Hovoria, že existuje najtemnejšia hmota vo vesmíre (ak hovoríme o hmote všeobecne). A napriek tomu sa s tým v každodennom živote prakticky nestretávame. Poznáme slnko - najmasívnejší objekt slnečnej sústavy - je vyrobené z bežnej hmoty (protóny, neutróny a elektróny), ale existuje aj veľa ďalších zdrojov, vrátane planét, plynu, prachu, plazmy a pozostatkov hviezd. Temná hmota medzi nimi nie je - a ani štandardný model neopisuje jej častice. Temná hmota samozrejme nie je jediným spôsobom, ako vysvetliť pozorované gravitačné javy vo vesmíre. Ďalšou možnosťou je zmena teórie gravitácie, o ktorú sa už mnohí pokúsili. To dalo vzniknúť myšlienke Modified Newtonian Dynamics (MOND) a ďalším teóriám, ktoré sú stále populárnymi alternatívami tmavej hmoty.
Aby sme niekde začali, musíme sa vrátiť do roku 1800 a hovoriť o probléme, ktorý existoval dávno predtým, ako sa temná hmota „chýbajúcej hmoty“(alebo „chýbajúce svetlo“) a MOND snažia vyriešiť: problém Urán-Merkúr. Newtonov gravitačný zákon, ktorého priekopníkom bol Newton už v 1600-tych rokoch, bol neuveriteľne úspešný pri popísaní všetkého - pokiaľ vieme - bolo to aplikované. Od pohybu projektilov po valivé objekty; od hmotnosti predmetov po tikanie kyvadlových hodín; od vztlaku člna po obežnú dráhu Mesiaca okolo Zeme Newtonova gravitácia nikdy nezlyhala.
Keplerove tri zákony, špeciálny prípad Newtonovho gravitačného vzorca, platili pre všetky známe planéty v rovnakom rozsahu:
1. Planéty sa pohybujú v elipsách so Slnkom v jednom z ohniskov.
2. Každá planéta sa pohybuje v rovine prechádzajúcej stredom Slnka a v rovnakých časových intervaloch popisuje polomerový vektor spájajúci Slnko a planétu rovnaké oblasti.
3. Štvorce periód revolúcie planét okolo Slnka sa označujú ako kocky polovičných osí dráh planét.
Všetky známe vnútorné a vonkajšie svety sa riadili týmito zákonmi, takže stovky rokov neboli zistené žiadne odchýlky. Ale s objavom Uránu v roku 1781 sa niečo zmenilo. Zatiaľ čo sa posledná z objavených planét pohybovala v elipe okolo Slnka, pohybovala sa nesprávnou rýchlosťou v porovnaní s predpovedanými zákonmi gravitácie.
Propagačné video:
Za prvých 20 rokov od otvorenia sa pohyboval rýchlejšie, každú noc a každý rok, ako kázali zákony. Počas nasledujúcich 20 - 25 rokov sa planéta pohybovala v prísnom súlade so zákonmi. Potom sa však spomalilo a rýchlosť predpovedala pokles pod.
Bola chyba v gravitačnom zákone? Možno. Je ale tiež možné, že tu bolo niečo viac - niečo neviditeľné, temné - čo ovplyvňovalo Urán a narúšalo jeho obežnú dráhu. To sa skôr podobá pravde. Po teoretickej vojne medzi Urbainom Le Verrierom a Johnom Coachom Adamsom, ktorí pracovali nezávisle a predpovedali o umiestnení novej planéty, 23. septembra 1846 Johann Halle a jeho asistent Heinrich d'Arre potvrdili predpovede Le Verriera. Bola objavená planéta Neptún, prvý objekt, ktorý možno odvodiť z účinkov jej hmotnosti: gravitačný vplyv.
Na druhej strane vnútorná planéta Merkúr - vďaka zvýšenej presnosti pozorovaní a v kombinácii so sekulárnymi údajmi - začala vykazovať ešte čudnejšie porušenie gravitačných zákonov. Ak Keplerove zákony predpovedali, že planéty by sa mali pohybovať v ideálnych elipsách so Slnkom v jednom z ohniskov, potom za podmienky, že neexistujú žiadne ďalšie masy, ktoré by systém narušovali alebo ovplyvňovali. Ale okolo nie sú nijaké masy a Merkúr sa nepohybuje po dokonalej elipe. Jeho elipsa precesy v priebehu času.
Pomocou Newtonových gravitačných zákonov by sme mohli vziať do úvahy vplyv všetkých známych planét (vrátane Neptúna). Po vykonaní tohto všetkého by sme zistili, že medzi predpokladaným a pozorovaným zostáva mierny rozpor: 43 “precesia za storočie, alebo 0,012 stupňa za storočie. To však nebola náhoda.
Aké je vysvetlenie tentokrát? Súvisí táto nová neviditeľná hmota s vnútorným priestorom Merkúra? Alebo sa skutočný problém vkradol do zákona gravitácie? Dôkladné hľadanie odpovede na túto otázku viedlo k novej teoretickej planéte Vulcan, ktorá mala byť bližšie k Slnku ako ktokoľvek iný. Vulkán sa ale nenašiel. Riešenie prišlo v roku 1915, keď Einstein načrtol svoju teóriu všeobecnej relativity.
Teraz preskočme čas do 70. rokov - do množstva vedeckých pozorovaní Very Rubinovej. Pozorujeme jednotlivé galaxie - najmä okrajové galaxie - a merame ich rýchlostné profily. Pozeráme sa na jednu stranu galaxie a vidíme, že sa pohybuje smerom k nám (modrým posunom), pozeráme sa na druhú - pohybuje sa smerom od nás (červeným posunom), a takto určujeme rotáciu galaxie. Čo od nich očakávame? Rovnako ako naša slnečná sústava, aj vnútorné hviezdy sa musia otáčať rýchlejšie a čím ďalej od stredu, tým nižšia musí byť rýchlosť. Ale to nie je to, čo nájdeme.
Namiesto toho zostáva rýchlosť rotácie každej jednotlivej galaxie konštantná bez ohľadu na vzdialenosť. Prečo? Opäť existujú dve možnosti: buď je potrebné vylepšiť gravitačné zákony, alebo musíme predpokladať existenciu neviditeľnej nadmernej hmotnosti.
MOND si prvýkrát všimol Moti Milgrom v roku 1981, ktorý pozoroval, že ak by sme mali zmeniť zákon gravitácie pri veľmi malom zrýchlení - niečo ako zlomok nanometra za sekundu na druhú - mohli by sme vysvetliť tieto rotačné krivky. Rovnaká modifikácia, jednoduchá a konzistentná, by navyše mohla vysvetliť rotáciu všetkých galaxií, od najmenších po najväčšie. MOND to stále robí a robí to dobre.
Tmavá hmota naopak naznačuje, že okrem normálnych častíc štandardného modelu a bežnej hmoty „protónov, neutrónov a elektrónov“, ktoré tvoria takmer všetko, čo vieme, existuje nový typ hmoty. Na vysvetlenie rotačného javu bolo navrhnuté zaviesť veľkú svätožiaru hmoty, ktorá neinteraguje so svetlom, ale nedrží sa spolu a neinteraguje s bežnou hmotou, okrem gravitačného. To bola predstava temnej hmoty.
Temná hmota môže vysvetliť tieto rotačné krivky, ale nerobí to tak dobre ako MOND. Numerické simulácie pre halo, ktoré vytvárajú aj tie najjednoduchšie modely tmavej hmoty, nezodpovedajú pozorovaniam; svätožiary sú príliš „zrazené“v strede a príliš „nadýchané“na okraji. (Z technického hľadiska sa zdajú byť viac izotermické, ako sa očakávalo). Stručne povedané, MOND bol spočiatku jasným lídrom.
Ale tam, ďalej, začal celý vesmír. Keď navrhujete novú teóriu, ktorá nahradí starú - ako všeobecná relativita nahradila Newtonove zákony -, vaša teória musí spĺňať tri princípy:
1. Musí reprodukovať plný úspech predchádzajúcej vedúcej teórie.
2. Musí úspešne vysvetliť nový jav (alebo javy), pre ktoré bol vytvorený.
3. A musí robiť nové predpovede, ktoré budú experimentálne alebo pozorovateľne overené, potvrdené alebo vyvrátené, aby boli pre novú teóriu jedinečné.
Hovoríme o všetkých úspechoch predchádzajúcej vedúcej teórie a je ich veľa.
Existuje gravitačné zakrivenie svetla hviezd podľa hmotnosti, silné a slabé gravitačné šošovky. Existuje efekt Shapiro. Existuje gravitačná dilatácia času a gravitačný červený posun. Existuje koncept Veľkého tresku a koncept rozpínavého vesmíru. Existujú pohyby galaxií v klastroch a zhlukovanie samotných galaxií v najväčších mierkach.
V prípade všetkých týchto príkladov - všetkých - MOND utrpí zdrvujúcu porážku, a to buď tým, že neposkytne žiadne predpovede, alebo predpovedá, čo je frustrujúco v rozpore s dostupnými údajmi. Môžete správne poukázať na to, že MOND nikdy nemal byť úplnou teóriou, ale skôr opisom jedného javu, ktorý by mohol viesť k úplnejšej teórii. Mnoho ľudí pracuje na rozšírení MOND, ktoré by mohlo vysvetliť tieto pozorovania, ale bezvýsledne.
Ale ak budete pokračovať v Einsteinovom gravitačnom zákone a iba pridáte novú prísadu, studenú tmavú hmotu, môžete vysvetliť všetko, vrátane niektorých nových neobvyklých nuancií.
Môžete vysvetliť zhlukovací vzorec, ktorý sa pozoruje v rozsiahlej štruktúre vesmíru, ak máte päťkrát viac tmavej hmoty ako bežnej hmoty.
A ešte pôsobivejšie je, že môžete urobiť úplne novú predpoveď: keď sa zrazia dva zhluky galaxií, plyn v nich sa zahreje, spomalí a emituje röntgenové lúče, zatiaľ čo hmotnosť, ktorú vidíme pomocou gravitačných šošoviek, sleduje temnú hmotu a je nahradená röntgenovými lúčmi. Táto nová predpoveď bola potvrdená experimentálne a drží sa už desať rokov a poskytuje nepriame potvrdenie existencie temnej hmoty.
MOND má výhodu v tom, že vysvetľuje krivky galaktickej rotácie lepšie ako temná hmota. Toto však nie je fyzikálna teória a nezmestí sa do nej celý súbor pozorovaní, ktoré máme. Temná hmota existuje - aspoň teoreticky - pretože nám dáva rovnaký vesmír, konzistentný, bez akýchkoľvek úprav.
Ale súčasné kozmické zlyhania MOND to dali pod temnú hmotu. Nechajte ho reprodukovať všetky úspechy všeobecnej teórie relativity, vysvetľovať nové javy, robiť predpovede, ktoré sa dajú potvrdiť - a vedci nepochybne prevedú na novú vieru. Napokon, sú to dobrí vedci.