Ces physiciens préfèrent la nouvelle théorie de la gravité

En utilisant les lois de la physique de Newton, nous pouvons modéliser avec une précision totale les mouvements des planètes du système solaire. Cependant, au début des années 1970, les scientifiques ont découvert que Cela n’a pas fonctionné pour lui galaxies à disque Les étoiles à leurs bords extérieurs, loin de la force gravitationnelle de toute la matière en leur centre, se déplaçaient beaucoup plus vite que la théorie de Newton ne l’avait prédit.

En conséquence, les physiciens ont suggéré qu’une substance invisible appelée « matière noire« Cela fournissait une attraction gravitationnelle supplémentaire, provoquant l’accélération des étoiles – une théorie qui est devenue largement acceptée. Cependant, dans un dernier avis Mes collègues et moi suggérons que les observations sur une large gamme d’échelles sont bien mieux expliquées dans une théorie alternative de la gravité appelée dynamique milgromienne ou Lundi – Ne nécessite aucun matériau invisible. Il a été proposé pour la première fois par le physicien israélien Mordechai Milgrom en 1982.

L’hypothèse de base de Mond est que lorsque la gravité devient trop faible, comme c’est le cas près du bord des galaxies, elle commence à se comporter différemment de la physique newtonienne. De cette façon, il est possible Explique Pourquoi les étoiles, les planètes et le gaz à la périphérie de plus de 150 galaxies tournent plus vite que prévu en se basant uniquement sur leur masse visible. Cependant, Mond n’est pas seulement Explique Comme les courbes de rotation, dans de nombreux cas, Attendre elles ou ils.

philosophes des sciences se disputer Que ce pouvoir de prédiction rend Mond supérieur au modèle cosmologique standard, qui suggère qu’il y a plus de matière noire dans l’univers que de matière visible. En effet, selon ce modèle, les galaxies contiennent une quantité extrêmement incertaine de matière noire qui dépend des détails de la formation de la galaxie – que nous ne connaissons pas toujours. Cela rend impossible de prédire la vitesse de rotation des galaxies. Mais de telles prédictions sont régulièrement faites avec Mond, et cela a été confirmé jusqu’à présent.

Imaginons que nous connaissions la répartition de la masse visible dans une galaxie mais que nous ne connaissions pas encore sa vitesse de rotation. Dans le modèle cosmologique standard, il serait seulement possible de dire avec une certaine certitude que la vitesse de rotation serait comprise entre 100 km/s et 300 km/s en banlieue. Mond donne une prédiction plus précise selon laquelle la vitesse de rotation devrait être comprise entre 180 et 190 km / s.

Si des observations ultérieures révèlent une vitesse de rotation de 188 km/s, cela concorde avec les deux théories – mais Mond est clairement le favori. Il s’agit d’une version récente de le rasoir d’Occam – que la solution la plus simple est meilleure que les solutions plus complexes, auquel cas il faut expliquer les notes avec le moins de « paramètres libres » possible. Les paramètres libres sont des constantes – certains nombres que nous devons entrer dans des équations pour les faire fonctionner. Mais la théorie elle-même ne les a pas donnés – il n’y a aucune raison pour qu’une valeur particulière existe – nous devons donc la mesurer par l’observation. Un exemple est la constante gravitationnelle, G, dans la théorie ou la magnitude gravitationnelle de Newton matière noire dans les galaxies du modèle cosmologique standard.

Nous avons introduit un concept connu sous le nom d’« élasticité théorique » pour capturer l’idée derrière le code d’Occam selon laquelle une théorie avec les paramètres les plus libres est cohérente avec une plus large gamme de données, ce qui la rend plus complexe. Dans notre revue, nous avons utilisé ce concept lors du test du modèle cosmologique Standard et Mond par rapport à diverses observations astronomiques, telles que la rotation des galaxies et les mouvements au sein des amas de galaxies.

A chaque fois, nous avons donné un score d’élasticité théorique compris entre -2 et +2. Un score de -2 indique que le modèle fait une prédiction claire et précise sans regarder les données. Inversement, +2 signifie « tout va bien » – les théoriciens auraient pu s’adapter à presque n’importe quel résultat d’observation raisonnable (puisqu’il y a tellement de paramètres libres). Nous avons également évalué dans quelle mesure chaque modèle correspond aux observations, où +2 indique un excellent ajustement et -2 est réservé aux observations qui montrent clairement que la théorie est fausse. Nous soustrayons ensuite le degré de flexibilité théorique de celui de l’accord avec les observations, car bien faire correspondre les données est bien – mais être capable d’ajuster n’importe quoi est mauvais.

Une bonne théorie ferait des prédictions claires qui ont été confirmées plus tard, et un score combiné de +4 sur de nombreux tests différents serait meilleur (+2 – (- 2) = +4). Une mauvaise théorie obtiendra un score compris entre 0 et -4 (-2 – (+ 2) = -4). Des prédictions précises peuvent échouer dans ce cas – et il est peu probable qu’elles fonctionnent avec la mauvaise physique.

Nous avons trouvé un score moyen pour le modèle cosmologique standard de -0,25 sur 32 tests, tandis que Mond a obtenu un score moyen de +1,69 sur 29 tests. Les scores de chaque théorie sur de nombreux tests différents sont présentés dans les figures 1 et 2 ci-dessous pour les modèles cosmologiques Standard et Mond, respectivement.

Figure 1. Comparaison du modèle cosmologique standard avec des observations basées sur l’adéquation des données avec la théorie (optimisation ascendante) et sur la flexibilité de l’ajustement (hauteur de gauche à droite). Le cercle creux n’est pas pris en compte dans notre évaluation, car ces données ont été utilisées pour définir des paramètres libres. Reproduit du tableau 3 de notre examen. crédit : Arxiv

Figure 2. Semblable à la figure 1, mais pour Mond avec des particules virtuelles qui n’interagissent que par gravité, ils sont appelés neutrinos stériles. A noter qu’il n’y a pas de contrefaçon apparente. Reproduit du tableau 4 de notre examen. crédit : Arxiv

Il est immédiatement clair qu’aucun problème significatif n’a été identifié pour Mond, qui est au moins raisonnablement en accord avec toutes les données (notez que les deux lignes inférieures indiquant la falsification sont vides dans la figure 2).

problèmes de matière noire

L’un des échecs les plus frappants du modèle cosmique standard concerne les « bar galaxies » – des régions lumineuses en forme de tige constituées d’étoiles – dans lesquelles les galaxies spirales se trouvent souvent dans leurs régions centrales (voir l’image principale). Les barres tournent dans le temps. Si les galaxies étaient noyées dans d’immenses halos de matière noire, leurs bâtonnets ralentiraient. Cependant, la plupart, sinon la totalité, des bandes galactiques observées sont rapides. c’est faux Modèle cosmologique standard avec un haut degré de confiance.

Un autre problème est que modèles originaux Le fait que les galaxies proposées aient des halos de matière noire a fait une grosse erreur – ils ont supposé que les particules de matière noire fournissent de la gravité à la matière qui les entoure, mais ne sont pas affectées par l’attraction gravitationnelle de la matière ordinaire. Cela simplifie les calculs, mais ne reflète pas la réalité. Lorsque cela a été pris en compte dans Simulations ultérieures Il était clair que les halos de matière noire autour des galaxies n’expliquent pas de manière fiable leurs propriétés.

Il existe de nombreux autres échecs du modèle cosmologique standard que nous avons examinés dans notre examen, et Mond a souvent été en mesure de expliqué naturellement Remarques. Cependant, la raison pour laquelle le modèle cosmologique standard est si populaire peut être due à des erreurs de calcul ou à une connaissance limitée de ses échecs, dont certains ont été découverts récemment. Cela peut aussi être dû à la réticence des gens à modifier la théorie de la gravité qui a si bien réussi dans de nombreux autres domaines de la physique.

La grande avance de Mond sur le modèle cosmologique standard dans notre étude nous a amenés à conclure que les observations disponibles favorisent fortement Mond. Bien que nous ne prétendions pas que Mond soit parfait, nous pensons toujours qu’il corrige la situation dans son ensemble – les galaxies manquent vraiment de matière noire.

Écrit par Indranil Banik, chercheur postdoctoral en astrophysique, Université de St Andrews.

Cet article a été publié pour la première fois dans Conversation.

Référence : « Des bâtons galactiques à la tension de Hubble : pesée des preuves astrophysiques de la gravité melgromienne
Par Indranil Banik et Hongsheng Zhao, 27 juin 2022 Disponible ici symétrie.
DOI : 10.3390 / sym14071331