий та релятивістський простір-час, але теорія Ейнштейна успішно витримала всі випробування, будь то з чорними дірами, такими як Sgr A * або M87 *, або шляхом вивчення гравітаційних хвиль .
Однак ми продовжуємо намагатися спростувати це, шукаючи порушення принципу еквівалентності або демонструючи, що так звані тензорно-скалярні теорії є більш доречними для опису реальних, наприклад, для врахування темної енергії, інших опор стандарту космологічна модель, одним з головних піонерів якої є Нобелівський лауреат з фізики Джеймс Піблз .
Нагадуємо всі ці міркування, щоб зрозуміти, що для того, щоб зробити Монда більш надійним, потрібно було б знайти релятивістську версію.
Під час одного з інтерв'ю, яке він дав нам кілька років тому, Бенуа Фамей дав нам такі коментарі на цю тему, які ми продовжуємо нижче, перед тим, як знову взяти у нього інтерв'ю у світлі останніх подій.
Futura-Sciences: Чи погоджується Монд зі спеціальною теорією відносності, якою повинна була бути теорія гравітації Ейнштейна? ?
Бенуа Фамей: На початку це було не так, але ми досить швидко шукали модифікації рівнянь загальної теорії відносності, з яких ми могли б вивести співвідношення Мілгрома. Однією з перших, хоча вона не блищить своєю елегантністю, була теорія TeVeS, запропонована Якобом Бекенштейном. Це фактично теорія, що належить до більшого набору теорій, заснована на існуванні динамічного векторного поля на додаток до метрики Ейнштейна в теорії гравітації, теорія якої варіанти були розроблені, зокрема, астрономами Оксфордського університету, і відомий як "неканонічні теорії Ейнштейна-ефіру". Останнім часом ці теорії, однак, виявляються у відносних труднощах, зокрема через проблеми внутрішньої стабільності.
В останні роки Мілгром досліджує іншу релятивістську формулювання під назвою Бімонд. Він полягає у введенні двох різних просторово-часових метрик (саме тому ми говоримо про біметричну теорію), які можна інтерпретувати, вводячи другий Всесвіт у взаємодії з нашим, таким чином, що не порушує обмежень фізики частинок. Вже існувало кілька серйозних формулювань теорій такого роду, наприклад, Андрієм Лінде (для пояснення низького значення космологічної константи) або в рамках теорії струн, де існують космології з паралельними всесвітами. Хорошим прикладом є екпіротична модель Пола Штайнхардта, Берта Оврута, Джастіна Хоурі та Ніла Турока, а також одна із запропонованих Лізою Рендалл та Раманом Сундрамом, яка давала надію на створення міні-чорних дір у LHC.
Третій спосіб отримати релятивістську модель, що пояснює відношення Мілгрома, парадоксально - вивести її з конкретної моделі темної матерії, запропонованої Люком Бланше .
За аналогією з тим, що відбувається в діелектричних середовищах, диполярною темною речовиною вона називається парами частинок однакової маси, але протилежних знаків. Нелегко розглядати негативні маси в загальній теорії відносності, і необхідно додати нову силу, щоб ці пари зв'язалися стабільно. Але, що примітно, без модифікації рівнянь Ейнштейна та того факту, що в цій моделі ореол темної матерії, що оточує галактики, поводиться як своєрідне поляризоване середовище з точки зору гравітації, ми знаходимо відношення Мілгрома.
Але Бенуа Фамей не приховував від нас, що з Мондом існують інші набагато серйозніші проблеми, ніж пошук релятивістської формулювання. Ми знову беремо витяги з його пояснень.
Бенуа Фамей: Ймовірно, найчастіше цитується проблема, з якою стикаються при вивченні скупчень галактик за допомогою ефекту гравітаційного лінзування. Найвідоміший випадок - це "Скупчення куль", але насправді він не повністю спростовує Монда. Власне кажучи, все, що демонструють ці спостереження, полягає в тому, що Монд без темної матерії не повідомляє спостереження за скупченнями, але ми не зобов'язані пояснювати те, що наші прилади показують нам лише з темною речовиною. Цілком може бути, що зміни закону гравітації І частинок темної матерії є саме правильним описом світу галактик, скупчень галактик і космології.
Але проблема Монда номер 1 як суто модифікація гравітації (але, очевидно, не проблема Монда як галактичної феноменології) полягає у її протистоянні з викопним випромінюванням. .
Коли ми складаємо відому криву спектру потужності цього випромінювання з спостережень Планка, ми бачимо * багато піків *, пов'язаних з цим космічним дифузним фоном або FDC (англійською мовою, Cosmic Microwave Background або CMB), включаючи, зокрема, перші три ( ті, що мають найбільший масштаб) - справжня шахта інформації про наш Всесвіт.
Точно так само, як спектральні лінії елемента є його ідентифікаційною карткою, ці піки дають нам інформацію про геометрію та вміст спостережуваного Всесвіту. За відсутності темної матерії третій пік повинен бути значно меншим за другий, навіть з Мондом. Це не те, що ми спостерігаємо.
Оскільки ми насправді не знаємо, що стоїть за стосунками Мілгрома, не виключено, що релятивістська версія Монда нарешті здатна пояснити цей третій пік, але на даний момент ми не бачимо, як.
Однак останніми роками проблема сумісності Монда з спостереженнями викопного випромінювання, зробленими за допомогою супутника Планка, систематично висувається на захист існування темної матерії, вказуючи, крім того, що без неї не можна можливо зробити галактики досить швидкими, щоб їх можна було спостерігати сьогодні. Космос, який можна спостерігати, був би занадто молодим для цього.
Тому ми розуміємо, що це потенційно бомба, яка щойно вибухнула, розмістивши на ArXiv статтю Константиноса Скордіса та Тома Злосніка.
Переглядаючи та узагальнюючи теорії типу TeVeS Бекенштейна, які, здавалося б, спростовуються спостереженнями з гравітаційними хвилями, випромінюваними злиттям нейтронних зірок, зокрема у випадку GW170817, обидва дослідники заявляють не тільки про те, що вони знайшли релятивістську формулювання Монда, вільний від раніше зроблених заперечень, але перш за все вперше зумів відтворити криву кутового спектру потужності КМБ, виявлену спостереженнями Планка.
Тому Футура вирішив ще раз звернутися до Бенуа Фамей, щоб пояснити нам, що він думає про ці нові результати.
Futura-Sciences: Skordis і Złosnik тепер пропонують релятивістську версію Mond і вважають, що вони справді вперше досягли успіху в обліку характеристик викопного випромінювання. Однак вони апелюють до теорії типу TeVeS. Однак нещодавно піднесення астрономії з декількома месенджерами із спільним виявленням гравітаційних та електромагнітних хвиль було представлено як звук смерті для цього типу теорії. Що про це думати ?
Бенуа Фамей: Перше безпосереднє виявлення на Землі 17 серпня 2017 року гравітаційних хвиль, випромінюваних джерелом під назвою GW170817 одночасно з його електромагнітним аналогом, спочатку було несумісним з теоріями типу TeVeS. Але вже в 2019 році Скордіс і Злосник показали, що це не так.
Як випливає з назви, теорії типу TeVeS включають три поля, які поєднуються для впливу на фізичні явища. Ми знаходимо тензорне поле, яке описує метрику та кривизну простору-часу як у загальній теорії відносності, а також векторне поле, таке як електричне поле, або поле швидкості та скалярне поле, як ті, що використовуються для опису бозона де Брута Енглерт-Хіггс або темна енергія в так званих квінтесенційних моделях, спочатку запропонованих у 1988 році Бхаратом Вішну Ратрою та Джеймсом Піблсом .
Поле тензора описує поширення гравітаційних хвиль зі швидкістю світла, яку ми знаємо. Але в оригінальній версії TeVeS він поєднується з двома іншими полями, отримуючи друге тензорне поле, яке проявляється як інший простір-час, коли частинки Стандартної моделі поширюються. Тоді ми можемо показати, що швидкість розповсюдження гравітаційних та електромагнітних хвиль неоднакова, у зв'язку з явищем, яке називається ефектом Шапіро, а саме, що гравітаційне поле тіла не задовольняється, відхиляючи промені світла, це збільшує час їх поширення.
Супутня кілонова GW170817 випромінювала електромагнітні хвилі, які проходили через гравітаційні поля, створювані усіма галактиками, розташованими між кілоновою та нами. Врешті-решт, ми можемо розрахувати затримку приходу електромагнітних хвиль порівняно з гравітаційними хвилями.
Вимірювання Ліго та Діви, отримані разом із вимірами, що стосуються електромагнітних хвиль, починаючи від радіодомену і вимірюючи гамма-промені, показали, що гравітаційні хвилі добре спрацьовували при обмеженні швидкості, яке ми спочатку виявили на Землі за допомогою світлових хвиль (але насправді загальне обмеження швидкості, накладене природою простору-часу). Вони також демонстрували ефект Шапіро, але таким чином, що, мабуть, це призвело до спростування теорій TeVeS, як пояснювали Сібель Боран, Шантану Десай, Емре Кайя та Річард Вудард у 2017 році, оскільки розрахованої затримки світлових хвиль не було.
Однак узагальнення TeVeS, яке залишилось непоміченим до 2019 року і на яке вказали Skordis та Złosnik, не має цієї вади. Гравітаційні та електромагнітні хвилі поширюються там добре з однаковою швидкістю, оскільки насправді це теорія тензора-вектора, яка називається "неканонічним ефіром Ейнштейна" (і скалярне поле тоді лише кількісно визначає норму вектора), що робить можна скасувати різницю в швидкості поширення гравітаційних та електромагнітних хвиль для цілого класу лагранжів .
Futura-Sciences: Константинос Скордіс і Том Злоснік знайшли спосіб уникнути спростування теорії типу TeVeS за допомогою спостережень Ліго, Діви та Планка одночасно, але чи цього насправді достатньо? народження галактик ?
Бенуа Фамей: Так, Скордіс і Злосник стверджують у своїй статті, що можуть відтворювати спектр потужності речовини в лінійному режимі. Іншими словами, без необхідності чисельного моделювання із запропонованою новою теорією можна аналітично показати в режимі лінійних збурень, що структури утворюються так само, як і з темною речовиною. До цього часу для того, щоб прискорити гравітаційний колапс звичайної речовини, потрібна була темна речовина.
Той факт, що нам зараз вдається, в контексті релятивістської версії Монда, відтворити спектр потужності речовини в лінійному режимі, це нас запевняє; хоча все одно доведеться перевірити те, що ця теорія передбачає пізніше в історії Всесвіту, що вимагатиме моделювання. Нещодавно ми з колегами з Боннського університету, Нілсом Віттенбургом та Павлом Крупою опублікували статтю в Astrophysical Journal, в якій ми вже показали, що в рамках Монда можна народити галактики, схожі на спостерігаються дискові галактики. Однак у нас не було чітких космологічних рамок, в яких можна працювати. З теорією Скордіса та Злосника це зроблено.
Futura-Sciences: Чи можемо ми вивести рівняння, запропоновані Константиносом Скордісом та Томом Злосніком, з фундаментальної теорії фізики, наприклад теорії надструн ?
Бенуа Фамей: Можливо. Безперечно, що їх теорія робить своєрідну інтерполяцію між двома іншими теоріями відповідно до стану скалярного поля та його варіацій. В режимі рівноваги, тобто без великих часових коливань, званому квазістатичним режимом, ми знаходимо теорію Бевенштейна TeVeS, яка добре працює для опису руху зірок в галактиках та ефектів гравітаційних лінз, що спостерігаються в галактиках.
Це насправді теорія типу Ейнштейна-ефіру. В іншому режимі, де важлива тимчасова залежність, тобто адекватний режим для опису первісного Всесвіту та викопного випромінювання під час його випромінювання, скалярне поле надає теорії вигляд тих, що розглядаються як тип K-сутності теорії, різновид теорій квінтесенції для опису темної енергії, але яка також може поводитися як темна матерія.
Теорія типу Ейнштейна-ефіру містить теорію загальної теорії відносності, але також векторне поле, яке дозволяє визначити абсолютну систему відліку, як це дозволяв ефір класичної фізики до Ейнштейна. Теорії K-сутності використовують скалярне поле для обліку темної енергії від Лагранжіана, як кажуть фізики своїм жаргоном, який залежить від скалярного поля лише значенням того, що поводиться як його кінетична енергія, отже, K для "кінетичної енергії" англійською.
На закінчення я хотів би сказати, що ця теорія Скордіса і Злосника на цьому етапі є лише "доказом концепції", що показує, що можна відтворити космологічне дифузне тло за допомогою релятивістської теорії Монда, але саме по собі це подвиг, який ми думали майже неможливо кілька років тому (див. інтерв’ю вище). Перш ніж знати, чи можна цю ефективну теорію вивести з більш фундаментальної теорії, потрібно буде перевірити, що вона передбачає в режимах, для яких вона не була розроблена.
Дійсно, теорія була побудована для відтворення як космологічного, так і дифузного фону Монда в галактиках. Це саме по собі є досягненням, але що свідчить про «добру» теорію, це її здатність прогнозувати нові явища в режимах, для яких вона не була побудована. У цьому сенсі буде особливо цікаво подивитися, якими будуть передбачення теорії Константиноса Скордіса та Тома Злосника на схемі, що описує скупчення галактик. Це може бути чудовим тестом, який може виключити теорію або, навпаки, відкрити кілька хороших сюрпризів. Тож тепер ми маємо братися за справу.