Двама членове на Чешката академия на науките предлагат нова модифицирана теория на Нютонова динамика или MOND (Modified Newton dynamic), която предизвика интерес към физичната общност. Тя отхвърля концепцията за тъмната материя и вместо това модифицира законите на Нютон за движение като въвежда нелинейна връзка между сила и ускорение. MOND описва много добре явленията, които се случват в галактиките, но не може да се справи с описанието в по-голям мащаб. И затова не е получила всеобщо признание.

Константинос Скордис (Constantinos Skordis) и Том Злосник (Tom Zlosnik) се опитват да променят това, техните идеи, публикувани в Physical Review Letters, предполагат, че съществува вид все още неоткрита гравитация, отговорна за характеристиките, наблюдавани в космическия микровълнов фон (CMB). 

Изследователите казват, че техният модел може да бъде допълнително тестван с наблюдения на галактически купове и гравитационни вълни.

В продължение на много години физиците приемат хипотезата за съществуването на тъмна материя, защото благодарение на нея могат да обяснят някои от наблюдаваните явления, които не могат да бъдат обяснени по стандартен начин - например плоските криви на въртене на галактиката, гравитационните лещи или пиковете в спектъра на CMB.

Не всички обаче са съгласни с това, като изтъкват, че няма физически доказателства за съществуването на тъмна материя.

Но ако не съществува тъмната мнатерия, тогава законите за гравитацията на Нютон и Айнщайн са погрешни, тези на Нютон за ситуации със слаба гравитация и тези на Айнщайн за ситуации със силна гравитация. Тогава е нужен друг закон на гравитацията, който може да обясни всички тези наблюдавани улики. Така се появи хипотезата MOND, че съществува неизвестен тип гравитация.

Теорията MOND е разработена преди повече от 30 години като начин за обяснение на данните за въртенето на галактиките, без да се позовава на съществуването на мистериозната тъмна материя. Привържениците на MOND предложиха алтернативна мистерия, в която гравитационната сила се променя за ускорения, по-малки от праг на 10−10 м/сек2. Идеята не произлиза от някаква основна теория, но изненадващо, един и същ праг на ускорение работи за почти всички галактики – малки и големи, млади и стари.

Галактиките, като M101, показани тук, имат профили на въртене, които не могат да бъдат обяснени с видимата материя. Популярното решение е да се предположи съществуването на тъмна материя, но друго решение, наречено MOND, може да отчете данните за галактиките чрез модифициране на Нютонова гравитация. Кредит: NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech

Основната причина, поради която се предпочита тъмната материя, е, че тъмната материя е в съответствие с много по-голям спектър от астрофизични наблюдения. Например тъмната материя може да обясни огъването на светлината на галактиките от далечни източници (гравитационни лещи) без видима материя, докато MOND в първоначалната си форма не може. Изследователи са разработили така наречените релативистични модели MOND, които могат да отговорят на наблюденията на лещите], но досега нито една от тези преработени версии на теорията не е в състояние да възпроизведе данните от CMB.

„Ако теорията не може да направи това, тогава не си струва да се разглежда по-нататък“, коментира Константинос Скордис.

Скордис и колегата от Чешката академия Том Злошник сега създават вдъхновен от MOND модел, който отчита CMB, като същевременно е в съответствие с наблюденията на гравитационните лещи и измерванията на скоростта на гравитационните вълни. Моделът следва последните усилия на MOND в постулирането на съществуването на две полета, които проникват в цялото пространство и заедно действат като допълнителна гравитационна сила. Едно от тези полета е скаларно поле – подобно на полето на Хигс, което е свързано с Хигс бозона или по-простия пример - температурите във всяка точка, поле изобразено в метеорологична карта. Другото е векторно поле, което има посока във всяка точка от пространството, донякъде като магнитно поле или силата и посоката на ветровете във всяка точка.

Скордис и Злошник задават параметрите на модела така, че в ранната Вселена, променящите гравитацията полета генерират гравитационен ефект, който имитира този на тъмната материя. Имитирането на тъмната материя по този начин гарантира, че наблюдаваните особености на CMB се възпроизвеждат. Полетата се развиват през пространство-времето и в крайна сметка гравитационната сила следва първоначалното предположение на MOND.

Константа на Хъбъл за всеки модел е различна. Кредит: DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.161302

Скордис обяснява, че техният модел е подобен на другите модели алтернативна гравитация, които са били предложени да обяснят тъмната енергия. Всички космологични модели добавят нещо (нови частици или нови полета), за да обяснят наблюденията, подчертавава астрофизикът. Той признава, че - за разлика от моделите на тъмната материя, които често се основават на фундаментални принципи на симетрия - новият модел не е замислен с фундаментална теория. Въпреки това, такава теоретична основа може да бъде разкрита с помощта на новия модел MOND.

„Това наистина е огромен пробив“, коментира космологът Стейси Макго (Stacy McGaugh) от Университета Case Western Reserve в Охайо. „В продължение на години, вече десетилетия, хората до голяма степен игнорират MOND, защото изглеждаше невъзможно да се направи това, което Скордис и Злосник направиха сега.

Но Дейвид Спергел (David Spergel), космолог от института Flatiron в Ню Йорк, намира новия модел за „бароков“. Той твърди, че релативистичните модели на MOND работят само чрез „всъщност постулирайки сложна форма на тъмна материя“.

Космологът Катрин Фрийз от Тексаския университет поздравява изследователите за тяхното постижение.

„Голям подвиг е да се изгради релативистична версия на MOND, която е в състояние да съвпадне с всички съществуващи данни, особено да съвпадне с CMB данните заедно с феноменологията на MOND в галактиките“, коментира тя. „Моделът обаче има много съставки“, отбелязва Фрийз. „Аз самата все пак бих гласувала за тъмната материя като по-просто обяснение“.

Макго е на друго мнение, той смята, че моделите на тъмната материя не могат да обяснят всичко, например изобилието на литий във Вселената или несъответствията между различните видове измервания на скоростта на космическо разширение.

Новият модел MOND може да успее да реши тези проблеми, но Скордис обяснява, че ще е нужно още време за разработване на теоретичните подробности. Той смята, че моделът може да бъде проверен по други начини, например чрез сравняване на неговите прогнози с наблюдения на галактически купове или чрез търсене на следи от модифициращите гравитацията полета в гравитационните вълни.

Теса Бейкър (Tessa Baker), експерт по алтернативни гравитационни модели от Лондонския университет Queen Mary, отбелязва, че ако детекторите на тъмна материя продължат да остават празни, „тогава може да се повиши интересът към това семейство от модифицирани гравитационни модели“.

Справка: Constantinos Skordis et al, New Relativistic Theory for Modified Newtonian Dynamics, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.161302

New MOND theory able to account for cosmic microwave background - Bob Yirka , Phys.org

Dark Matter Alternative Passes Big Test - Michael Schirber, Physics