新しい重力理論のために暗黒物質を捨てる必要がある理由

ニュートンの物理法則を使用して、太陽系の惑星の動きを非常に正確にモデル化できます。 しかし、1970年代初頭、科学者たちはそれに気づきました これはうまくいきませんでした 円盤銀河 –中心にあるすべての物質の重力から遠く離れた、外縁にある星–は、ニュートンの理論が予測したよりもはるかに速く動いていました。

これにより、物理学者は、「暗黒物質」と呼ばれる目に見えない物質が余分な引力を提供し、星を加速させていると提案しました。これは非常に人気のある理論です。 ただし、 最近のレビュー、私の同僚と私は、1982年にイスラエルの物理学者モルデハイミルグロムによって提案されたミルグロミアンダイナミクスまたは モンド –目に見えないものは必要ありません。

モンドの主な仮定は、銀河の端で起こるように重力が非常に弱くなると、ニュートン物理学とは異なる振る舞いを始めるというものです。 このようにして、 説明 150を超える銀河の周辺にある星、惑星、ガスが、目に見える質量だけに基づいて予想よりも速く回転する理由。 しかし、モンドは単に 説明 そのような回転曲線、多くの場合、それ 予測する 彼ら。

科学の哲学者 主張している この予測力により、モンドは、可視物質よりも宇宙に暗黒物質が多いことを提案する標準的な宇宙論モデルよりも優れています。 これは、このモデルによれば、銀河がどのように形成されたかの詳細に依存する非常に不確実な量の暗黒物質を持っているためです。これは私たちが常に知っているわけではありません。 これにより、銀河がどれだけ速く回転するかを予測することが不可能になります。 しかし、そのような予測はMondで日常的に行われており、これまでのところこれらは確認されています。

銀河内の目に見える質量の分布はわかっているが、その回転速度はまだわかっていないことを想像してみてください。 標準的な宇宙論的モデルでは、回転速度が周辺で100km/sから300km/sの間で出てくるとある程度の自信を持って言うことができるだけです。 Mondは、回転速度が180〜190km/sの範囲でなければならないというより明確な予測を行っています。

後で観測によって188km/sの回転速度が明らかになった場合、これは両方の理論と一致していますが、明らかに、Mondが優先されます。 これは現代版です オッカムのかみそり –より単純な解決策がより複雑な解決策よりも望ましいこと、この場合、可能な限り少ない「自由パラメーター」で観測を説明する必要があること。 自由パラメーターは定数です–それらを機能させるために方程式にプラグインしなければならない特定の数。 しかし、それらは理論自体によって与えられたものではなく、特定の値を持つべき理由はありません。そのため、観察的に測定する必要があります。 一例は、ニュートンの重力理論における重力定数G、または標準的な宇宙論モデル内の銀河内の暗黒物質の量です。

「理論的柔軟性」と呼ばれる概念を導入して、より自由なパラメーターを持つ理論がより広い範囲のデータと一致し、より複雑になるというオッカムの剃刀の根底にある考えを捉えました。 私たちのレビューでは、銀河の回転や銀河団内の動きなど、さまざまな天文観測に対して標準的な宇宙モデルとモンドをテストするときに、この概念を使用しました。

毎回、-2から+2の間の理論的な柔軟性スコアを与えました。 スコア–2は、モデルがデータを覗き見することなく、明確で正確な予測を行うことを示します。 逆に、+ 2は「何​​でもうまくいく」ことを意味します。理論家は、ほとんどすべてのもっともらしい観測結果に適合させることができたでしょう（非常に多くの自由パラメーターがあるため）。 また、各モデルが観測値とどの程度一致しているかを評価しました。+ 2は優れた一致を示し、–2は理論が間違っていることを明確に示す観測値用に予約されています。 次に、観測値との一致のスコアから理論上の柔軟性スコアを差し引きます。これは、データを適切に一致させることは良いことですが、何にでも適合できることは悪いことです。

優れた理論は、後で確認される明確な予測を行い、理想的には、多くの異なるテストで+4の合計スコアを取得します（+2-（-2）= +4）。 悪い理論では、0から-4の間のスコアが得られます（-2-（+ 2）= -4）。 この場合、正確な予測は失敗します–これらは間違った物理学で機能する可能性は低いです。

標準的な宇宙論モデルの平均スコアは32回のテストで–0.25でしたが、Mondは29回のテストで平均+1.69を達成しました。 多くの異なるテストにおける各理論のスコアは、標準的な宇宙論モデルとモンドについて、それぞれ以下の図1と2に示されています。

Mondに大きな問題が特定されていないことはすぐにわかります。これは、少なくともすべてのデータと一致していると考えられます（図2では、改ざんを示す下の2行が空白になっていることに注意してください）。

暗黒物質の問題

標準的な宇宙論モデルの最も顕著な失敗の1つは、渦巻銀河が中央領域にしばしば持つ「銀河バー」（星でできた棒状の明るい領域）に関連しています（リード画像を参照）。 バーは時間とともに回転します。 銀河が暗黒物質の巨大なハローに埋め込まれている場合、それらのバーは遅くなります。 ただし、すべてではないにしても、ほとんどの観測されたギャラクシーバーは高速です。 これ 偽造 非常に信頼性の高い標準的な宇宙論的モデル。

もう1つの問題は、 オリジナルモデル 銀河が暗黒物質ハローを持っていることを示唆することは大きな間違いを犯しました-彼らは暗黒物質粒子がその周りの物質に重力を提供すると仮定しましたが、通常の物質の引力の影響を受けませんでした。 これにより計算が簡略化されましたが、現実は反映されていません。 これが考慮されたとき その後のシミュレーション 銀河の周りの暗黒物質ハローがそれらの特性を確実に説明していないことは明らかでした。

私たちのレビューで調査した標準的な宇宙論モデルには他にも多くの失敗があり、Mondはしばしばそれを行うことができます 自然に説明する 観察。 それにもかかわらず、標準的な宇宙論的モデルが非常に人気がある理由は、計算上の誤りまたはその失敗についての限られた知識にある可能性があり、そのいくつかはごく最近発見されました。 それはまた、物理学の他の多くの分野で非常に成功している重力理論を微調整することに人々が気が進まないためかもしれません。

私たちの研究における標準的な宇宙論的モデルに対するモンドの大きなリードは、モンドが利用可能な観測によって強く支持されていると結論付けました。 私たちはモンドが完璧であるとは主張していませんが、それでも全体像が正しいと考えています。銀河は本当に暗黒物質を欠いています。

この記事 インドラニル・バニク、天体物理学博士研究員、 セントアンドリュース大学 から再発行されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で。 読む 原著。