מה המשמעות של התנגשות כוכב הניוטרון למען חומר אפל

באוקטובר, LIGO ומקבילתה האירופית, VIRGO, היו עדים לגלי כבידה המפוצצים מהתנגשות עוצרת נשימה בין שני כוכבי נויטרונים. אירוע חסר תקדים זה נראה כמו ניצחון נוסף לסוג חדש של אסטרונומיה, כזה שיכול להשתמש בגלי כבידה כדי לחקור כמה מהמסתורין העמוקים ביותר של היקום. אבל בכל ההתרגשות, רוב האנשים לא שמו לב שמשהו מת: קבוצה שלמה של תיאוריות שמציבות יקום ללא חומר אפל.

תוכן קשור

• מדענים מגלים את הניצוץ מהתנגשות עתיקה של כוכבי נויטרון
• שלושה מדענים מאחורי איתור גלי הכבידה הוענק פרס נובל לפיזיקה
• מדענים מגלים גל כבידה רביעי, שנכנס להתנגשות עם חור שחור עתיק

נכון מאוד: תוצאה פחות ידועה של חדשות ה- LIGO היא שאולי אנו עומדים לראות עיצוב מחדש משמעותי של הוויכוח על חומר אפל - הדברים שנראים שמושכים בכבידה את החומר הנראה ומרחב הכיפוף, אך לא ניתן לראותם . על פי מסמך שפרסם ריצ'רד ווארד, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת פלורידה, בשרת ההדפסה המקדימה של ArXiv, התצפית האחרונה מבטלת סוג של תיאוריות שביקשו להסביר את התנהגות הכובד בסולם גלקסי ללא חומר אפל.

ווארדארד מציין כי כמה מאותן תיאוריות, הידועות בכינוי כוח משיכה (MOG) או דינמיקה ניוטונית שונה (MOND), מנבאות כי גלי הכבידה וגלי האור יגיעו בזמנים שונים. עם זאת, ליגו הרימה את גלי הכבידה ואת האור משני כוכבי נויטרונים מתנגשים תוך כשתי שניות זה מזה. מכיוון שהמקור לשניהם נמצא במרחק של 130 מיליון שנות אור, זה ההבדל של חלק אחד בלבד בכ -1.5 מרובע. בעיקרו של דבר, הם הגיעו באותה שעה.

סוגי הדגמים עליהם מדבר וודארד - שהוא מכנה "מחקרי חומר אפל" - מנסים לשכפל את השפעות החומר האפל, מתוך הנחה שכוח הכבידה מתנהג אחרת ממה שרוב המדענים חושבים. "העיתון שלנו בהחלט לא פוסל את כל דגמי הכבידה שהשתנו שמפזרים חומר אפל", הבהיר ווארד. "זה תקף רק למעמד הגדול שבהם."

אך למרות שהם עשויים להתמודד עם מכה, תיאורטיקנים בנושא אנטי אפל אינם יורדים ללא קטטה.

...

בתורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, החלל מעוקל על ידי חפצים מאסיביים. קרן פוטונים - המכונה גם אור - נעה לאורך הקצר ביותר בין שתי נקודות (וזה לא תמיד קו ישר). תורת היחסות הכללית אומרת שגלי כבידה ואור נעים על אותם קווים, או מדדים.

אך אף כי תורת היחסות הכללית הוכתרה כבר מאוחר, זו אינה המילה האחרונה. בכמה תיאוריות כוח משיכה חלופיות היו גלי כבידה שנעו בדרך אחרת, או מטרית, מהאור. כדי להשיג את האפקט הזה, תורת הכבידה המותאמת תצטרך לוודא כי מסלולי גלי הכבידה מושפעים רק מהחומר הגלוי שאנו רואים, ואילו האור (פוטונים) יושפע מהחומר הגלוי ומכל האפקטים המשוכפלים הנראים כמו חומר אפל.

בתרחיש זה, גלי כבידה ואור יגיעו בזמנים שונים בהרבה. אך מכיוון שליגו ראתה את שניהם מתקרבים זה לזה, זה נראה כמו עדות רבת עוצמה לכך שכוח הכבידה עובד כמו התיאוריה של איינשטיין אומר שהיא עושה - מה שבתורו יחזק את המקרה לחומר אפל.

עם זאת, הרבה לפני LIGO, חלק מהפיזיקאים לא היו מרוצים מחומר אפל והמציאו תיאוריות אחרות שביקשו להסביר את מה שאסטרונומים רואים. מערכת תיאוריות אחת ידועה בשם Tensor-Vector-Scalar Gravitation (TeVeS), מה שמוסיף שדה נוסף לכוח הכבידה. שפותח על ידי ג'ייקוב בקנשטיין בשנת 2004, היה כבר תחת אש כלשהי מכיוון שנראה היה שהוא דורש נייטרינים מסיביים יותר ממה שהעריכו הפיזיקאים עד כה, ולא תמיד הוא הניב כוכבים יציבים. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) מוסיף גם תחום אחר, אם כי בדרך שונה מ- TeVeS. התיאוריה אומרת כי כוח הכבידה מתחזק ככל שמתרחקים ממערכת השמש לגלקסיות ואז לאשכולות גלקסיות. אלה שתי סוגות התיאוריות שלדעת וודרד נפסלות על פי הנתונים האחרונים.

אפשר היה לחשוב שפיזיקאים יסכימו סוף סוף שהחומר האפל נמצא שם, בכל צורה שהיא. ימין? ובכן, תומכי כוח הכבידה השתנו אומרים שהם עדיין לא סיימו.

ג'ון מופאט, חוקר במכון היקפית בווטרלו בקנדה, אומר כי וודרד פשוט מאפיין את התיאוריה שלו. "הם לא מספקים שום הסבר מדוע ה- MOG שלי מזויף", אמר בהודעת הדוא"ל. "נכון שתאוריות ה- MOND הללו אינן מוחרגות על ידי נתוני מיזוג כוכבי הנויטרונים. לכן נראה ש- MOG שלי הוא תיאוריית הכבידה היחידה ששרדה ויכולה להסביר את הגלקסיה, נתוני אשכול הגלקסיה ונתוני קוסמולוגיה ללא חומר אפל שניתן לגלות ביקום הנוכחי. . " מופת אומר כי התיאוריה שלו אכן מנבאת כי גלי אור וכבידה היו מגיעים באותה עת.

וודרארד אמר כי "הדרך הטובה ביותר לפרש תוצאה זו אינה כהוכחה שהחומר האפל נכון, אלא כמו הגבלת אופן ההבנה של תיאוריות הכבידה אם הן מבקשות להיפטר ממנה."

נתיבים שונים

בשנות השבעים גילתה האסטרונומית המנוחה ורה רובין, אז במכון קרנגי, כי החומר הגלוי לא זז לאט יותר כשיוצא מהמרכז הגלקטי (הדרך בה כוכבי לכת מתקדמים לאט ככל שמתרחקים מהשמש). בשלב מסוים הכל נע באותה המהירות. או שהיה הרבה מסה מפוזרת סביב הגלקסיות שלא יכולנו לראות, או שכוח הכבידה התנהג בדרכים שלא היו ניכרות קודם לכן.

ההסברים המוקדמים לעניין הבלתי נראה היו: גז, כוכבי לכת סוררים, נייטרינים ואפילו חורים שחורים. בסופו של דבר כולם הושלכו לטובת התפיסה הנוכחית של החומר האפל, עשויים ממשהו שרק התקשרו דרך הכבידה.

עם זאת, כמה פיזיקאים חשו שהרעיון של חומר אפל נוח מדי, משהו שהמציא רק כדי לגרום למתמטיקה לעבוד. אולי כוח המשיכה עבד אחרת בקנה מידה שונה, ותורת היחסות הכללית פשוט לא הסבירה את זה, הם תיאורטו.

מורדהאי מילגרום, פרופסור אמריטוס במכון ויצמן למדע בישראל, היה אחד מתיאורטיקני ה- MOND המוקדמים, לאחר שהציע את גרסתו בשנות השמונים. בליבה, התיאוריה שלו מציעה שדינמיקת הכבידה תשתנה כאשר האצות עקב כוח הכבידה עוברות מתחת לגבול מסוים. הוא גם מציב כי כוח המשיכה והאור נעים על מדדים שונים.

ביחד, תיאוריות אלה הציגו, אם לא איום רציני, לפחות את האינטימיות לבעיות בחומר אפל - עד עכשיו. "

חומר כהה FTW

חומר אפל לא רק הסביר את עקומות הסיבוב. זה גם היווה תצפיות על עדשות כבידה - כיפוף האור על ידי חפצים מאסיביים. כאשר אנו מסתכלים על כמה גלקסיות רחוקות, אנו רואים עצמים מאחוריהם כאילו דרך עדשה, לפי תורת היחסות הכללית. האור מכופף בכמות שלא יכולה להיות מוסברת על ידי המסה הנראית לעין. זו הייתה עוד עדות לחומר אפל (או משהו דומה לזה).

חומר אפל יכול גם להסביר מדוע רקע המיקרוגל הקוסמי נראה כמו שהוא: הוא אחיד בממוצע, אך בקני מידה קטנים יותר הוא מסורבל, כפי שניתן היה לצפות ביקום של חומר אפל. "אחד הדברים שחלופה לתאורטיקנים של חומר אפל אף פעם לא מדברים עליהם, הוא שאם אין לך חומר אפל אתה לא מקבל בליטות ברקע [רקע מיקרוגל קוסמי], " אומר וויל קיני, פרופסור לפיזיקה בבית הספר אוניברסיטה בבופלו. "למיטב ידיעתי לאף אחת מתאוריות החומר האפל האלטרנטיבי לא היה שום הסבר כלל לבעיות בספקטרום (מיקרוסקופ רקע רקע). זה כשלעצמו אומר לי שהתיאוריות האלה לא יעבדו."

דוגמא אחת טובה היא אשכול הכדורים, אזור בחלל בו מתנגשים שני אשכולות גלקסיות. תצפיות באשכול מראות אפקטים של עדשות שאינם תואמים את החומר הגלוי בו. עם זאת, אם מניחים שהחומר האפל קיים אך טרם התמקם סביב האשכול, אז העדשות מתאימות לתורת החומר האפל, אמרה קיני.

המקרה ל- MOND

אף על פי כן, אדריכלי הכבידה השתנו עם הבעיות שיש בחומר האפל. האחת היא אנומליה סביב אשכול הכדורים - זהה שלרוב היה אומר תומך בתורת החומר האפל. על פי כמה תצפיות אשכול הכדורים מאיץ מהר מדי; אפילו בהנחה של חומר אפל המהירויות "שגויות". כמו כן, חומר אפל מנבא את מהירויות הסיבוב של חלק מהגלקסיות פחות טובות מכוח הכבידה שהשתנה.

בנוסף, כמה גלקסיות שנראות כאילו יש פחות חומר גלוי עדיין נראות מסיביות יותר. זה יכול להיות בגלל הרבה חומר אפל, אבל אין סיבה מיוחדת שצריכה להיות כך. תיאוריות ה- MOND מצליחות יותר בציון הזה. "ל- MOND יש כוח חזוי יותר. אפשר להשתמש בו כדי לחזות את הקינמטיקה של גלקסיות נשלטות ככל הנראה על ידי חומר אפל. אתה לא יכול לעשות את אותה חיזוי עם חומר אפל. כל מה שאתה יכול לומר זה 'אני בטוח שבגלקסיה של בהירות שטח נמוכה יש הרבה כהה משנה! '"אמר סטייסי מקג'ו, אסטרופיזיקאי מאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב שעבד על תיאוריות הכבידה שהשתנו." זה מבוסס על ניסיון קודם, ולא על תיאוריה, שאין תחזית מוסכמת לה.

סוגיה נוספת היא הפצת העניין האמור. מילגרום מציין כי כמעט בכל הגלקסיות שנצפו עד כה, עקומות הסיבוב הן באותה צורה עד לנקודה בה האצה כתוצאה מכוח הכבידה לכיוון המרכז היא כעשרה מיליארד מ"ט לשנייה בריבוע (בערך אותו דבר כוח הכבידה שהרגיש מישהו במרחק שני מטרים ממשקלו של 10 קילוגרם).

אם קיים חומר אפל, לא ניתן היה לצפות שהוא יופץ תמיד בדיוק כך. זה יהיה כמו ללכת לכל המדינות על פני כדור הארץ ולגלות כי חלוקת ההכנסה הייתה זהה לחלוטין, למרות ההיסטוריה השונה מאוד שיש לכל מדינה.

"בפרדיגמה [החומר האפל], הדינמיקה של ימינו היא תוצאה של ההיסטוריה המסובכת, הקטקסמית והבלתי ידועה של הגלקסיה האינדיבידואלית הנחקרת: על כמה מיזוגים היא עברה וכמה הם היו אלימים, על פליטת הברונים מ הגלקסיה כתוצאה מתהליכים שונים שאינם מובנים היטב וכו ', הוא אומר. תיאוריות ה- MOND, הוסיף, עשו עבודה טובה יותר בחיזוי תנועת הגלקסיות בהקשר זה.

אפילו מילגרום, מכיר בכך שיש כמה תחומים שתיאוריות ה- MOND לא צופות גם כן, אפילו בגרסאות ה- MOG הרלטיביסטיות שלהם - למשל, לא משחזרים את הרקע המיקרוגל הקוסמי שנצפה. "אנו זקוקים להרחבה של MOND שתביא בחשבון את הקוסמולוגיה. זה משהו שאנחנו עובדים עליו."

סבין הוסנפלדר, עמיתת מחקר במכון לפרנקפורט ללימודים מתקדמים בגרמניה, מסכימה כי התבוננותו של ווארדארד תביא למיצורים מסוג MOND או MOG, אך גם אינה משוכנעת כי חומר אפל הוא התשובה. "נכון בהחלט בוודאות שהתצפית פוסלת תיאוריות עם ההנחות המפורטות בעיתון. אך לא ברור אילו, אם בכלל, תיאוריות הכבידה שהשתנו אכן ממלאות את ההנחות, " אמרה. בבלוג שלה היא ציינה עבודות של חומר אפל בכל הסקלים, בעוד שכוח הכבידה המותאם לא עובד טוב גם לקוסמולוגיה.

איתן סיגל, אסטרופיזיקאי וכותב, אמר כי הסיכויים הם שהרבה שדות כוח משיכה מבוטלים על ידי תצפיות ה- LIGO. כמו Hossenfelder, הוא מאמין שהבעיה של MOND היא הכף שהיא מתארת. "Moffat צודק: MOND עושה טוב יותר מחומר אפל במאזניים גלקטיים. אם אתה מסתכל על גלקסיות בודדות ועל תכונותיה הדינמיות, ל- MOND יש את היתרון. MOND נכשל בכל המאזניים מלבד זה." חלק מהתיאוריות של מילגרום, אמר, עשויות לשרוד - אם למשל, טענתו של מילגרום כי כוח הכבידה מציית לחוקים שונים ממה שהעניין עושה ביקום. "זו תיאוריה שעשויה לשרוד עדיין את תוצאות גלי הכבידה הללו."

ולמרות עבודתו על אלטרנטיבות לכוח המשיכה, מקג'ו אמר שיש דברים שרק חומר אפל יכול להבין מהם. "אני לא רואה כיצד להסביר את הרקע הקוסמי של מיקרוגל או את אשכולות הגלקסיות (כל האשכולות העשירים, ולא רק את אשכול הכדורים) בלעדיו", הוא אומר, "זה לא אומר שזה לא יכול לקרות, אבל נכון לעכשיו אני לא רואה שום הסבר אחר בר-קיימא. " יחד עם זאת, הוא עדיין לא מחויב לשני הצדדים. "אף אחד מהם לא משכנע, " הוא אומר.

במילים אחרות, צפו שהוויכוח ימשיך להשתולל בעתיד הנראה לעין - כשהכוח של שני כוכבי נויטרונים יתנגשו.