De sier at det er den mørkeste materien i universet (hvis vi snakker generelt om materie). Og likevel møter vi praktisk talt ikke i hverdagen. Vi kjenner solen - det mest massive objektet i solsystemet - den er laget av vanlig materie (protoner, nøytroner og elektroner), men det er mange andre kilder, inkludert planeter, gass, støv, plasma og restene av stjerner. Mørk materie er ikke blant dem - og til og med standardmodellen beskriver ikke partiklene. Selvfølgelig er mørk materie ikke den eneste måten å forklare de observerte gravitasjonsfenomenene i universet. Et annet alternativ er å endre gravitasjonsteorien, som mange allerede har prøvd å gjøre. Dette ga opphav til ideen om Modified Newtonian Dynamics (MOND) og andre teorier, som fremdeles er populære alternativer til mørk materie.
For å starte et sted, må vi gå tilbake til 1800-tallet og snakke om et problem som eksisterte lenge før "manglende masse" (eller "manglende lys") som mørk materie og MOND prøver å løse: Uranus-Mercury-problemet. Newtons tyngdelov, som var pionerer i Newton på 1600-tallet, var utrolig vellykket med å beskrive alt - så vidt vi vet - til hva det ble brukt på. Fra bevegelse av prosjektiler til rullende gjenstander; fra vekten av gjenstander til tikkingen av en pendelklokke; fra oppdrift av en båt til månens bane rundt jorden sviktet Newtons tyngdekraft aldri.
Keplers tre lover, et spesielt tilfelle av Newtons gravitasjonsformel, gjaldt alle kjente planeter i samme grad:
1. Planetene beveger seg i ellipser med solen i et av fokusene.
2. Hver planet beveger seg i et plan som går gjennom Solens sentrum, og i like store intervaller beskriver radiusvektoren som forbinder Solen og planeten like områder.
3. Kvadratene for revolusjonstidene til planetene rundt Solen blir referert til som kuber av de halvstore aksene til planetenes baner.
Den kjente indre og ytre verden fulgte alle disse lovene, slik at ingen avvik ble avslørt i hundrevis av år. Men med oppdagelsen av Uranus i 1781, endret noe seg. Mens den siste av de oppdagede planetene beveget seg i en ellipse rundt solen, beveget den seg i feil hastighet sammenlignet med de forutsagte tyngdeloven.
Kampanjevideo:
I de første 20 årene siden åpningen, beveget den seg raskere, hver natt og hvert år, enn lovene dikterte. I løpet av de neste 20-25 årene beveget planeten seg i tråd med lovene. Men så avtok det, og farten falt under spådd.
Var det en feil i gravitasjonsloven? Kan være. Men det er også mulig at det var litt mer materie - noe usynlig, mørkt materie - som påvirket Uranus og forårsaket forstyrrelser i bane. Dette er mer som sannheten. Etter en teoretisk krig mellom Urbain Le Verrier og John Coach Adams, som jobbet selvstendig og spådde om plasseringen av den nye planeten, ble Le Verrier spådommer bekreftet av Johann Halle og hans assistent Heinrich d'Arre 23. september 1846. Planeten Neptun ble oppdaget, den første gjenstanden som ble utledet fra effekten av dens masse: gravitasjonspåvirkning.
På den annen side begynte den indre planeten Merkur - takket være den økte nøyaktigheten av observasjoner og i kombinasjon med verdslige data - å vise et enda merkeligere brudd på tyngdeloven. Hvis Keplers lover forutsa at planetene skulle bevege seg i ideelle ellipser med solen i et av fokusene, så på betingelse av at det ikke er andre masser som bryter eller påvirker systemet. Men det er ingen masser rundt, og Merkur beveger seg ikke langs en perfekt ellips. Dens ellips forløper over tid.
Ved å bruke Newtons tyngdekraftlover kunne vi ta hensyn til innflytelsen fra alle kjente planeter (inkludert Neptun). Etter å ha gjort alt dette, vil vi finne at det fortsatt er et lite avvik mellom det forutsagte og det observerte: en 43 presesjon per århundre, eller 0,012 grader per århundre. Men dette var ikke en ulykke.
Hva er forklaringen denne gangen? Er denne nye usynlige massen knyttet til det indre av kvikksølv? Eller har det virkelige problemet sneket seg inn i tyngdeloven? Et grundig søk etter svar på dette spørsmålet førte til en ny teoretisk planet Vulcan, som burde vært nærmere Solen enn alle andre. Men ingen Vulcan ble funnet. Løsningen kom i 1915 da Einstein skisserte teorien om generell relativitet.
La oss nå hoppe over tiden til 1970-tallet - til en rekke vitenskapelige observasjoner av Vera Rubin. Vi observerer individuelle galakser - spesielt kant-på-galakser - og måler hastighetsprofilene deres. Vi ser på den ene siden av galaksen og ser at den beveger seg mot oss (med blått skift), vi ser på den andre - den beveger seg bort fra oss (ved rød forskyvning), og det er slik vi bestemmer galaksens rotasjon. Hva forventer vi av dem? I likhet med solsystemet vårt, må de indre stjernene rotere raskere, og jo lenger fra sentrum, jo lavere må hastigheten være. Men det er ikke det vi finner.
I stedet forblir rotasjonshastigheten til hver enkelt galakse konstant uavhengig av avstand. Hvorfor? Igjen er det to alternativer: enten tyngdekraftens lover må forbedres, eller så må vi anta eksistensen av en usynlig overflødig masse.
MOND ble først lagt merke til av Moti Milgrom i 1981, som observerte at hvis vi skulle endre tyngdeloven ved svært små akselerasjoner - noe som brøkdeler av et nanometer per sekund i kvadrat - kunne vi forklare disse rotasjonskurvene. Videre kan den samme modifikasjonen, enkel og konsistent, forklare rotasjonen av alle galakser, fra den minste til den største. MOND gjør det fortsatt og gjør det bra.
Mørk materie antyder derimot at i tillegg til de normale partiklene til Standardmodellen og vanlig materie av "protoner, nøytroner og elektroner" som utgjør nesten alt vi vet, er det en ny type materie. For å forklare rotasjonsfenomenet ble det foreslått å innføre en stor glorie av materie som ikke samhandler med lys, men som ikke henger sammen, og som ikke samhandler med vanlig materie, bortsett fra gravitasjon. Det var ideen om mørk materie.
Mørk materie kan forklare disse rotasjonskurvene, men det gjør det ikke like bra som MOND. Numeriske simuleringer for glorier som produserer selv de enkleste modellene for mørk materie, stemmer ikke overens med observasjoner; glorier er for "slått ned" i sentrum og for "luftige" i utkanten. (Fra et teknisk synspunkt ser de ut til å være mer isotermiske enn forventet). Kort fortalt var MOND først den klare lederen.
Men der, videre, begynte hele universet. Når du foreslår en ny teori for å erstatte en gammel - hvordan generell relativitetsteori erstattet Newtons lover - må teorien din tilfredsstille tre prinsipper:
1. Den må gjengi full suksess for den forrige ledende teorien.
2. Den må forklare det nye fenomenet (eller fenomenene) som det ble opprettet for.
3. Og hun må komme med nye spådommer som vil bli eksperimentelt eller observasjonsverifisert, bekreftet eller tilbakevist, slik at det er unikt for den nye teorien.
Vi snakker om alle suksessene med den forrige ledende teorien, og de er mange.
Det er gravitasjonskrumning av stjernelys etter masse, sterk og svak gravitasjonslinse. Det er Shapiro-effekten. Det er gravitasjonstidsdilatasjon og tyngdekraftsredskift. Det er begrepet Big Bang og konseptet med et ekspanderende univers. Det er bevegelser av galakser innenfor klynger og gruppering av selve galaksene på de største skalaene.
Når det gjelder alle disse eksemplene - alle - MOND lider et knusende nederlag, enten ved ikke å gi noen spådommer eller ved å komme med spådommer som frustrerende er uforenlige med tilgjengelige data. Du kan med rette påpeke at MOND aldri var ment å være en komplett teori, men snarere en beskrivelse av ett fenomen som kunne føre til en mer komplett teori. Mange jobber med en MOND-utvidelse som kan forklare disse observasjonene, men til ingen nytte.
Men hvis du fortsetter Einsteins tyngdelov og bare legger til en ny ingrediens, kald mørk materie, kan du forklare alt, inkludert noen nye uvanlige nyanser.
Du kan forklare klyngemønsteret som observeres i den store strukturen i universet hvis du har fem ganger mer mørk materie enn vanlig materie.
Og det som er enda mer imponerende er at du kan komme med en helt ny spådom: Når to galaksehoper kolliderer, varmes gassen i dem opp, bremser og avgir røntgenstråler, mens massen vi ser med gravitasjonslinser følger mørk materie og erstattes av røntgenstråler. Denne nye spådommen er bekreftet eksperimentelt og har holdt i ti år, og gir en indirekte bekreftelse på eksistensen av mørk materie.
MOND har fordelen av å forklare galaktiske rotasjonskurver bedre enn mørk materie. Men dette er ikke en fysisk teori, og den passer ikke til det komplette settet med observasjoner vi har. Mørk materie eksisterer - i det minste i teorien - fordi den gir oss det samme universet, konsistent, uten noen modifikasjoner.
Men MONDs nåværende feil, kosmologiske, satte det under mørk materie. La ham gjengi alle suksessene med generell relativitet, forklare nye fenomener, komme med spådommer som kan bekreftes - og forskere vil utvilsomt konvertere til en ny tro. De er tross alt gode forskere.
