Jedna od najvećih zagonetki u astrofizici danas jest činjenica da se sile unutar galaksija ne podudaraju s očekivanjima. Galaksije se okreću brže nego što bi se predvidjelo primjenom Newtonovog zakona gravitacije na vidljivu materiju, unatoč tome što ti zakoni dobro funkcioniraju svugdje unutar Sunčevog sustava.

Kako bi se spriječilo raspadanje galaksija, potrebna je dodatna gravitacija. Zato je prvotno predložena ideja o nevidljivoj tvari nazvanoj tamna materija. Međutim, ta materija nikada nije izravno promatrana. U iznimno uspješnom Standardnom modelu fizike čestica ne postoji čestica koja bi mogla biti tamna materija – mora biti riječ o nečemu iznimno egzotičnom.

To je dovelo do suparničke ideje da se radi o kvaru Newtonovih zakona. Najuspješnija takva ideja poznata je kao Milgromova dinamika ili Mond, koju je 1982. godine predložio izraelski fizičar Mordehai Milgrom. No, naše nedavne studije pokazuju da je ova teorija u problemima.

Glavna postavka Monda jest da gravitacija počinje djelovati drugačije od Newtonovih očekivanja kada postane vrlo slaba, kao na rubovima galaksija. Mond je prilično uspješan u predviđanju rotacije galaksija bez tamne materije i ima još nekoliko uspjeha. No, mnoge od tih pojava također se mogu objasniti tamnom materijom, očuvajući Newtonove zakone.

Kako definitivno testirati Mond? Na tome radimo već mnogo godina. Ključ je u tome što Mond mijenja ponašanje gravitacije samo pri niskim ubrzanjima, a ne na specifičnoj udaljenosti od objekta. Osjetit ćete manje ubrzanje na periferiji bilo kojeg nebeskog objekta – planeta, zvijezde ili galaksije – nego kada ste mu blizu. Ali to je količina ubrzanja, a ne udaljenost, koja predviđa gdje bi gravitacija trebala biti jača.

To znači da, iako bi efekti Monda obično počeli djelovati nekoliko tisuća svjetlosnih godina od galaksije, ako pogledamo pojedinačnu zvijezdu, efekti bi postali vrlo značajni na desetinu svjetlosne godine. To je samo nekoliko tisuća puta veće od astronomske jedinice (AU) – udaljenosti između Zemlje i Sunca. No, slabiji efekti Monda također bi se mogli detektirati na čak manjim skalama, poput vanjskog Sunčevog sustava.

Tu dolazimo do misije Cassini, koja je kružila oko Saturna između 2004. i njezinog konačnog sudara s planetom 2017. Saturn kruži oko Sunca na udaljenosti od 10 AU. Zbog osobitosti Monda, gravitacija ostatka naše galaksije trebala bi uzrokovati odstupanje Saturnove orbite od Newtonovih očekivanja na suptilan način.

To se može testirati mjerenjem vremena radio-impulsa između Zemlje i Cassinija. Budući da je Cassini kružio oko Saturna, to je pomoglo u mjerenju udaljenosti Zemlje-Saturn i omogućilo nam precizno praćenje Saturnove orbite. No, Cassini nije našao nikakvu anomaliju kakvu bi Mond predvidio. Newton i dalje dobro funkcionira za Saturn.

Harry Desmond nedavno je objavio studiju koja istražuje rezultate dublje. Možda bi Mond odgovarao podacima s Cassinija ako bismo prilagodili kako izračunavamo mase galaksija na temelju njihove svjetlosti? To bi utjecalo na to koliko dodatne gravitacije Mond mora pružiti kako bi odgovarao modelima rotacije galaksija, a time i što bismo trebali očekivati za Saturnovu orbitu.

Druga neizvjesnost je gravitacija iz okolnih galaksija, koja ima manji učinak. No, studija je pokazala da, s obzirom na to kako bi Mond morao funkcionirati da se podudara s modelima rotacije galaksija, ne može se uklopiti ni u rezultate praćenja radio-impulsa s Cassinijem – bez obzira na to kako prilagođavamo izračune.

S standardnim pretpostavkama koje su astronomi smatrali najvjerojatnijima i uzimajući u obzir širok raspon neizvjesnosti, šansa da se Mond podudara s rezultatima Cassinija jednaka je šansi da novčić padne na glavu 59 puta zaredom. To je više od dvostruke "5 sigma" zlatne norme za otkriće u znanosti, što odgovara otprilike 21 bacanju novčića zaredom.

Još loših vijesti za Mond
To nije jedina loša vijest za Mond. Drugi test pružaju široki binarni sustavi – dvije zvijezde koje orbitiraju zajednički centar nekoliko tisuća AU udaljene. Mond je predvidio da bi takve zvijezde trebale orbitirati jedna oko druge 20% brže od očekivanog s Newtonovim zakonima. No, jedan od nas, Indranil Banik, nedavno je vodio vrlo detaljnu studiju koja odbacuje ovu predikciju. Šansa da Mond bude točan s obzirom na te rezultate jednaka je šansi da pošten novčić padne na glavu 190 puta zaredom.

Rezultati još jednog tima pokazuju da Mond također ne uspijeva objasniti male tijela u udaljenom vanjskom Sunčevom sustavu. Kometi koji dolaze iz tog područja imaju znatno užu distribuciju energije nego što Mond predviđa. Ta tijela također imaju orbite koje su obično samo malo nagnute prema ravnini u kojoj svi planeti orbitiraju blizu. Mond bi uzrokovao mnogo veće nagibe.

Newtonova gravitacija snažno je preferirana nad Mondom na duljinama manjim od otprilike svjetlosne godine. No, Mond također ne uspijeva na skalama većim od galaksija: ne može objasniti gibanja unutar galaktičkih skupova. Tamna materija je prvi put predložena od strane Fritza Zwickyja tridesetih godina prošlog stoljeća kako bi objasnila nasumična gibanja galaksija unutar Coma skupa, što zahtijeva više gravitacije za održavanje zajedno nego što vidljiva masa može pružiti.

Mond ne može pružiti dovoljno gravitacije ni u središnjim dijelovima galaktičkih skupova. No na njihovim periferijama, Mond pruža previše gravitacije. Pretpostavka o Newtonovoj gravitaciji, s pet puta više tamne materije od normalne materije, čini se da dobro odgovara podacima.0

Standardni model tamne materije u kozmologiji nije savršen. Postoje stvari koje teško objašnjava, od stope širenja svemira do golemih kosmičkih struktura. Dakle, možda još nemamo savršen model. Čini se da tamna materija ostaje, ali njezina priroda može biti drugačija od onoga što predlaže Standardni model. Ili gravitacija može biti jača nego što mislimo – ali samo na vrlo velikim skalama.

Mond, kako je trenutno formuliran, ne može se smatrati održivom alternativom tamnoj materiji. Možda nam se to ne sviđa, ali tamna strana i dalje ima prevlast.

Original:
Indranil Banik
Postdoktorski znanstveni suradnik u astrofizici, Sveučilište St Andrews
Harry Desmond
Viši znanstveni suradnik kozmologije, Sveučilište u Portsmouthu