الطريقة الوحيدة هي تغيير قوانين الجاذبية ، لكن أفضل ملاحظاتنا لاحظت مثل هذه التغييرات.

نما الفرق بين المتوقع والملاحظ على مر السنين ، ونحن متوترين بشكل متزايد لسد هذه الفجوة.
- ارميا اوستريكر

إذا كنت مهتمًا بالكون والكون وما فيه ، فيجب أن تسمع عن المادة المظلمة - أو على الأقل عن مشكلة المادة المظلمة. دعنا نراجع بإيجاز ما يمكنك رؤيته إذا نظرت إلى الكون بمساعدة أكبر تكنولوجيا تلسكوب كانت قادرة على صنعها.

لا ، ليست هذه الصورة. يمكنك رؤية هذا بعين مسلح جيدًا: منطقة صغيرة من الفضاء تحتوي على بعض النجوم الخافتة في مجرتنا ، ولا شيء أكثر من ذلك.

لقد درسنا ليس فقط هذه المنطقة بالذات ، ولكن أيضًا العديد من المناطق المماثلة الأخرى ، باستخدام أدوات حساسة للغاية. حتى بالنسبة لمثل هذه المنطقة ، الخالية من النجوم الساطعة أو المجرات أو التجمعات والمجموعات الشهيرة ، نحتاج فقط إلى توجيه كاميراتنا إليها لبعض الوقت. وإذا مر الكثير من الوقت ، سنبدأ في جمع الفوتونات من مصادر خافتة وبعيدة بشكل لا يصدق. هذه المنطقة الصغيرة التي تسمى XDF هي نتيجة للمراقبة في تجربة Hubble eXtreme Deep Field ، وهي منطقة صغيرة جدًا لدرجة أنها ستستغرق 32،000،000 لتغطية السماء الليلية الكاملة لهذه المناطق ، ومع ذلك ما زالوا يرون التلسكوب هناك. هابل.

في هذه الصورة ، تم العثور على 5500 مجرة فريدة ، مما يعني أنه يوجد في الكون ما لا يقل عن 200 مليار مجرة. ولكن على الرغم من الانطباع الذي أحدثته هذه الكمية ، فإن هذا لا يزال ليس أكثر الاكتشافات إثارة للإعجاب الذي توصلنا إليه حول الكون عند دراسة العدد الكبير وتنوع المجرات والمجموعات والعناقيد.

فكر في ما يجعل هذه المجرات تتألق ، سواء كانت قريبة جدًا منا أو في عشرات المليارات من السنوات الضوئية.

إنه يلمع النجوم في المجرات! على مدى السنوات الـ 150 الماضية ، كان أحد الإنجازات الرئيسية لعلم الفلك والفيزياء الفلكية هو فهم كيفية تشكل النجوم وعيشها وتموتها وتألقها أثناء الحياة. عندما نقيس ضوء النجوم من أي من المجرات المرئية ، يمكننا على الفور معرفة النجوم الموجودة فيه وما هي كتلتها الإجمالية.

تذكر هذه الحقيقة ونحن نمضي قدمًا: يخبرنا الضوء من المجرات والمجموعات والعناقيد عن كتلة النجوم الموجودة في المجرة أو المجموعة أو الكتلة. ولكن لا يمكننا قياس ضوء النجوم فقط!

يمكننا قياس حركة المجرات ، وسرعة دورانها ، وسرعتها النسبية ، وما إلى ذلك. هذا يعطينا الكثير ، لأنه بناءً على قوانين الجاذبية ، إذا قمنا بقياس سرعتها ، يمكننا حساب مقدار المادة والمادة التي يجب أن تكون فيها!

فكر في الأمر: إن قوانين الجاذبية كونية ، مما يعني أنها واحدة في جميع أنحاء الكون. يجب أن يكون القانون الذي يحكم النظام الشمسي هو نفس القانون الذي يحكم المجرات. اتضح أن لدينا طريقتين مختلفتين لقياس كتلة أكبر الهياكل في الكون:

يمكننا قياس ضوء النجوم المنبثق منها ، وبما أننا نعرف مبادئ عمل النجوم ، يمكننا أن نفترض مقدار احتوائها على كتل.
يمكننا قياس حركتهم ، ومعرفة ما إذا كانت مرتبطة بالجاذبية ، وكيف بالضبط. بناءً على الجاذبية ، يمكننا أن نفترض مقدار الكتلة الموجودة في هذه الأشياء.

ونطرح سؤالًا مهمًا: هل يتقارب هذان المعنىان ، وكم؟

إنهم لا يتلاقون فقط ، ولا يقفون حتى في مكان قريب! إذا قمت بحساب كمية الكتلة في النجوم ، فستحصل على رقم واحد ، وإذا قمت بحساب كمية الكتلة على أساس الجاذبية ، فستحصل على رقم أكبر 50 مرة. يحدث هذا بغض النظر عما إذا كنت تدرس المجرات الصغيرة أو المجرات الكبيرة أو مجموعات وعناوين المجرات.

اتضح شيئًا مهمًا إلى حد ما: إما أن 98 ٪ من كل مادة الكون غير موجودة في النجوم ، أو أن فكرتنا عن الجاذبية غير صحيحة. دعونا نلقي نظرة على الخيار الأول ، لأن لدينا الكثير من البيانات عليه.

قد تكون هناك بعض الأشياء إلى جانب النجوم نفسها ، والتي تشكل كتلة المجرات والعناقيد ، بما في ذلك:

كتل من المواد غير المضيئة ، مثل الكواكب والأقمار والأقمار الصناعية الصغيرة والكويكبات والكتل الجليدية ، وما إلى ذلك ؛
الغاز بين النجوم المحايد والمتأين والغبار والبلازما ؛
ثقوب سوداء
بقايا النجوم مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية ؛
قاتمة جدا ونجوم قزمة.

والحقيقة هي أننا قمنا بقياس عدد كبير من هذه الأجسام والكمية الإجمالية للمادة الطبيعية (التي تتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات) في الكون من ملاحظات مستقلة مختلفة ، بما في ذلك وفرة العناصر الضوئية ، وإشعاع الخلفية الكونية الميكروويف ، والهياكل واسعة النطاق للكون ، وما إلى ذلك ، بفضل الفيزياء الفلكية الملاحظات. حتى أننا حددنا بدقة إلى حد ما مساهمة النيوترينوات ؛ وهذا ما تعلمناه.

يتكون حوالي 15-16 ٪ من إجمالي كمية المادة في الكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، ومعظمها في الغازات بين النجوم (وبين المجرات) والبلازما. من المحتمل وجود 1٪ أخرى على شكل نيوترينوات ، والباقي في الكتلة ، والتي لا تتكون من جزيئات موجودة في النموذج القياسي.

هذه هي مشكلة المادة المظلمة. من الممكن أن إضافة بعض الأشكال الجديدة غير المرئية للمادة ليست حلاً ، ولكن ببساطة قوانين الجاذبية على نطاق واسع لا تعمل بهذه الطريقة. دعوني أخبركم بتاريخ موجز لمشكلة المادة المظلمة ، وما تعلمناه عنها بمرور الوقت.

كان تصور الهياكل الضخمة في البداية ضعيف التصور. ولكن بدءًا من ثلاثينيات القرن العشرين ، بدأ فريتز زويكي في قياس ضوء النجوم القادم من المجرات في التجمعات ، وكذلك سرعة المجرات الفردية بالنسبة لبعضها البعض. وأشار إلى التناقض الكبير المذكور أعلاه بين الكتلة الموجودة في النجوم والكتلة التي يجب أن تكون موجودة لربط العناقيد ببعضها البعض.

لقد تم تجاهل هذا العمل بشكل عام منذ ما يقرب من 40 عامًا.

عندما بدأنا في إجراء ملاحظات كونية على نطاق واسع في السبعينيات ، مثل PSCz ، أظهرت نتائجهم أنه بالإضافة إلى مشكلة ديناميات مجموعات Zwicky ، احتاجت الهياكل التي لاحظناها إلى مصدر كتلة غير مرئي غير مرئي من أجل وجود هذه الهياكل. (تم تحسين هذه النتائج منذ ذلك الحين من خلال الملاحظات مثل 2dF ، أعلاه ، و SDSS.)

في السبعينيات أيضًا ، لفت عمل فيرا روبين ، الأصلي والمؤثر جدًا ، الانتباه الجديد إلى دوران المجرات ، وإلى مشكلة المادة المظلمة التي تظهرها بوضوح.

استنادًا إلى البيانات المعروفة عن قانون الجاذبية والملاحظات حول كثافة المادة الطبيعية في المجرات ، يتوقع المرء أنه ، بعيدًا عن مركز المجرة الحلزونية الدوارة ، فإن النجوم التي تدور حول مركزها ستبطئ سرعتها. هذا يجب أن يذكرنا بظاهرة في نظامنا الشمسي ، عندما يكون للزئبق سرعة مدارية أعلى ، فإن الزهرة لها هذه السرعة أقل ، والمريخ أقل ، إلخ. ولكن في المجرات الدوارة ، يتبين بدلاً من ذلك أن سرعة دوران النجوم تظل ثابتة إذا تحركت بعيدًا أكثر عن المركز ، مما يشير إلى أنها إما تحتوي على كتلة أكثر مما يمكن احتوائه في المادة العادية ، أو تتطلب قوانين الجاذبية التحسينات.

كانت المادة المظلمة رائدة بين الحلول المقترحة لهذه المشكلة ، لكن لا أحد يعرف ما إذا كانت باريونية أم لا ، وما هي خصائص درجة الحرارة التي لديها ، وما إذا كانت تتفاعل مع نفسها ومع المادة الطبيعية. كانت لدينا قيود على ما لم تستطع القيام به ، وبعض المحاكاة المبكرة الواعدة ، ولكن لا شيء مقنع بشكل خاص. ثم بدأت تظهر البدائل.

تم اقتراح MOND ، أو MOdified Newtonian Dynamics ، وهي ديناميكيات نيوتونية معدلة ، في أوائل الثمانينيات كشرح تجريبي وتجريبي لدوران المجرات. بالنسبة للهياكل الصغيرة على نطاق المجرة ، عملت بشكل جيد ، لكنها لم تستطع التعامل مع المقاييس الكبيرة. لم تستطع تفسير مجموعات المجرات والهياكل واسعة النطاق ووفرة العناصر الخفيفة ، من بين أمور أخرى.

وعلى الرغم من أن خبراء ديناميكيات المجرات قد أدركوا موند لأنه أوضح منحنيات دوران المجرات أفضل من المادة المظلمة ، إلا أن الجميع كانوا متشككين للغاية ، وليس عبثا.

الكوازار المزدوج ، أول كائن يخضع لعدسة الجاذبية

بالإضافة إلى الفشل مع هياكل أكبر من المجرات الفردية ، تحولت النظرية إلى نظرية جاذبية غير موثوقة. لم يكن ذلك نسبيًا ، ولم يستطع تفسير انحناء ضوء النجوم تحت تأثير الكتلة ، أو تغير الجاذبية في الوقت والانزياح الأحمر ، أو سلوك النجوم النابضة المزدوجة ، أو جميع ظواهر الجاذبية النسبية الأخرى ، والتي تم تأكيد امتثالها لتنبؤات آينشتاين. كانت الكأس المقدسة MOND - وهو الشيء الذي طالب به أتباع المادة المظلمة ، بما في ذلك أنا - نسخة نسبية يمكن أن تفسر منحنيات دوران المجرات إلى جانب جميع النجاحات الأخرى في نظرية الجاذبية اليوم.

أصدرت وكالة ناسا مؤخرًا مجموعة من الصور من التلسكوب. هابل ، الذي نظر إلى أبعد من ذلك في ماضي الكون بسبب ظاهرة العدسة الجاذبية ، نتيجة لنظرية أينشتاين عن الجاذبية. لا يستطيع مون أن يفسر هذه الظاهرة كما لوحظ: بالنسبة لأي من المجرات ذات العدسات أو الصور المتعددة أو التمدد أو حجم انحناء الضوء.

كل هذا يتطلب مادة مظلمة ، أو مصدرًا غير مرئي للكتلة ، لا يتكون من أي نموذج قياسي معروف للجسيمات. لكن هذا ليس الدليل الوحيد الذي لدينا يدحض البدائل لنظرية آينشتاين أو حتى التغييرات الافتراضية التي لم يتم اكتشافها بعد ، والتي ستسمح لنا بإعادة إنتاج MOND.

على مر السنين ، حققت المادة المظلمة العديد من النجاحات الكونية. مع تحسن فهم الهياكل واسعة النطاق للكون من السيئ إلى الجيد ، والقياس الدقيق لطيف طاقة المادة (أعلاه) وتقلبات إشعاع الخلفية الكونية الميكروية (أدناه) ، تبين أن المادة المظلمة تعمل بشكل جيد على المقاييس الكبيرة.

وبعبارة أخرى ، فإن الملاحظات الجديدة - تمامًا مثل الملاحظات التي تم إجراؤها من أجل نواة الانفجار الكبير - تتوافق مع الكون ، الذي يحتوي على مادة مظلمة بخمس مرات (غير الباريون) أكثر من المعتاد.

ثم في عام 2005 تم اكتشاف أدلة. لقد رأينا مجموعتين مجريتين خلال التصادم ، وهذا يعني أنه عندما نؤكد نظرية المادة المظلمة ، سنرى كيف تتصادم المادة الباريونية - الغازية بين النجوم والغاز بين المجرات - وتسخن ، ويجب أن تمر المادة المظلمة وإشارة الجاذبية عبرها ولا تبطئ. أدناه يمكنك رؤية الملاحظات في نطاق الأشعة السينية لمجموعة الرصاصة باللون الوردي ، حيث يتم فرض عدسة الجاذبية المصورة باللون الأزرق.

لقد كان انتصارًا كبيرًا للمادة المظلمة وتحديًا كبيرًا لجميع نماذج الجاذبية المتغيرة: إذا لم تكن المادة المظلمة موجودة ، فكيف كان يمكن للكتلة أن "تفصل الكتلة والغاز" بعد الاصطدام ، ولكن ليس قبلها؟

ومع ذلك ، لا تزال المقاييس الصغيرة مشكلة للمادة المظلمة ؛ فهي لا تزال لا تفسر دوران المجرات الفردية وكذلك MOND. وبفضل نسخته النسبية ، TeVeS ، التي صاغها الراحل يعقوب Bekenstein ، كل شيء يبدو أن لديه MOND فرصة.

يمكن تفسير العدسات الجاذبية (التي تنفذها المادة العادية) وبعض الظواهر النسبية بمساعدتها ، وأخيرًا ، ظهرت طريقة مفهومة للتمييز بين النظريتين: كان من الضروري العثور على ظاهرة يمكن أن تختلف فيها توقعات TeVeS عن تنبؤات النسبية العامة. والمثير للدهشة أن مثل هذه الحالة موجودة في الطبيعة.

النجوم النيوترونية الدوارة - بقايا النجوم فائقة الكتلة التي تحولت إلى مستعر أعظم وتركت خلف النواة الذرية للكتلة الشمسية - كائنات صغيرة يبلغ قطرها بضعة كيلومترات فقط. تخيل جسمًا أثقل بمقدار 300000 مرة من كوكبنا ، مضغوطًا في مائة مليون من الأرض! يمكن للمرء أن يتصور أنه بالقرب من هؤلاء الرجال ، تصبح حقول الجاذبية شديدة حقًا ، وتعطينا بعض الاختبارات الأكثر إقناعًا في مجال الحقول القوية ونظرية النسبية.

يحدث أنه في النجم النيوتروني يتم توجيه "أشعة" محورية إليه مباشرة ، وهي "تنبض" في كل مرة يكمل النجم دورانه - ويمكن لهذه الأشياء الصغيرة أن تفعل ذلك حتى 766 مرة في الثانية! (في حالة مثل هذه النبضات ، تسمى النجوم النيوترونية النجوم النابضة). في عام 2004 ، تم اكتشاف نظام أكثر ندرة: النجم المزدوج!

على مدى السنوات العشر الماضية ، لوحظت رقصة الجاذبية الوثيقة لهذا النظام ، وخضع اختبار GRT الخاص بأينشتاين لاختبار غير مسبوق. كما ترى ، عندما تتحرك أجسام ضخمة في مدارات حول بعضها البعض في مجالات جاذبية قوية جدًا ، يجب أن تنبعث منها كمية محددة جدًا من إشعاع الجاذبية. وعلى الرغم من أننا لا نمتلك التكنولوجيا اللازمة لقياس هذه الموجات بشكل مباشر ، إلا أننا لدينا القدرة على قياس الانخفاض في المدارات بسبب هذا الإشعاع! مايكل كرامر من معهد الفلك الراديوي. كان ماكس بلانك أحد العلماء الذين عملوا في هذه الحالة ، وهذا ما قاله عن المدارات في هذا النظام:

وجدنا أن هذا يؤدي إلى انخفاض في المدار بمقدار 7.12 ملم في السنة ، مع خطأ تسعة آلاف من المليمتر.

وماذا يمكن أن يقول TeVeS و GTR عن هذه الملاحظة؟

تتوافق مع نظرية النسبية بنسبة 99.95٪ (مع خطأ بنسبة 0.1٪) ، و - معدة - تتجاهل جميع التجسيدات ذات المعنى المادي لـ Bekenstein TeVeS. كما ذكر العالم نوربرت ويكس باختصار غير مسبوق:

من وجهة نظرنا ، هذا يدحض TeVeS.

في الواقع ، تم نشر المحاكاة الأكثر دقة لتكوين الهياكل (باستخدام الموارد الوراثية والمادة المظلمة) في التاريخ مؤخرًا ، وهي تتوافق مع جميع الملاحظات المتوافقة مع قدراتنا التقنية. شاهد هذا الفيديو المذهل من مارك فوجيلسبيرجر وأعجوبة!

وبالنظر إلى كل هذا ، لهذا السبب خرج المنافس الرئيسي للمادة المظلمة من المنافسة. لم يقتل بالعقيدة أو الإجماع أو الإرادة السياسية ، ولكن بالملاحظات نفسها: النجوم النابضة ، والتجمعات المتصادمة ، وإشعاع الميكروويف الكوني ، والهياكل واسعة النطاق ، والعدسات الجاذبية. لا يزال من غير الواضح لماذا تتصرف موند بشكل أفضل على نطاق المجرات ، ولكن حتى تتمكن من شرح جميع الظواهر المرصودة الأخرى ، ستظل شبحًا للنظرية.

كيف مات المنافس الرئيسي للمادة المظلمة

الطريقة الوحيدة هي تغيير قوانين الجاذبية ، لكن أفضل ملاحظاتنا لاحظت مثل هذه التغييرات.

More articles: