Karanlık maddenin ana rakip teorisi öldü mü? Cassini uzay aracı ve diğer yeni testler MOND’u geçersiz kılabilir

Bugün astrofizikteki en büyük gizemlerden biri galaksilerdeki kuvvetlerin toplamının birbirine eşit olmamasıdır. Galaksiler, güneş sisteminin her yerinde iyi işleyen yasalara rağmen, Newton’un yerçekimi yasasını görünür maddelere uygulayarak tahmin edilenden çok daha hızlı dönüyorlar.

Galaksilerin birbirinden ayrılmasını önlemek için bir miktar ek yerçekimine ihtiyaç vardır. Bu nedenle karanlık madde adı verilen görünmez bir madde fikri ilk kez ortaya atıldı. Ama hiç kimse bu şeyleri görmedi. Ve parçacık fiziğinin son derece başarılı Standart Modelinde karanlık madde olabilecek hiçbir parçacık yok; oldukça egzotik bir şey olsa gerek.

Bu, galaktik farklılıkların Newton yasalarının bozulmasından kaynaklandığı yönündeki rakip fikrin ortaya çıkmasına yol açtı. Bu türden en başarılı fikir, İsrailli fizikçi Mordehai Milgrom tarafından 1982’de öne sürülen Milgrom dinamikleri veya MOND olarak biliniyor. Ancak son araştırmalarımız, bu teorinin başının dertte olduğunu gösteriyor.

MOND’un ana varsayımı, yerçekiminin galaksilerin kenarlarında olduğu gibi çok zayıfladığında Newton’un beklediğinden farklı davranmaya başlamasıdır. MOND, herhangi bir karanlık madde olmadan galaksinin dönüşünü tahmin etme konusunda oldukça başarılı ve birkaç başarısı daha var. Ancak bunların birçoğu Newton yasaları korunarak karanlık maddeyle de açıklanabilir.

Peki MOND’u kesin bir teste nasıl tabi tutacağız? Uzun yıllardır bu işin peşindeyiz. Önemli olan MOND’un yerçekiminin davranışını nesneden belirli bir mesafede değil, yalnızca düşük ivmelerde değiştirmesidir. Herhangi bir göksel nesnenin (gezegen, yıldız veya galaksi) eteklerinde, ona yakın olduğunuz zamana kıyasla daha düşük ivme hissedeceksiniz. Ancak yerçekiminin nerede daha güçlü olması gerektiğini tahmin eden, mesafeden ziyade ivme miktarıdır.

Bu, MOND etkilerinin tipik olarak bir galaksiden birkaç bin ışıkyılı uzaklıkta ortaya çıkmasına rağmen, tek bir yıldıza baktığımızda etkilerin bir ışık yılının onda biri kadar bir sürede son derece önemli hale geleceği anlamına gelir. Bu, Dünya ile Güneş arasındaki mesafe olan astronomik birimden (AU) yalnızca birkaç bin kat daha büyüktür. Ancak daha zayıf MOND etkileri, dış güneş sistemi gibi daha küçük ölçeklerde de tespit edilebilir.

Bu bizi 2004 yılında Satürn’ün yörüngesinde dönen ve 2017’de gezegene yaptığı son şiddetli çarpışmaya getiren Cassini misyonuna getiriyor. Satürn, 10 AU’da güneşin etrafında dönüyor. MOND’un tuhaf bir özelliği nedeniyle galaksimizin geri kalanından gelen yerçekimi, Satürn’ün yörüngesinin Newton’un beklentisinden hafif bir şekilde sapmasına neden olmalıdır.

Bu, Dünya ile Cassini arasındaki radyo darbelerinin zamanlanmasıyla test edilebilir. Cassini Satürn’ün yörüngesinde olduğundan bu Dünya-Satürn mesafesinin ölçülmesine yardımcı oldu ve Satürn’ün yörüngesini tam olarak takip etmemizi sağladı. Ancak Cassini, MOND’da beklenen türden bir anormallik bulamadı. Newton hala Satürn için iyi çalışıyor.

İçimizden biri, Harry Desmond, yakın zamanda bir çalışma yayınladı içinde Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri sonuçları daha derinlemesine araştırıyor. Galaksi kütlelerini parlaklıklarından hesaplama yöntemimizde değişiklik yapsaydık belki de MOND Cassini verilerine uyacaktı? Bu, MOND’un galaksi dönüş modellerine uyum sağlamak için yerçekiminde ne kadar bir artış sağlaması gerektiğini ve dolayısıyla Satürn’ün yörüngesi için ne beklememiz gerektiğini etkileyecektir.

Diğer bir belirsizlik ise çevredeki galaksilerden gelen yerçekimidir ve bunun da küçük bir etkisi vardır. Ancak çalışma, MOND’un galaksi dönüşü modellerine uyum sağlamak için nasıl çalışması gerektiği göz önüne alındığında, hesaplamalarda ne kadar ince ayar yaparsak yapalım Cassini radyo izleme sonuçlarına da uymadığını gösterdi.

Gökbilimciler tarafından büyük olasılıkla dikkate alınan ve çok çeşitli belirsizliklere izin veren standart varsayımlar göz önüne alındığında, MOND’un Cassini sonuçlarını eşleştirme şansı, paranın arka arkaya 59 kez havaya atılmasıyla aynıdır. Bu, bilimdeki bir keşif için “5 sigma” altın standardının iki katından fazladır; bu da art arda yaklaşık 21 yazı-tura atmaya karşılık gelir.

MOND’a bir kötü haber daha

MOND için tek kötü haber bu değil. Başka bir test, geniş ikili yıldızlar (birkaç bin AU uzaklıkta ortak bir merkezin etrafında dönen iki yıldız) tarafından sağlanıyor. PAZARTESİ tahmin Bu tür yıldızların birbirlerinin etrafında Newton yasalarına göre beklenenden %20 daha hızlı dönmeleri gerekiyor. Ama içimizden biri, Indranil Banik yakın zamanda çok detaylı bir çalışmaya öncülük etti: Kural dışı bu tahmin. Bu sonuçlar göz önüne alındığında MOND’un haklı olma şansı, adil bir paranın art arda 190 kez tura çıkmasıyla aynıdır.

Başka bir ekibin sonuçları da MOND’un aynı zamanda başarısız uzak dış güneş sistemindeki küçük cisimleri açıklamak. Dışarıdan gelen kuyruklu yıldızların enerji dağılımı MOND’un öngördüğünden çok daha dar. Bu cisimlerin ayrıca tüm gezegenlerin yakın yörüngede olduğu düzleme genellikle yalnızca hafif eğimli yörüngeleri vardır. MOND, eğimlerin çok daha büyük olmasına neden olacaktır.

Yaklaşık bir ışık yılının altındaki uzunluk ölçeklerinde Newton yerçekimi MOND’a göre güçlü bir şekilde tercih edilir. Ancak MOND galaksilerden daha büyük ölçeklerde de başarısız oluyor: Galaksi kümeleri içindeki hareketleri açıklayamıyor. Karanlık madde ilk olarak 1930’larda Fritz Zwicky tarafından Saç Kümesi içindeki galaksilerin rastgele hareketlerini açıklamak için önerildi; bu, onu bir arada tutmak için görünür kütlenin sağlayabileceğinden daha fazla yerçekimi gerektirir.

MOND, en azından gökada kümelerinin merkez bölgelerinde de yeterli yerçekimi sağlayamıyor. Ancak onların eteklerinde MOND şunları sağlar: çok fazla yer çekimi. Bunun yerine, normal maddeden beş kat daha fazla karanlık madde içeren Newton yerçekimini varsayarsak, iyi form verilere.

Ancak kozmolojinin standart karanlık madde modeli mükemmel değildir. Evrenin genişleme hızından dev kozmik yapılara kadar açıklamakta zorlandığı şeyler var. Yani henüz mükemmel modele sahip olmayabiliriz. Görünüşe göre karanlık madde kalıcı olacak, ancak doğası Standart Model’in önerdiğinden farklı olabilir. Ya da yerçekimi gerçekten de düşündüğümüzden daha güçlü olabilir; ancak yalnızca çok büyük ölçeklerde.

Ancak sonuçta MOND, şu anda formüle edildiği şekliyle artık karanlık maddeye uygun bir alternatif olarak görülemez. Hoşumuza gitmeyebilir ama karanlık taraf hâlâ etkisini sürdürüyor.

Bu makale şuradan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altındadır. Okumak orijinal makale.