Międzynarodowy zespół astronomów próbuje ożywić alternatywną teorię grawitacji – MOND. Z jakim skutkiem?
Badania, którymi kierował dr Indranil Banik, wykazały, że prędkość rotacji gazu w pewnej galaktyce karłowatej może być zgodna z przewidywaniami modelu znanego jako MOND. Co ciekawe. wcześniejsze badania nad prędkościami rotacji gazu w tej galaktyce (noszącej nazwę AGC 114905, Mancera Piña i in. 2022) dowodziły, że gaz obraca się w niej bardzo powoli, zaprzeczając przewidywaniom MOND.
Zmodyfikowana dynamika newtonowska (Modified Newtonian Dynamics – MOND) jest hipotezą naukową dotyczącą budowy Wszechświata, w której zasady klasycznej dynamiki Newtona zmodyfikowane są o tzw. nieliniową zależność siły od przyspieszenia. Zabieg ten wprowadzony jest sztucznie, jako nowa propozycja wyjaśnienia niezgodności obserwowanych krzywych rotacji dla galaktyk spiralnych z oczekiwaniami co do sposobu ich rotacji, wynikającymi z samej mechaniki newtonowskiej.
Problem polega na tym, że galaktyki wydają się obracać tak szybko, że powinny się już dosłownie rozlecieć. MOND – dość kontrowersyjna alternatywa dla Ogólnej Teorii Względności, uchodzącej dziś ciągle za najlepszy opis zjawiska grawitacji, w którym ciemna materia jest jednak niezbędna do utrzymania galaktyk w całości – nie wymaga obecności ciemnej materii. Z uwagi na to, że ciemna materia nigdy jeszcze nie została bezpośrednio wykryta, wysuwane są różne hipotezy, aby wyjaśnić, co właściwie utrzymuje razem materię galaktyk. Od dekad trwają dyskusje, która z nich jest tą właściwą. Od czasu do czasu pojawiają się dodatkowo ciekawe dane obserwacyjne. Bardzo niska prędkość rotacji omawianej galaktyki okazała się na przykład niezgodna z teoretycznymi przewidywaniami dla Wszechświata rządzonego przez Ogólną Teorię Względności, w którym znajdowałyby się duże ilości ciemnej materii. Zespół dr. Banika argumentuje teraz jednak, że przewidywana prędkość rotacji takiej galaktyki w założeniach teorii MOND może być w zgodzie z obserwacjami – o ile tylko przyjąć, że wcześniej przeszacowano inklinację (nachylenie przestrzenne) obserwowanej galaktyki AGC 114905.
O co właściwie chodzi? Przede wszystkim rotacja gwiazd i gazu w odległych galaktykach nie może być zmierzona bezpośrednio. Z precyzyjnych pomiarów spektroskopowych znamy jedynie składowe jej prędkości wzdłuż naszej linii widzenia. Jeśli galaktyka jest więc przez nas widziana dokładnie naprzeciwko, jak gdyby twarzą w twarz (ang. face-on), to obracać się ona będzie głównie w naszej płaszczyźnie nieba. Mogłoby to wprowadzić obserwatorów w błąd, sugerując, że galaktyka w rzeczywistości obraca się bardzo wolno – w sytuacji, gdyby nieprawidłowo oszacowane zostało przez nich rzeczywiste nachylenie płaszczyzny jej galaktycznego dysku do płaszczyzny nieba. Nachylenie to bywa z kolei szacowane na podstawie tego, jak bardzo eliptyczna wydaje się nam dana galaktyka.
W ramach nowych badań przeanalizowano tę kluczową kwestię, wykorzystując szczegółowe symulacje komputerowe i przewidywania MOND dla galaktyki podobnej do AGC 114905 wykonane na Uniwersytecie Bonn m.in. przez Srikantha Nagesha. Symulacje pokazały, że taka galaktyka faktycznie może sprawiać wrażenie nieco bardziej eliptycznej, nawet gdy widzimy ją dokładnie na wprost, czyli face-on. Dzieje się tak, bo gwiazdy i gaz w galaktyce cały czas oddziałują ze sobą grawitacyjnie i mogą przyciągać się nawzajem, nadając jej całej nieco odmienny od kolistego kształt. Podobny proces powoduje powstawanie charakterystycznych ramion spiralnych w galaktykach dyskowych nazywanych galaktykami spiralnymi.
W efekcie taka galaktyka może leżeć względem nas pod nieco innym rzeczywistym kątem w stosunku do naszej linii widzenia czy też płaszczyzny nieba. To może wówczas oznaczać, że ona sama obraca się znacznie szybciej, niż wcześniej dla niej wyliczono. Co z kolei oznacza, że omawiany wyżej problem z teorią MOND staje się w dużej mierze nieaktualny. Zdaniem dr. Banika wyniki takich symulacji pokazują, że prawdziwe nachylenie AGC 114905 może być znacznie mniejsze niż podawane dawniej, a zatem ta galaktyka w rzeczywistości obraca się też znacznie szybciej, być może nawet zgodnie z przewidywaniami MOND.
Co więcej, Dr Hongsheng Zhao z Uniwersytetu St. Andrews uważa, że bardzo niska prędkość rotacji tej galaktyki, mająca wynikać z wcześniejszych badań, byłaby niezgodna zarówno z MOND, jak i ze standardowym modelem kosmologicznym z ciemną materią, ale jedynie teoria MOND jest w stanie skutecznie eliminować tę pozorną sprzeczność. Badania zdają się wręcz dowodzić, że podobny efekt „fałszywego nachylenia” z nieco mniejszym prawdopodobieństwem pojawia się w standardowym modelu kosmosu z Ogólną Teorią Względności i ciemną materią. Oznacza to, że galaktyka obserwowana "twarzą w twarz" może pozornie wyglądać na bardziej okrągłą, co potwierdzają też symulacje komputerowe przeprowadzone przez inną grupę naukowców (Sellwood i Sanders 2022). W rezultacie obserwowana eliptyczność takiej galaktyki może być spowodowana znacznym kątem nachylenia pomiędzy płaszczyzną jej dysku i płaszczyzną nieba. Prędkość rotacji gazu i gwiazd byłaby wtedy znacznie mniejsza, co sugerowałoby, że galaktyka ma stosunkowo niewiele ciemnej materii...
Czytaj więcej:
- Publikacja Overestimated inclinations of Milgromian disk galaxies: the case of the ultradiffuse galaxy AGC 114905, MNRAS 2022
- Publikacja No need for dark matter: resolved kinematics of the ultra-diffuse galaxy AGC 114905, Pavel E. Mancera Piña et al, MNRAS 2021
- Cały artykuł
- Dowody na istnienie galaktyk wolnych od ciemnej materii
Źródło: MNRAS/Phys.org
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Mapa radiowa rozkładu neutralnego wodoru w AGC 114905. Jej nachylenie zostało oszacowane na podstawie czarnej elipsy, która najlepiej pasuje do zebranych danych obserwacyjnych. Zakładając, że galaktyka jest kolista, gdy patrzy się na nią face-on, otrzymujemy raczej umiarkowany kąt nachylenia rzędu 32°. Jednak nowe badania sugerują, że również niebieska elipsa odpowiadająca bardzo małej inklinacji (kątowi nachylenia) może być poprawna, co tym samym może „ratować” teorię MOND, jeśli tylko ta galaktyka jest ze swej natury nieco mniej kolista. Autorzy dowodzą, że jest to możliwe w ramach symulacji MOND. Źródło: Mancera Piña et al.
