Pravijo, da je v Vesolju največ temne snovi (če govorimo o snovi na splošno). Pa vendar ga v vsakdanjem življenju praktično ne srečamo. Vemo, da je Sonce - najmasivnejši objekt v Osončju - narejeno iz navadne snovi (protoni, nevtroni in elektroni), obstaja pa še veliko drugih virov, vključno s planeti, plinom, prahom, plazmo in ostanki zvezd. Temna snov ni med njimi - in niti standardni model ne opisuje svojih delcev. Temna snov seveda ni edini način za razlago opaženih gravitacijskih pojavov v vesolju. Druga možnost je spremeniti teorijo gravitacije, kar so mnogi že poskušali storiti. To je porodilo idejo o spremenjeni Newtonovi dinamiki (MOND) in drugih teorijah, ki so še vedno priljubljena alternativa temni snovi.
Da bi nekje začeli, se moramo vrniti v 19. stoletje in se pogovoriti o problemu, ki je obstajal že pred tem, ko poskušata rešiti temno snov "manjkajoča masa" (ali "manjkajoča svetloba") in MOND: problem Uran-Merkur. Newtonov zakon gravitacije, ki ga je Newton uvedel že v 1600. letih, je bil neverjetno uspešen pri opisovanju vsega - kolikor vemo - tistega, za kar je bil uporabljen. Od premikanja izstrelkov do kotalnih predmetov; od teže predmetov do tiktakanja nihalne ure; od vzgona čolna do lunine orbite okoli Zemlje Newtonova gravitacija ni nikoli odpovedala.
Keplerjevi trije zakoni, poseben primer Newtonove gravitacijske formule, se uporabljajo za vse znane planete v enaki meri:
1. Planeti se gibljejo v elipsah s Soncem v enem od žarišč.
2. Vsak planet se premika v ravnini, ki poteka skozi središče Sonca in v enakih časovnih intervalih vektor polmera, ki povezuje Sonce in planet, opisuje enaka območja.
3. Kvadrati obdobij obratov planetov okoli Sonca se imenujejo kocke pol glavnih osi planetovih orbit.
Vsi znani notranji in zunanji svet so spoštovali te zakone, tako da sto let niso odkrivali nobenih odstopanj. Toda z odkritjem Urana leta 1781 se je nekaj spremenilo. Medtem ko se je zadnji odkriti planet gibal v elipsi okoli Sonca, se je v primerjavi z napovedanimi gravitacijskimi zakoni gibal z napačno hitrostjo.
Promocijski video:
V prvih 20 letih od odprtja se je premikal hitreje, vsako noč in vsako leto, kot so narekovali zakoni. V naslednjih 20-25 letih se je planet premikal v skladu z zakoni. Potem pa se je upočasnilo in hitrost je padla pod napovedano.
Je prišlo do napake v gravitacijskem zakonu? Mogoče. Mogoče pa je tudi, da je bilo nekaj več snovi - nekaj nevidnega, temnega -, ki je vplivalo na Uran in povzročalo motnje v njegovi orbiti. To je bolj kot resnica. Po teoretični vojni med Urbainom Le Verrierjem in Johnom Coachom Adamsom, ki sta delala neodvisno in napovedovala lokacijo novega planeta, sta Le Verrierjeva napovedi 23. septembra 1846 potrdila Johann Halle in njegov pomočnik Heinrich d'Arre. Odkrit je bil planet Neptun, prvi objekt, o katerem smo sklepali po učinkih njegove mase: gravitacijski vpliv.
Po drugi strani pa je notranji planet Merkur - zaradi povečane natančnosti opazovanj in v kombinaciji s posvetnimi podatki - začel kazati še bolj nenavadno kršitev zakonov gravitacije. Če so Keplerjevi zakoni predvidevali, da se morajo planeti gibati po idealnih elipsah s Soncem v enem od žarišč, potem pod pogojem, da ni drugih mas, ki kršijo sistem ali vplivajo nanj. Toda naokoli ni množic in Merkur se ne premika po popolni elipsi. Njegova elipsa se sčasoma prekine.
Z uporabo Newtonovih zakonov gravitacije bi lahko upoštevali vpliv vseh znanih planetov (vključno z Neptunom). Po vsem tem bi ugotovili, da med napovedanim in opazovanim ostaja majhno neskladje: 43-odstotna precesija na stoletje ali 0,012 stopinje na stoletje. A to ni bila nesreča.
Kakšna je razlaga tokrat? Je ta nova nevidna masa povezana z notranjostjo Merkurja? Ali pa se je resnični problem prikradel v zakon gravitacije? Temeljito iskanje odgovora na to vprašanje je pripeljalo do novega teoretičnega planeta Vulcan, ki bi moral biti bližje Soncu kot vsi ostali. Toda nobenega vulkana niso našli. Rešitev je prišla leta 1915, ko je Einstein predstavil svojo teorijo splošne relativnosti.
Zdaj bomo preskočili čas do sedemdesetih let - do številnih znanstvenih opažanj Vere Rubin. Opazujemo posamezne galaksije - zlasti galaksije ob robu - in merimo njihove profile hitrosti. Pogledamo eno stran galaksije in vidimo, da se premika proti nam (z modrim premikom), gledamo drugo - odmika se od nas (z rdečim premikom) in tako določimo vrtenje galaksije. Kaj pričakujemo od njih? Tako kot naš sončni sistem se morajo tudi notranje zvezde vrteti hitreje in čim dlje od središča mora biti hitrost nižja. Toda tega ne najdemo.
Namesto tega hitrost vrtenja vsake posamezne galaksije ostaja nespremenjena ne glede na razdaljo. Zakaj? Spet obstajata dve možnosti: ali je treba gravitacijske zakone izboljšati ali pa moramo domnevati, da obstaja nevidna odvečna masa.
MOND je prvič opazil Moti Milgrom leta 1981, ki je opazil, da če bi spremenili zakon gravitacije pri zelo majhnih pospeških - nekaj podobnega kot del nanometra na sekundo na kvadrat -, bi lahko razložili te rotacijske krivulje. Poleg tega bi enaka sprememba, ena in dosledna, lahko razložila vrtenje vseh galaksij, od najmanjše do največje. MOND to še vedno počne in to dobro.
Temna snov pa nakazuje, da poleg običajnih delcev Standardnega modela in navadne snovi "protonov, nevtronov in elektronov", ki tvorijo skoraj vse, kar poznamo, obstaja tudi nova vrsta snovi. Za razlago rotacijskega pojava je bilo predlagano, da se vstavi velik halo snovi, ki ne vpliva na svetlobo, vendar se ne drži skupaj in ne vpliva na navadno snov, razen gravitacijsko. To je bila ideja temne snovi.
Temna snov lahko razloži te rotacijske krivulje, vendar tega ne počne tako dobro kot MOND. Numerične simulacije haloov, ki ustvarijo tudi najpreprostejše modele temne snovi, se ne ujemajo z opazovanji; halosi so preveč "podrti" v sredini in preveč "puhasti" na obrobju. (S tehničnega vidika se zdi, da so bolj izotermični, kot je bilo pričakovano). Skratka, MOND je bil sprva jasen vodja.
Toda tam se je začelo celo vesolje. Ko predlagate novo teorijo, ki bo nadomestila staro - kako je splošna relativnost nadomestila Newtonove zakone - mora vaša teorija izpolnjevati tri principe:
1. Ponašati mora popoln uspeh prejšnje vodilne teorije.
2. Uspešno mora razložiti nov pojav (ali pojave), za katerega je bil ustvarjen.
3. In narediti mora nove napovedi, ki bodo eksperimentalno ali opazovalno preverjene, potrjene ali ovržene, tako da bo to edinstveno za novo teorijo.
Govorimo o vseh uspehih prejšnje vodilne teorije, ki so številni.
Obstaja gravitacijsko ukrivljenost zvezdne svetlobe po masi, močno in šibko gravitacijsko leče. Obstaja učinek Shapiro. Obstaja gravitacijsko dilatacija časa in gravitacijski rdeči premik. Obstaja koncept Velikega poka in koncept naraščajočega vesolja. V jatah se gibljejo galaksije in v največjih lestvicah se kopičijo same galaksije.
V primeru vseh teh primerov - vseh - MOND trpi poraz, bodisi s tem, da ne ponuja nobenih napovedi ali pa daje napovedi, ki so frustrirajoče v neskladju z razpoložljivimi podatki. Upravičeno lahko poudarite, da MOND ni bil nikoli namenjen popolni teoriji, temveč opisu enega pojava, ki bi lahko pripeljal do popolnejše teorije. Mnogi ljudje delajo na razširitvi MOND, ki bi lahko pojasnila ta opažanja, vendar neuspešno.
Če pa nadaljujete Einsteinov zakon gravitacije in dodate samo novo sestavino, hladno temno snov, lahko razložite vse, tudi nekaj nenavadnih novih odtenkov.
Vzorec združevanja, ki ga opazimo v obsežni strukturi vesolja, lahko razložite, če imate petkrat več temne snovi kot običajna snov.
In še bolj impresivno je, da lahko naredite povsem novo napoved: ko trčita dve jati galaksij, se plin v njih segreje, upočasni in odda rentgenske žarke, medtem ko masa, ki jo vidimo z gravitacijskim lečenjem, sledi temni snovi in jo nadomestijo rentgenski žarki. Ta nova napoved je bila eksperimentalno potrjena in velja že deset let, kar posredno potrjuje obstoj temne snovi.
Prednost MOND-a je v tem, da krivulje galaktičnega vrtenja razloži bolje kot temna snov. Toda to ni fizikalna teorija in ne ustreza celotnemu naboru opažanj, ki jih imamo. Temna snov obstaja - vsaj v teoriji -, ker nam daje isto vesolje, dosledno, brez kakršnih koli sprememb.
Toda trenutne okvare MOND-a, kozmološke, ga postavljajo pod temno snov. Naj reproducira vse uspehe splošne relativnosti, razlaga nove pojave, daje napovedi, ki jih je mogoče potrditi - in znanstveniki bodo nedvomno prešli v novo vero. Navsezadnje so dobri znanstveniki.