Satu-satunya cara adalah mengubah hukum gravitasi, tetapi pengamatan kami yang terbaik telah mencatat perubahan tersebut.

Perbedaan antara yang diharapkan dan yang diamati telah tumbuh selama bertahun-tahun, dan kami semakin tegang untuk mengisi celah ini.
- Jeremiah P. Ostriker

Jika Anda tertarik pada kosmos, Semesta, dan apa yang ada di dalamnya, Anda seharusnya sudah mendengar tentang materi gelap - atau setidaknya tentang masalah materi gelap. Mari kita secara singkat membahas apa yang dapat Anda lihat jika Anda melihat Semesta dengan bantuan teknologi teleskop terbesar yang mampu diciptakan oleh umat manusia.

Tidak, bukan gambar ini. Anda dapat melihat ini dengan mata yang dipersenjatai dengan sangat baik: wilayah kecil ruang yang berisi beberapa bintang redup di galaksi kita, dan tidak lebih.

Kami memeriksa tidak hanya wilayah khusus ini, tetapi juga banyak wilayah serupa lainnya, menggunakan alat yang sangat sensitif. Bahkan untuk wilayah seperti itu, tanpa bintang terang, galaksi, atau kelompok dan kelompok terkenal, kita hanya perlu mengarahkan kamera ke sana untuk beberapa waktu. Dan jika banyak waktu berlalu, kita akan mulai mengumpulkan foton dari sumber yang sangat redup dan jauh. Area kecil yang disebut XDF ini adalah hasil dari pengamatan dalam percobaan Hubble eXtreme Deep Field, sebuah wilayah yang sangat kecil sehingga dibutuhkan 32.000.000 untuk menutupi seluruh langit malam di wilayah tersebut. Namun mereka masih melihat teleskop di sana. Hubble.

Dalam gambar ini, 5500 galaksi unik ditemukan, yang berarti bahwa di Alam Semesta setidaknya ada 200 miliar galaksi. Namun terlepas dari kesan yang dibuat oleh kuantitas ini, ini masih bukan penemuan yang paling mengesankan yang kami buat tentang Alam Semesta ketika mempelajari sejumlah besar dan beragam galaksi, kelompok, dan kluster.

Pikirkan tentang apa yang membuat galaksi-galaksi ini bersinar, apakah mereka berada sangat dekat dengan kita atau dalam puluhan miliar tahun cahaya.

Itu bersinar bintang di galaksi! Selama 150 tahun terakhir, salah satu pencapaian utama astronomi dan astrofisika adalah pemahaman tentang bagaimana bintang membentuk, hidup, mati, dan bersinar selama hidup. Ketika kita mengukur cahaya bintang dari galaksi mana pun yang terlihat, kita dapat segera mengetahui bintang apa yang ada di dalamnya dan berapa massa totalnya.

Ingat fakta ini ketika kita bergerak maju: cahaya dari galaksi, kelompok, dan gugus memberi tahu kita tentang massa bintang yang terkandung dalam galaksi, kelompok, atau gugusan. Tapi kita bisa mengukur tidak hanya cahaya bintang!

Kita dapat mengukur pergerakan galaksi, kecepatan putarannya, kecepatan relatifnya, dan sebagainya. Ini memberi kita banyak, karena berdasarkan hukum gravitasi, jika kita mengukur kecepatannya, kita dapat menghitung berapa banyak massa dan materi yang seharusnya ada di dalamnya!

Pikirkan tentang hal ini: hukum gravitasi bersifat universal, yang artinya sama di seluruh alam semesta. Hukum yang mengatur tata surya harus sama dengan hukum yang mengatur galaksi. Ternyata kita memiliki dua cara berbeda untuk mengukur massa struktur terbesar di alam semesta:

Kita dapat mengukur cahaya bintang yang berasal dari mereka, dan karena kita tahu prinsip-prinsip fungsi bintang, kita dapat mengasumsikan seberapa banyak mereka mengandung massa.
Kita dapat mengukur pergerakan mereka, mengetahui apakah mereka terhubung oleh gravitasi, dan bagaimana tepatnya. Berdasarkan gravitasi, kita dapat mengasumsikan berapa banyak massa yang terkandung dalam benda-benda ini.

Dan kami mengajukan pertanyaan penting: apakah kedua makna ini bertemu, dan berapa banyak?

Mereka tidak hanya tidak bertemu, mereka bahkan tidak berdiri di dekatnya! Jika Anda menghitung jumlah massa dalam bintang, Anda mendapatkan satu angka, dan jika Anda menghitung jumlah massa berdasarkan gravitasi, Anda mendapatkan angka 50 kali lebih besar. Ini terjadi terlepas dari apakah Anda mempelajari galaksi kecil, galaksi besar, atau kelompok dan kelompok galaksi.

Ternyata hal yang agak penting: 98% dari semua materi Semesta tidak terkandung dalam bintang-bintang, atau gagasan gravitasi kita salah. Mari kita lihat opsi pertama, karena kita memiliki banyak data.

Mungkin ada beberapa hal selain bintang itu sendiri, yang membentuk massa galaksi dan kluster, termasuk:

gumpalan materi yang tidak bercahaya, seperti planet, bulan, satelit kecil, asteroid, balok es, dll.;
gas antarbintang netral, terionisasi dan debu;
lubang hitam;
sisa-sisa bintang seperti katai putih dan bintang neutron;
bintang yang sangat redup dan bintang kerdil.

Faktanya adalah bahwa kita mengukur sejumlah besar benda-benda tersebut dan jumlah total materi normal (terdiri dari proton, neutron, dan elektron) di Semesta dari berbagai pengamatan independen, termasuk kelimpahan elemen cahaya, radiasi latar gelombang mikro kosmik, struktur alam semesta berskala besar, dll., Berkat ilmu astrofisika pengamatan. Kami bahkan cukup akurat membatasi kontribusi neutrino; dan inilah yang kami pelajari.

Sekitar 15-16% dari jumlah total materi di Alam Semesta terdiri dari proton, neutron, dan elektron, dan sebagian besar di antaranya adalah gas dan plasma antarbintang (dan intergalaksi). Mungkin ada 1% lain dalam bentuk neutrino, dan sisanya dalam massa, yang tidak terdiri dari partikel yang ada dalam Model Standar.

Ini adalah masalah materi gelap. Ada kemungkinan bahwa penambahan beberapa bentuk materi baru yang tidak terlihat bukanlah solusi, tetapi hukum gravitasi dalam skala besar tidak bekerja seperti itu. Izinkan saya memberi tahu Anda sejarah singkat masalah dark matter, dan apa yang kami pelajari tentangnya dari waktu ke waktu.

Pembentukan struktur skala besar awalnya kurang dipahami. Tetapi mulai tahun 1930-an, Fritz Zwicky mulai mengukur cahaya bintang yang berasal dari galaksi dalam kelompok, serta kecepatan masing-masing galaksi relatif satu sama lain. Dia mencatat perbedaan besar yang disebutkan di atas antara massa yang ada di bintang-bintang dan massa yang harus ada di sana untuk menghubungkan cluster satu sama lain.

Pekerjaan ini pada umumnya diabaikan selama hampir 40 tahun.

Ketika kami mulai melakukan pengamatan kosmologis skala besar di tahun 1970-an, seperti PSCz, hasil mereka menunjukkan bahwa selain masalah dinamika cluster Zwicky, struktur yang kami amati membutuhkan sumber massa non-baryon yang tak terlihat agar struktur ini ada. (Hasil ini sejak itu telah ditingkatkan dengan pengamatan seperti 2dF, di atas, dan SDSS.)

Juga pada tahun 1970-an, karya Vera Rubin, asli dan sangat berpengaruh, menarik perhatian baru pada rotasi galaksi, dan masalah materi gelap yang ditunjukkan dengan jelas oleh mereka.

Berdasarkan data yang diketahui tentang hukum gravitasi dan pengamatan tentang kepadatan materi normal di galaksi, orang akan berharap bahwa, menjauh dari pusat galaksi spiral yang berputar, bintang-bintang yang berputar di sekitar pusatnya akan memperlambat kecepatannya. Ini harus mengingatkan pada fenomena di tata surya kita, ketika Merkurius memiliki kecepatan orbital yang lebih tinggi, maka Venus memiliki kecepatan ini lebih sedikit, Mars bahkan lebih sedikit, dll. Tetapi dalam galaksi berputar, sebaliknya, ternyata kecepatan rotasi bintang-bintang tetap konstan jika Anda bergerak semakin jauh dari pusat, yang menunjukkan bahwa ia mengandung lebih banyak massa daripada yang dapat terkandung dalam materi normal, atau hukum gravitasi memerlukan perbaikan.

Materi gelap adalah pemimpin di antara solusi yang diusulkan untuk masalah ini, tetapi tidak ada yang tahu apakah itu baryonic atau tidak, karakteristik suhu apa yang dimilikinya, dan apakah ia berinteraksi dengan dirinya sendiri dan dengan materi normal. Kami memiliki keterbatasan pada apa yang tidak bisa dia lakukan, dan beberapa simulasi awal yang menjanjikan, tetapi tidak ada yang meyakinkan. Dan kemudian alternatif mulai muncul.

MOND, atau MOdified Newtonian Dynamics, sebuah dinamika Newton yang dimodifikasi, diusulkan pada awal 1980-an sebagai penjelasan eksperimental dan empiris dari rotasi galaksi. Untuk struktur kecil pada skala galaksi, itu bekerja dengan baik, tetapi tidak dapat mengatasi skala besar. Dia tidak bisa menjelaskan kluster galaksi, struktur skala besar dan banyak elemen cahaya, antara lain.

Dan meskipun para pakar dinamika galaksi memahami MOND karena menjelaskan kurva rotasi galaksi lebih baik daripada materi gelap, semua orang sangat skeptis, dan tidak sia-sia.

Quasar ganda, objek pertama yang menjalani pelensaan gravitasi

Selain kegagalan dengan struktur yang lebih besar dari galaksi individu, teori ini ternyata merupakan teori gravitasi yang tidak dapat diandalkan. Itu tidak relativistik, dan tidak bisa menjelaskan pembengkokan cahaya bintang di bawah pengaruh massa, perubahan gravitasi dalam waktu dan pergeseran merah, perilaku pulsar ganda, atau semua fenomena gravitasi relativistik lainnya, yang kesesuaiannya dengan prediksi Einstein dikonfirmasi. Cawan Suci BULAN - sesuatu yang diminta penganut materi gelap, termasuk saya - adalah versi relativistik yang bisa menjelaskan kurva rotasi galaksi bersama dengan semua keberhasilan lain dalam teori gravitasi saat ini.

Baru-baru ini, NASA merilis serangkaian gambar dari teleskop. Hubble, yang melihat lebih jauh ke masa lalu Semesta karena fenomena pelensaan gravitasi, konsekuensi dari teori gravitasi Einstein. MOND tidak dapat menjelaskan fenomena ini sebagaimana diamati: untuk tidak ada galaksi berlensa, banyak gambar, peregangan, atau besarnya lentur cahaya.

Semua ini membutuhkan materi gelap, atau sumber massa tak kasat mata, tidak terdiri dari Model partikel standar apa pun yang diketahui. Tetapi ini bukan satu-satunya bukti yang kita miliki yang membantah alternatif teori Einstein atau bahkan perubahan hipotetis yang belum ditemukan, yang akan memungkinkan kita untuk mereproduksi MOND.

Selama bertahun-tahun, materi gelap telah mencapai banyak keberhasilan kosmologis. Ketika pemahaman tentang struktur berskala besar dari Semesta meningkat dari buruk menjadi baik, dan pengukuran tepat dari spektrum daya materi (di atas) dan fluktuasi radiasi latar gelombang mikro kosmik (di bawah) muncul, ditemukan bahwa materi gelap bekerja dengan baik pada skala besar.

Dengan kata lain, pengamatan baru - sama seperti pengamatan yang dilakukan untuk nukleosintesis Big Bang - berhubungan dengan Semesta, yang mengandung materi gelap lima kali lebih banyak (non-baryon) dari biasanya.

Kemudian pada tahun 2005 bukti ditemukan. Kami melihat dua kelompok galaksi selama tabrakan, dan ini berarti bahwa ketika kami mengkonfirmasi teori materi gelap, kita akan melihat bagaimana materi baryonic - gas antarbintang dan intergalaksi - bertabrakan dan memanas, materi gelap dan sinyal gravitasi harus melewatinya dan jangan memperlambat. Di bawah ini Anda dapat melihat pengamatan dalam kisaran X-ray cluster Bullet dalam warna merah muda, di mana lensa gravitasi yang digambarkan dengan warna biru ditumpangkan.

Itu adalah kemenangan besar untuk materi gelap dan tantangan besar bagi semua model gravitasi yang diubah: jika materi gelap tidak ada, bagaimana cluster dapat menebak "memisahkan massa dan gas" setelah tabrakan, tetapi tidak sebelum itu?

Namun, skala kecil masih menjadi masalah bagi materi gelap, mereka masih tidak menjelaskan rotasi galaksi individu maupun MOND. Dan berkat versi relativistiknya, TeVeS, yang diformulasikan oleh almarhum Jacob Bekenstein, semuanya tampak seperti MOND memiliki peluang.

Lensing gravitasi (dilakukan oleh materi biasa) dan beberapa fenomena relativistik dapat dijelaskan dengan bantuannya dan, akhirnya, cara yang dapat dimengerti muncul untuk membedakan antara dua teori: perlu untuk menemukan fenomena yang dapat diamati di mana prediksi TeVeS akan berbeda dari prediksi Relativitas Umum. Anehnya, situasi semacam itu ada di alam.

Rotasi bintang neutron - sisa-sisa bintang ultra-masif yang berubah menjadi supernova dan meninggalkan inti atom massa matahari - benda-benda kecil, hanya berdiameter beberapa kilometer. Bayangkan sebuah benda 300.000 kali lebih berat dari planet kita, terkompresi ke dalam seperseratus juta Bumi! Orang dapat membayangkan bahwa di dekat orang-orang ini medan gravitasi menjadi sangat intens, dan memberi kita beberapa tes paling meyakinkan di bidang medan kuat dan teori relativitas.

Kebetulan di sebuah bintang neutron "sinar" aksialnya diarahkan langsung ke kita, dan mereka "berdenyut" setiap kali bintang menyelesaikan rotasi - dan benda kecil seperti itu dapat melakukan ini hingga 766 kali per detik! (Dalam kasus pulsasi semacam itu, bintang neutron disebut pulsar). Pada tahun 2004, sebuah sistem yang lebih langka ditemukan: sebuah pulsar ganda!

Selama sepuluh tahun terakhir, tarian gravitasi dekat dari sistem ini telah diamati, dan Einstein GRT telah menjalani tes yang belum pernah terjadi sebelumnya. Anda tahu, ketika benda-benda besar bergerak dalam orbit di sekitar satu sama lain dalam medan gravitasi yang sangat kuat, mereka harus memancarkan radiasi gravitasi dalam jumlah yang sangat spesifik. Dan meskipun kami tidak memiliki teknologi untuk mengukur gelombang ini secara langsung, kami memiliki kemampuan untuk mengukur penurunan orbit akibat radiasi ini! Michael Kramer dari Radio Astronomy Institute. Max Planck adalah salah satu ilmuwan yang bekerja dengan kasus ini, dan inilah yang ia katakan tentang orbit dalam sistem ini:

Kami menemukan bahwa ini menyebabkan penurunan orbit sebesar 7,12 milimeter per tahun, dengan kesalahan sembilan ribu milimeter.

Dan apa yang bisa dikatakan TeVeS dan GTR tentang pengamatan ini?

Ini konsisten dengan teori relativitas sebesar 99,95% (dengan kesalahan 0,1%), dan - disiapkan - membuang semua inkarnasi yang bermakna secara fisik dari TeVeS Bekenstein. Seperti yang dinyatakan oleh ilmuwan Norbert Wex dengan singkat:

Dari sudut pandang kami, ini membuktikan TeVeS.

Bahkan, simulasi paling akurat dari pembentukan struktur (menggunakan GR dan materi gelap) dalam sejarah baru-baru ini telah diterbitkan, dan konsisten dengan semua pengamatan yang kompatibel dengan kemampuan teknis kami. Tonton video luar biasa ini dari Mark Vogelsberger dan kagum!

Dan, mengingat semua ini, inilah mengapa pesaing utama materi gelap keluar dari kompetisi. Dia terbunuh bukan oleh dogma, konsensus atau kemauan politik, tetapi oleh pengamatan itu sendiri: pulsar, tabrakan cluster, radiasi gelombang mikro kosmik, struktur skala besar, pelensaan gravitasi. Masih belum jelas mengapa MOND berperilaku lebih baik pada skala galaksi, tetapi sampai dia dapat menjelaskan semua fenomena yang diamati lainnya, dia akan tetap menjadi hantu teori.

Bagaimana saingan utama materi gelap mati

Satu-satunya cara adalah mengubah hukum gravitasi, tetapi pengamatan kami yang terbaik telah mencatat perubahan tersebut.

More articles: