Sind modifizierte Gravitationstheorien glaubwürdig?

Ausgezeichnete Frage!

Kurz gesagt gibt es zwei logische Möglichkeiten, die Daten zu erklären:

1. Es gibt dunkle Materie und eine kosmologische Konstante (Standardmodell)
2. Die Schwerkraft muss modifiziert werden

Interessanterweise haben beide Möglichkeiten einen historischen Präzedenzfall:

• Die Entdeckung von Neptun (durch Johann Gottfried Galle und Heinrich Louis d'Arrest) ein Jahr nach seiner Vorhersage durch Urbain le Verrier war eine Erfolgsgeschichte für die Idee der Dunklen Materie.
  (Natürlich war es nach seiner Entdeckung durch Astronomen nicht mehr dunkel...)
• Die Nichtentdeckung von Vulcan war ein Scheitern der Idee der Dunklen Materie – stattdessen musste die Schwerkraft von Newton zu Einstein modifiziert werden.
  (Lustigerweise WURDE Vulcan tatsächlich ein Jahr nach seiner Vorhersage durch Urbain le Verrier von Lescarbault beobachtet, aber diese Beobachtung wurde nie von jemand anderem bestätigt.)

Sie fragen also im Grunde: Befinden wir uns in einem Neptun- oder Vulkan-Szenario? Und könnte das Vulkan-Szenario nicht glaubwürdiger sein?

Die wahrscheinliche Antwort scheint nein zu sein. Modifikationen der Gravitation, die galaktische Rotationskurven zu erklären scheinen, stehen normalerweise entweder im Konflikt mit Präzisionstests des Sonnensystems (bei denen Einsteins Theorie außerordentlich gut funktioniert) oder sie sind kompliziert und weniger prädiktiv als Einsteins Theorie (wie TeVeS) oder sie sind von vornherein keine Theorien (wie MOND).

Neben dem Gravitationsbeweis für Dunkle Materie gibt es auch indirekte Beweise aus der Teilchenphysik. Wenn Sie beispielsweise an die Große Vereinigung glauben, müssen Sie auch die Supersymmetrie akzeptieren, sodass die Kopplungskonstanten in einem Punkt auf der GUT-Skala verschmelzen. Dann haben Sie einen natürlichen Kandidaten für dunkle Materie, das leichteste supersymmetrische Teilchen. Es gibt auch andere Vorhersagen der Teilchenphysik, die zu Kandidaten für dunkle Materie führen, wie Axionen. Der Punkt ist also, dass es keinen Mangel an Kandidaten für dunkle Materie gibt (eher eine Fülle von ihnen), die für die galaktischen Rotationskurven, die Dynamik von Haufen, die Strukturbildung usw. verantwortlich sein könnten.

Beachten Sie auch, dass das Standardmodell der Kosmologie ein ziemlich genaues Modell ist (auf Prozentebene) und etwa 23 % dunkle Materie erfordert. Es gibt viele unabhängige Messungen, die dieses Modell untersucht haben (CMB-Anisotropien, Supernovae-Daten, Cluster usw.), daher haben wir angemessenes Vertrauen in seine Gültigkeit.

In gewisser Weise ist der beste Beweis für Dunkle Materie vielleicht das Fehlen guter Alternativen.

Solange dunkle Materie jedoch nicht direkt durch ein Teilchen-/Astroteilchenphysik-Experiment nachgewiesen wird, ist es wissenschaftlich vernünftig, nach Alternativen zu suchen (ich bekenne mich in dieser Hinsicht schuldig). Es scheint nur zweifelhaft, ob eine Ad-hoc-Alternative alle Beobachtungstests besteht.

Während es möglich ist, dass die Schwerkraft noch modifiziert werden muss, erscheint es immer unwahrscheinlicher, dass es keine Form von Dunkler Materie gibt. Insbesondere die Beobachtung des Kugelhaufens ist eine große Herausforderung für die verschiedenen modifizierten Gravitationstheorien (obwohl die zusätzlichen Felder in so etwas wie bimetrischer Gravitation oder TeVeS wohl auf andere Weise selbstkoppelnd sein könnten als die gewöhnlichen Felder und dies könnte das sein, was die Trennung herbeiführt, aber das ist bestenfalls gekünstelt). Die grundlegende MOND-Idee muss ziemlich verzweifelt erweitert werden, um auch Dunkle Materie in Galaxienhaufen zu erklären.

Darüber hinaus ergibt die Betrachtung kosmologischer „Freeze-out“-Szenarien, in denen dunkle Materie bei einer hohen Temperatur im frühen Universum aus dem Gleichgewicht mit gewöhnlicher Materie gerät, ein Modell, das mit aktuellen Nukleosynthesedaten und der beobachteten Häufigkeit dunkler Materie übereinstimmt. Dies ist ein ziemlich starker Beweis dafür, dass an der Hypothese des Standardmodells der Dunklen Materie etwas dran ist.

Aber noch einmal, es ist nicht ganz unmöglich, dass es eine Art modifizierte Schwerkraft gibt. Schließlich müssen Quanteneffekte irgendwann die Schwerkraft modifizieren. Es wäre falsch, nicht danach zu suchen, nur weil eine andere Hypothese gerade besser erscheint.

Ja. Modifizierte Gravitationstheorien sind glaubwürdig. Daniel Grumiller und Jerry Schirmer haben auf einige Argumente dagegen hingewiesen, aber es gibt auch tiefe, potenziell hartnäckige Probleme mit einem Ansatz mit Teilchen aus dunkler Materie. Auch das Gewicht der Beweise, die sich verschoben haben, da Astronomen, Teilchenphysiker und Theoretiker uns mit relevanteren Beweisen und mehr Ideen zur Lösung des Problems versorgt haben, selbst in den letzten Jahren in diesem sehr aktiven Bereich der laufenden Forschung.

Das ist so, wie es sein sollte, denn Phänomene der Dunklen Materie stellen den auffälligsten Fall dar, der heute existiert, wo die Kombination der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Standardmodells der Teilchenphysik die empirischen Beweise einfach nicht erklären kann, ohne irgendeine Art neuer Physik.

1. Jede tragfähige Theorie der Dunklen Materie muss in der Lage sein zu erklären, warum die Verteilung der leuchtenden Materie in einer Galaxie die beobachteten Phänomene der Dunklen Materie so genau und mit so geringer Streuung in mehrfacher Hinsicht wie Rotationskurven und Ausbuchtungsgrößen vorhersagt . Diese Beziehungen bleiben sogar in Fällen bestehen, die in einer Nicht-Gravitationstheorie natürlicherweise nicht gelten sollten. Zum Beispiel zeigen planetarische Nebel und entfernt rotierende elliptische Galaxien die gleiche Dynamik wie Sterne am Rand von Spiralgalaxien. In ähnlicher Weise bleiben diese Beziehungen in gasreichen Galaxien und Zwerggalaxien bestehen(die wie vorhergesagt etwa 0,2 % gewöhnliche Materie haben, wenn GR in einem Universum mit insgesamt 17 % dunkler Materie korrekt ist), obwohl sie außerhalb des Rahmens der Daten liegen, die zur Formulierung der Theorien verwendet wurden.

Einer der erfolgreicheren jüngsten Bemühungen, die baryonische Tully-Fischer-Beziehung mit CDM-Modellen zu reproduzieren, ist LV Sales, et al., „ The low-mass end of the baryonic Tully-Fisher relation “ (5. Februar 2016). Es erklärt:

[D]ie Literatur ist übersät mit gescheiterten Versuchen, die Tully-Fisher-Beziehung in einem von kalter dunkler Materie dominierten Universum zu reproduzieren. Direkte Galaxienentstehungssimulationen haben zum Beispiel über viele Jahre beständig Galaxien hervorgebracht, die so massereich und kompakt waren, dass ihre Rotationskurven steil abfielen und im Allgemeinen schlecht mit der Beobachtung übereinstimmten. Sogar halbanalytische Modelle, bei denen Galaxienmassen und -größen an die Beobachtung angepasst werden können, hatten Schwierigkeiten, die Tully-Fisher-Beziehung zu reproduzieren, die typischerweise Geschwindigkeiten bei einer bestimmten Masse vorhersagt, die signifikant höher sind als die beobachteten, es sei denn, es werden etwas willkürliche Anpassungen an der Reaktion vorgenommen der dunkle Heiligenschein.

Das Papier schafft es, die Tully-Fisher-Beziehung nur mit einem Modell zu simulieren, das sechzehn Parameter hat, die sorgfältig "kalibriert wurden, um mit der beobachteten Galaxien-Sternmassenfunktion und den Größen von Galaxien bei z = 0 übereinzustimmen" und "ausgewählt wurden, um der Umgebung der Lokalen Gruppe zu ähneln". of Galaxies" jedoch und kämpft immer noch darum, die Ein-Parameter-Anpassungen des MOND-Spielzeugmodells von vor drei Jahrzehnten zu reproduzieren. Jeder Datensatz kann durch fast jedes Modell beschrieben werden, solange es genügend einstellbare Parameter hat.

Ein Großteil der Verbesserung gegenüber früheren Modellen ist auf Bemühungen zurückzuführen, eine Rückkopplung zwischen baryonischer und dunkler Materie in die Modelle einzubeziehen, aber dies wurde im Allgemeinen auf eine Art und Weise durchgeführt, die eher ad hoc ist, als dass es fest in einer strengen Theorie oder empirischen Beobachtungen verwurzelt ist Feedbackprozesse in Aktion.

Eines der hartnäckigeren Probleme mit Simulationen, die auf einem Partikelmodell der Dunklen Materie basieren, auf das beispielsweise in Alyson M. Brooks, Charlotte R. Christensen, „ Bulge Formation via Mergers in Cosmological Simulations “ (12. November 2015) hingewiesen wurde, ist dass ihr Galaxien- und Massenansammlungsmodell den Anteil der Spiralgalaxien in der realen Welt, die keine Wölbungen aufweisen, dramatisch unterschätzt, was eine inhärente Schwierigkeit bei dem Prozess darstellt, durch den Anteile dunkler Materie und baryonischer Materie in Partikelmodellen dunkler Materie korreliert werden, was kein Problem darstellt für modifizierte Gravitationsmodelle. Sie stellen fest, dass:

[Wir] demonstrieren auch, dass es für aktuelle stellare Rückkopplungsmodelle sehr schwierig ist, die kleinen Ausbuchtungen zu reproduzieren, die in massereicheren Scheibengalaxien wie der Milchstraße beobachtet werden. Wir argumentieren, dass Feedback-Modelle verbessert werden müssen oder dass eine zusätzliche Feedback-Quelle wie AGN notwendig ist, um die erforderlichen Abflüsse zu generieren.

Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert natürlich keinen solchen Rückkopplungsmechanismus.

2. Die Tatsache, dass es möglich ist, so ziemlich alle galaktischen Rotationskurven mit einem einzigen Parameter zu erklären, impliziert, dass jede Theorie der Dunklen Materie auch nicht zu komplex sein darf, da sonst mehr Parameter erforderlich wären, um die Daten anzupassen. Die Beziehungen, die modifizierte Gravitationstheorien zeigen, sind real, unabhängig davon, ob der vorgeschlagene Mechanismus, der diese Beziehungen hervorruft, real ist oder nicht. Eine Theorie der dunklen Materie sollte nicht mehr Freiheitsgrade haben als eine Spielzeugmodelltheorie, die dieselben Daten erklären kann. Die Anzahl der Freiheitsgrade, die zur Erklärung eines Datensatzes erforderlich sind, ist unabhängig von der besonderen zugrunde liegenden Natur der richtigen Theorie zur Erklärung dieser Daten.

Obwohl ich im Moment keine Referenzen dazu habe, haben frühe Simulationen dunkler Materie schnell gezeigt, dass Modelle mit einer primären Art dunkler Materie viel besser zu den Daten passen als solche mit mehreren Arten dunkler Materie, die wesentlich dazu beitragen diese Phänomene.

Dieses Erfordernis der Einfachheit schränkt die Klasse der Kandidaten für Dunkle Materie, die in Betracht gezogen werden müssen, und damit die Anzahl der tragfähigen Theorien über Teilchen der Dunklen Materie, mit denen eine modifizierte Gravitationstheorie in einem Glaubwürdigkeitswettbewerb konkurrieren muss, erheblich ein.

3. Es gibt ziemlich strenge Beschränkungen aus astronomischen Beobachtungen für den Parameterraum der Dunklen Materie. Alyson Brooks, „ Re-Examining Astrophysical Constraints on the Dark Matter Model “ (28. Juli 2014). Diese schließen so ziemlich alle Modelle kalter dunkler Materie aus, mit Ausnahme von "warmer dunkler Materie" (WDM) (bei einer Masse im keV-Maßstab, die am unteren Rand des vom LamdaCDM-Modell zugelassenen Bereichs liegt) und "selbstwechselwirkender dunkler Materie" (SIDM). (was Problemen entgeht, die ansonsten Modelle kalter dunkler Materie mit einer fünften Kraft plagen, die nur zwischen Partikeln dunkler Materie wirkt, die mindestens ein Fermion jenseits des Standardmodells und eine Kraft jenseits des Standardmodells erfordern, die von einem neuen massiven Boson mit einer Masse in der Größenordnung getragen wird von 1-100 MeV).

4. Direkte Nachweisexperimente (insbesondere LUX) schließen alle Kandidaten für dunkle Materie aus, die über eine der drei Kräfte des Standardmodells (einschließlich der schwachen Kraft) bei Massen bis hinunter zu 1 GeV (auch hier ) interagieren.

5. Ein weiterer Schlag ist die Nichterkennung von Vernichtungs- und Zerfallssignaturen. Vielversprechende Daten aus der Beobachtung des galaktischen Zentrums durch den Fermi-Satelliten wurden nun weitgehend als Signaturen dunkler Materie bei Samuel K. Lee, Mariangela Lisanti, Benjamin R. Safdi, Tracy R. Slatyer und Wei Xue ausgeschlossen. "Beweise für ungelöste Gammastrahlen-Punktquellen in der Inneren Galaxie." Phys. Rev. Lett. (3. Februar 2016). Und Anzeichen, die wie ein Signal für die Vernichtung warmer dunkler Materie aussahen, haben sich ebenfalls als falscher Alarm erwiesen .

6. Das CMS-Experiment am LHC schließt eine signifikante Klasse von WIMP-Kandidaten für dunkle Materie mit geringer Masse aus, während andere LHC-Ergebnisse im Wesentlichen alle möglichen supersymmetrischen Kandidaten für dunkle Materie ausschließen. Wenn SUSY-Partikel existieren, wären sie sowohl zu schwer, um warme Dunkle Materie zu bilden (fast alle Arten von SUSY-Partikeln werden bis zu etwa 40 GeV vom zu schweren LHC ausgeschlossen), als auch ihnen würde die richtige Art von Selbstwechselwirkung fehlen in einem SUSY-Kontext dazu zwingen, ein SIDM-Kandidat zu sein. Dies hat besonders weitreichende Auswirkungen, da SUSY die Niedrigenergie-Effektivtheorie fast aller populären GUT-Theorien und brauchbarer Vakua der Stringtheorie ist.

7. Während MOND dunkle Materie in Galaxienhaufen benötigt, einschließlich des besonders herausfordernden Falls des Kugelhaufens, wird dieser Mangel nicht von allen modifizierten Gravitationstheorien geteilt (siehe zB hier und hier ). Viele der Theorien, die den Kugelhaufen erfolgreich erklären können, tun dies vor allem deshalb, weil die Kollision in Gas- und Galaxienkomponenten zerlegt werden kann, die unter den betreffenden Theorien voneinander unabhängige Wirkungen haben. Der Bullet-Cluster ist auch eine der Hauptbeschränkungen für den SIDM-Parameterraum (der selbst im Grunde genommen die Schwerkraft modifiziert, dies jedoch nur im dunklen Sektor tut und diese Modifikationen nur auf Partikel der dunklen Materie beschränkt) und ist schwer mit Partikeln der dunklen Materie in Einklang zu bringen Theorien.

8. Es ist in einer modifizierten Gravitationstheorie möglich, aber sehr herausfordernd in einer Teilchentheorie der dunklen Materie, zu erklären, warum das Verhältnis von Masse zu Leuchtkraft von elliptischen Galaxien um den Faktor vier variiert, systemisch basierend auf dem Grad, in dem sie kugelförmig sind oder nicht.

9. Viele der modifizierten Gravitationsvorschläge, die reif genug sind, um Aufmerksamkeit auf ihre Anpassung an kosmologische Daten zu lenken, können diesen Test ebenfalls bestehen. Siehe zB hier .

10. Kurz gesagt, während eine Dunkle-Materie-Hypothese allein die scheinbar fehlende Materie in jeder gegebenen Situation erklären kann, müssen Sie, um eine beschreibende Theorie zu erhalten, in der Lage sein, die hochspezifische Art und Weise zu beschreiben, in der sie relativ zur Materie im Universum verteilt ist baryonische Materie im Universum, idealerweise auf eine Weise, die neue Phänomene vorhersagt, anstatt lediglich bereits beobachtete Ergebnisse nachzudiktieren, die in die Formulierung des Modells eingeflossen sind.

Modifizierte Gravitationstheorien waren wiederholt prädiktiv, während Theorien über dunkle Materie immer noch nicht herausgefunden haben, wie man sie richtig im Universum verteilt, ohne bei der Einrichtung der Modelle, die sie testen, zu "schummeln", und keine korrekten Vorhersagen über neue Phänomene treffen konnten unterhalb der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlungsskala der Kosmologie.

Fazit

Um es klar zu sagen, ich behaupte nicht, dass die modifizierte Gravitation tatsächlich eine korrekte Erklärung aller oder einiger der Phänomene ist, die der dunklen Materie zugeschrieben werden, noch behaupte ich, dass irgendeine der derzeit weit verbreiteten Theorien der modifizierten Gravitation tatsächlich korrekte Beschreibungen der Natur sind.

Aber die Beispiele von modifizierten Gravitationstheorien, die wir haben, reichen aus, um deutlich zu machen, dass irgendeine Art von modifizierter Gravitationstheorie eine glaubwürdige mögliche Lösung für das Problem der Phänomene der Dunklen Materie ist.

Es ist auch eine glaubwürdigere Lösung als früher, weil die Argumente für die populärsten Theorien über Teilchen der dunklen Materie immer weniger überzeugend geworden sind, da verschiedene Arten von Kandidaten für dunkle Materie ausgeschlossen wurden und mehr Daten den verfügbaren Parameterraum eingeengt haben die Kandidaten für dunkle Materie. Das „WIMP-Wunder“, das viele frühe Vorschläge zur Dunklen Materie motivierte, ist tot.

Obwohl diese Antwort nicht alle möglichen Kandidaten für dunkle Materie umfassend überprüft und sie positiv ausschließt (was den Rahmen der Frage sprengt), macht sie deutlich, dass keine der einfachen Lösungen, von denen allgemein erwartet wurde, dass sie im 20 Jahrhunderts haben den Test der Zeit bis ins Jahr 2016 überstanden. In den letzten sechs Jahren haben nur wenige brauchbare Theorien über Teilchen der Dunklen Materie überlebt, während unzählige neue modifizierte Gravitationstheorien entwickelt und nicht ausgeschlossen wurden.