Penggabungan bintang-bintang neutron mengakhiri alternatif materi gelap dan energi gelap

Pada saat-saat terakhir merger, dua bintang neutron tidak hanya memancarkan gelombang gravitasi - ada ledakan kekuatan dahsyat, yang merespons seluruh spektrum elektromagnetik. Perbedaan waktu kedatangan antara gelombang cahaya dan gravitasi memungkinkan kita belajar banyak tentang Alam Semesta

Tanyakan kepada ahli astrofisika tentang misteri terbesar Alam Semesta hari ini - dan dua jawaban paling umum adalah "materi gelap" dan "energi gelap". Terdiri dari apa semua yang ada di Bumi, atom, yang pada gilirannya terdiri dari partikel-partikel fundamental, membentuk hanya 5% dari anggaran energi kosmik. Dan 95% energi Semesta terkandung dalam dua bentuk ini, dalam bentuk materi gelap dan energi gelap, yang hingga hari ini belum diamati secara langsung, atau sesuatu yang secara radikal salah dengan gagasan kita tentang Semesta. Alternatif untuk teori-teori ini telah dieksplorasi untuk beberapa waktu, dan berbagai variannya telah menyebabkan konsekuensi fisik yang sedikit berbeda. Setelah kami pertama kali mengamati fusi bintang neutron dan menerima sinyal dalam bentuk gelombang gravitasi dan cahaya dari spektrum yang agak lebar, sebagian besar alternatif ini ditolak. Materi gelap dan energi gelap telah bertahan dalam ujian percobaan.


Gugus galaksi dinamis ultrasonif, Abell 370 , yang massa gravitasinya (dan sebagian besar ini adalah materi gelap) ditandai dengan warna biru

Dalam astrofisika dan kosmologi, ada beberapa teka-teki utama yang seharusnya dipecahkan oleh materi gelap dan energi gelap. Di bagian materi gelap, mereka sebagian besar terkait dengan pembentukan, rotasi, dan akumulasi galaksi, dan sebagian energi gelap dikaitkan dengan kecepatan ekspansi Semesta dan evolusinya dalam waktu. Beberapa pengamatan dapat dibenarkan dengan sedikit penyempurnaan teori gravitasi , dan ini tidak memerlukan materi gelap dan energi gelap. Orang-orang yang bekerja pada perbaikan ini berharap bahwa mereka akan menemukan satu, yang benar - yang juga dapat membuat prediksi baru yang berbeda dari teori-teori materi gelap dan energi gelap - dan bahwa mereka dapat diverifikasi.


Pembentukan jaringan kosmik dikendalikan oleh materi gelap, dan struktur skala terbesar dikendalikan oleh kecepatan ekspansi dan energi gelap. Struktur kecil di sepanjang untaian terbentuk karena jatuhnya materi biasa, tunduk pada interaksi elektromagnetik.

Tetapi modifikasi gravitasi, baik itu mencoba menjelaskan materi gelap atau energi gelap (belum lagi menjelaskan kedua teori sekaligus) adalah permainan yang harus dimainkan dengan sangat hati-hati. Teori relativitas umum Einstein telah diuji secara komprehensif, dan prediksinya telah terpenuhi setiap saat. Dengan memodifikasi gravitasi, Anda mengubah teori ini, jadi ini harus dilakukan agar tidak bertentangan dengan semua pengamatan dan pengukuran yang telah dilakukan. Akibatnya, banyak variasi perubahan yang terjadi pada area yang masih belum teruji dengan baik: yang memungkinkan kecepatan perambatan gravitasi berubah. Dalam teori Einstein, kecepatan gravitasi sama dengan cahaya, selalu dan akurat. Tetapi banyak teori alternatif mengubah asumsi ini.


Proyeksi skala besar dalam simulasi proyek Illustris pada offset z = 0, berpusat pada cluster paling masif pada kedalaman 15 Mpc / jam [h adalah parameter Hubble berdimensi / kira-kira. diterjemahkan.]. Menunjukkan transisi densitas materi gelap (kiri) ke densitas gas (kanan). Konfigurasi struktur skala besar Alam Semesta tidak dapat dijelaskan tanpa materi gelap, meskipun upaya untuk memodifikasi gravitasi sedang dilakukan.

Secara umum diyakini bahwa energi gelap adalah konstanta kosmologis, dan bahwa kecepatan cahaya dan gravitasi juga konstan (dan setara satu sama lain). Formulasi alternatif menambahkan sesuatu yang lebih kompleks: bidang skalar atau sekumpulan bidang tambahan. Ini adalah tempat umum dari model modifikasi - seperti kovarian Galilea , gravitasi masif, gravitasi dengan graviton masif , teori eter Einstein , gravitasi tensor-vektor-skalar , gravitasi Khorava . Dalam banyak kasus, tergantung pada bagaimana medan skalar berinteraksi dengan medan gravitasi standar (tensor) dari Teori Relativitas Umum, kecepatan gravitasi dapat berbeda dari kecepatan cahaya atau perubahan waktu. Tetapi fakta bahwa sinar gamma dan gelombang gravitasi dari peristiwa GW170817 dari fusi bintang neutron datang dengan perbedaan 1,7 detik berarti bahwa kecepatan gravitasi harus sama dengan kecepatan cahaya dengan kesalahan tidak lebih dari 10 ^-15 .


Semua partikel tak bermassa bergerak dengan kecepatan cahaya, termasuk foton, gluon, dan gelombang gravitasi, dan masing-masing membawa interaksi elektromagnetik, nuklir, dan gravitasi yang kuat. Kebetulan praktis waktu kedatangan gelombang gravitasi dan elektromagnetik dari GW170817 sangat penting.

Akibatnya , sejumlah besar alternatif untuk standar GTR dengan energi gelap standar ditolak . Fakta bahwa perbedaan 1,7 s antara sinyal cahaya dan gravitasi pada jarak 130 juta tahun cahaya sangat kecil artinya kecepatan gravitasi tidak dapat berubah seiring waktu, atau secara sistematis lebih besar atau lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Menambahkan bidang skalar ke teori gravitasi tensor, Anda mendapatkan dua efek utama:

• Istilah tensor dari kecepatan tambahan muncul, meningkatkan kecepatan rambat gelombang gravitasi.
• Skala massa Planck yang efektif berubah pada mashab waktu ruang, yang mengubah atenuasi gelombang gravitasi selama ekspansi Semesta.

Fakta bahwa kecepatan cahaya dan kecepatan gravitasi sama dengan akurasi tersebut menunjukkan bahwa semua teori dengan modifikasi jenis ini sangat terbatas, dan bahwa sebagian besar model ini, pada kenyataannya, ditolak.


Banyak modifikasi gravitasi yang menolak energi gelap telah dibantah oleh waktu kedatangan gelombang gravitasi dan elektromagnetik.

Dalam kasus materi gelap, upaya untuk menciptakan gravitasi yang dimodifikasi bahkan lebih buruk . Sebagian besar modifikasi mengubah hukum interaksi benda besar, yang mengubah potensi gravitasi di wilayah ruang-waktu yang mengandung massa. Ketika benda bergerak dengan kecepatan cahaya, seperti foton atau gelombang gravitasi, melewati ruang ini, sinyal-sinyal ini melambat sesuai dengan aturan relativitas umum: efek Shapiro . Pada jarak 130 juta tahun cahaya, materi yang menghalangi harus menunda sinyal ini selama sekitar tiga tahun, jika ide standar materi gelap benar. Tetapi jika Anda mengubah gravitasi untuk menyingkirkan materi gelap, Anda akan secara serius mengubah sifat-sifat perambatan gelombang gravitasi melalui ruang.


Ketika cahaya, gelombang gravitasi, atau partikel tak bermassa apa pun melewati area ruang yang mengandung sejumlah besar materi, jalur melengkung karena distorsi ruang ini, yang menyebabkan keterlambatan waktu kedatangan. Dalam sebagian besar teori gravitasi yang dimodifikasi, keterlambatan cahaya dan gelombang gravitasi akan berbeda.

Teori gravitasi yang dimodifikasi tanpa materi gelap, seperti TeVeS atau MoG / Scalar-Tensor-Vector , memiliki kekhasan - gelombang gravitasi yang merambat di sepanjang kurva geodesi - jalur berbeda dalam ruang-waktu - berbeda dari yang diikuti oleh foton dan neutrino. Singkatnya, gelombang gravitasi harus berjalan di sepanjang jalur yang ditentukan hanya oleh materi normal, dan foton dan neutrino harus melakukan perjalanan di sepanjang jalur yang ditentukan oleh massa efektif: materi normal dalam kombinasi dengan efek yang meniru materi gelap. Perbedaan seperti itu akan menyebabkan perbedaan dalam waktu kedatangan foton dan gelombang gravitasi sekitar 800 hari, daripada 1,7 detik diamati dalam kenyataan.

Mengingat korelasi silang gelombang gravitasi dan sinyal elektromagnetik, opsi ini ditolak tanpa materi gelap.


Berbagai sumber massa di NGC 4993, tempat bintang-bintang neutron bergabung, dan pengaruhnya terhadap keterlambatan dalam perjalanan cahaya dan gelombang gravitasi

Ketika gelombang gravitasi dan foton (gelombang elektromagnetik) merambat di ruang angkasa, kelengkungan dan perluasan ruang memengaruhi mereka dengan cara yang persis sama. Yaitu, saat Anda menggunakan GR. Jika Anda mengubah teori gravitasi - untuk mencoba menyingkirkan materi gelap dan / atau energi gelap, misalnya - maka hanya materi dan massanya yang akan memengaruhi gelombang gravitasi, dan efek modifikasi akan memengaruhi foton dan partikel lain. Karena gelombang gravitasi dan sinyal cahaya dari bintang neutron yang bergabung tiba secara bersamaan, mereka bergerak melalui ruang angkasa dengan kecepatan yang sama, dan mengalami perlambatan yang sama. Akurasi yang akurat sudah cukup untuk mengecualikan kandidat terkemuka untuk teori gravitasi yang dimodifikasi tanpa materi gelap.


Peta radiasi x-ray (merah muda) dan total materi (biru) dari berbagai kelompok galaksi bertabrakan menunjukkan pemisahan yang jelas antara materi normal dan efek gravitasi - salah satu bukti paling meyakinkan untuk keberadaan materi gelap. Teori-teori alternatif sekarang harus sangat tertarik sehingga banyak yang menganggapnya konyol.

Masih ada beberapa model tegang yang mempertahankan harapan gravitasi yang dimodifikasi - misalnya, teori gravitasi nonlokal (di mana efek gravitasi dan pengaturan massa tidak bersamaan), atau teori di mana gelombang gravitasi dan gelombang elektromagnetik mematuhi aturan yang berbeda. Tetapi bahkan ide-ide ini sangat dibatasi oleh pengamatan baru dari gelombang gravitasi, dan mereka perlu semakin menyerupai efek materi gelap dan energi gelap untuk bertahan hidup. Gravitasi yang dimodifikasi belum tenggelam, tetapi banyak dari harapan terbesarnya baru saja putus. Einstein, dengan teorinya dalam bentuk aslinya, yang tidak berubah, masih hidup.