Ciemna materia ponownie sfalsyfikowana

Rok 2016 może być zapamiętany jako rok, w którym hipoteza ciemnej materii została w końcu oficjalnie obalona. Dwa niedawne naukowe badania[1][2] dostarczyły wyników, które mogą podnieść fatalne obiekcje dla istnienia ciemnej materii. W tym artykule, nasz gość, Barry Setterfield, rozpocznie naszą analizę od przeglądu początków hipotezy ciemnej materii oraz znaczenia owych nowych naukowych raportów z perspektywy Elektrycznego Wszechświata.

 

Przewidywana i zaobserwowana prędkość rotacji dysku galaktyki.

Oba badania obejmowały rolę tak zwanej ciemnej materii w utrzymywaniu obserwowanych prędkości rotacji galaktyk. To przede wszystkim prędkość rotacji galaktyk spowodowała wprowadzenie idei ciemnej materii. Stało się tak, gdyż zewnętrzne ramiona spiralne galaktyk obracały się wokół jądra tak szybko, jak wewnętrzne ramiona. Z punktu widzenia grawitacji należało się spodziewać, że gwiazdy w zewnętrznych ramionach będą wirowały znacznie wolniej, jak nasze planety zewnętrzne wirują wolniej wokół Słońca, niż wewnętrzne. Ponieważ galaktyki takie nie są, wprowadzono grawitacyjne oddziaływanie ciemnej materii. Ale oba artykuły pokazują, że ciemna materia nie zachowuje się, jak przewidywano. Jeden z profesorów astronomii niezależnie wywnioskował o wrześniowym artykule na temat tempa obrotów galaktyk, cytuję:

Nic w standardowym modelu kosmologicznym nie przewiduje tych rezultatów i było niemal niemożliwe do wyobrażenia, jak należałoby go zmienić, aby wyjaśnić to bez całkowitego porzucenia hipotezy ciemnej materii.
~ Matthew Pasek

Nieco później, jeden z autorów listopadowego artykułu, Paolo Salucci, skonkludował, że ich wyniki jasno pokazują naukowcom, że istnieje inny rodzaj fizyki, czekający na odkrycie i zgłębienie. Zatem te dwa artykuły sugerują, że idea ciemnej materii może zostać zakwestionowana, czeka na odkrycie inny rodzaj fizyki, lub jedno i drugie.

Dla kontekstu historycznego omówmy, dlaczego naukowcy po raz pierwszy zaproponowali istnienie ciemnej materii.

Kiedy Sir Isaac Newton opakował matematycznie sposób zachowania się masywnych ciał pod wpływem grawitacji, pozwoliło to na dokładny opis zachowania wszystkich obiektów w Układzie Słonecznym. Od tamtej pory astronomowie używali tego równania celem wyjaśnienia zachowania wszystkiego widocznego we Wszechświecie, od komet po gromady galaktyk. Prędkości, z jakimi poszczególne planety obiegają Słońce, są dobrze opisane prawami Newtona i okazały się pewne na przestrzeni wielu lat. Drogą ilustracji, planetarium używa tego prawa do pokazania zdarzeń w Układzie Słonecznym, jakie miały miejsce i jakie nastąpią w określonym czasie. Archeolodzy opierają się na danych o zaćmieniach, dostępnych z prawa grawitacji, do datowania wydarzeń historycznych.

W skrócie, prawo Newtona stanowi, że im dalej od obiektu centralnego ciało orbituje, tym wolniej się porusza. I tak, planeta najbliższa Słońcu, Merkury, okrąża Słońce z prędkością ok 30 mil na sek. Dla kontrastu Ziemia, trzecia planeta od Słońca, podróżuje z prędkością ok 18 3/4 mili na sek., podczas, gdy odległy Pluton pokonuje jedynie 3 mile na sek. Gdyby odpowiadało za to prawo grawitacji, prędkości orbitalne gwiazd wokół jądra galaktyki malałyby podobnie, jak planet krążących wokół Słońca.

W późnych latach 70-tych, Vera Rubin i Alber Bosma niezależnie od siebie odkryli coś niezwykłego w obrotach galaktyk. Nie zachowywały się one zgodnie z prawami grawitacji. Okazało się natomiast, że w zewnętrznych obszarach galaktyki prędkość orbitalna gwiazd jest mniej więcej taka sama, wzdłuż całej zewnętrznej krawędzi galaktyki. Nie ma spowalniania, spadku prędkości orbitalnej. Gdy tylko ustalono ten fakt dla wielu galaktyk, oczywista stała się potrzeba wyjaśnienia. I w tym właśnie kontekście rozwinięto koncepcję ciemnej materii. Newtonowska grawitacja nie przewidywała wyników obserwacji. Zatem coś oczywiście umykało. Jeżeli płaskie krzywe rotacji, jak je nazwano, miały by być wyjaśnione samą grawitacją, jedyną możliwością byłyby ogromne ilości materii w postaci halo wokół całej widocznej galaktyki i poza nią. Owo ogromne halo musiałoby rozciągać się poza gwiazdy tworzące widoczną krawędź galaktyki, aby móc działać. A skoro owo halo materii jest niewidoczne i nie wysyła światła, zostało w końcu nazwane „ciemną materią”.

Co istotne, w tym wyjaśnieniu ciemna materia musi oddziaływać ze zwykłą materią grawitacyjnie, w innym przypadku koncepcja nie zadziała. W listopadzie 2016 roku, dr Andreas Ringwald zdefiniował ciemną materią w ten sposób:

Ciemna materia jest niewidoczną formą materii, która jak dotąd ujawnia się jedynie poprzez efekty grawitacyjne. Z czego się składa, pozostaje kompletną tajemnicą.

Chociaż wciąż jest tajemnicą, zaproponowano różne jej formy, jak gorąca ciemna materia, podobna do plazmy, lub zimna ciemna materia, jak zimny gaz wodorowy, masywne obiekty halo, które nazwano w skrócie MACHO. Masywne, gęste obiekty halo, jak roje planet lub księżyców, błądzące bez celu po galaktyce. Rozległe obserwacje definitywnie wykluczyły wszystkie trzy opcje. Co więcej, pod koniec października 2013 roku, obserwacje teleskopu Kepler wykluczyły również, że ciemna materia składa się z czarnych dziur dowolnego rozmiaru. Możliwość, że jest ona formą dziwnej lub egzotycznej materii, została zaproponowana w listopadzie 2014 roku. Stało się to jednak z powodu fiaska poszukiwań bardziej prawdopodobnych kandydatów. Obecnie jednak uznaje się to za mało prawdopodobnego kandydata. Obecny faworyt to WIMPy. WIMPy to kolejny skrót, a mają być one słabo oddziałującymi, masywnymi cząstkami, coś jak neutrino. W niedawnej historii nauki większość czasu, pieniędzy i badań przeznaczono na szukanie WIMPów, i wydają się one jedynym możliwym wyjaśnieniem, jakie pozostało. Ale WIMPy, w formie neutrino i innych możliwych cząstek, zostały w całości wykluczone przez doświadczenia i obserwacje. Miano nadzieję, że Wielki Zderzacz Hadronów w CERNie wykryje kluczowe dla nieuchwytnej ciemnej materii cząstki, które można by nazwać WIMPami.

Jeżeli WIMPy są proponowane jako komponent ciemnej materii, czy to prawda, że te dwa badania podważają ich spodziewane grawitacyjne oddziaływanie ze zwykłą materią?

Tak, podważają. Ekatarina Karukes, główny autor publikacji z listopada, ujęła to tak, cytuję:

Większość ciemnej materii, zgodnie z najbardziej wiarygodną hipotezą, to WIMPy. Nie oddziaływałyby z normalną materią inaczej, niż grawitacyjnie… Jednakże nasze obserwacje temu przeczą.

Skoro tak, to pierwotne założenia co do ciemnej materii są fałszywe, gdyż spodziewano się jej oddziaływania ze zwykłą materią poprzez grawitację i sterowanie w ten sposób jej tempem rotacji. Listopadowa praca idzie nawet dalej. Pokazuje, że rozmieszczenie materii i ciemnej materii musi być blisko związane, o ile ciemna materia faktycznie tam jest. Autorzy stwierdzają, cytuję:

Znaleźliśmy powiązanie między strukturą normalnej, świecącej materii, jak gwiazdy, gaz i pył, z ciemną materią.

Innymi słowy, obserwacje te pokazują, że jeśli ciemna materia faktycznie istnieje, może być jedynie w miejscach, gdzie znajduje się zwykła materia. Oznacza to, że nie może istnieć ogromne halo ciemnej materii, rozciągające się poza widoczne granice galaktyk. Powodem, według badania, jest to, że widoczna granica galaktyki oznacza granicę jej zwykłej materii. Zatem wszelka ciemna materia również musi się tam kończyć.

W lutym 2015 roku, poszukiwania halo ciemnej materii poza widocznymi granicami galaktyk dały negatywny wynik dla galaktyk, u których poszukiwano tego efektu. Zatem płynie stąd wniosek, że ciemna materia może występować jedynie w tych miejscach, gdzie znajduje się zwykła materia, nie może występować samodzielnie. Zaprzecza to całej idei halo z ciemnej materii. W publikacji z września 2016 roku zawarto podobne wnioski, oparte na próbie 2693 punktów danych w 153 galaktykach. David Merrit, profesor fizyki i astronomii w Instytucie Technologii w Rochester, nie brał udziału w badaniu, ale doszedł do tych wniosków z publikacji naukowych. Powiedział, cytuję:

Krzywe rotacji galaktyk tradycyjnie wyjaśniane były przez hipotezę ad-hoc, że galaktyki otoczone są przez ciemną materię. Relacja lub prawo, odkryte przez McGaugh’a et al., jest poważnym i być może fatalnym wyzwaniem dla tej hipotezy, gdyż pokazuje, że krzywe rotacji są dokładnie zdeterminowane rozkładem samej tylko normalnej materii. Nic w standardowym modelu kosmologicznym tego nie przewiduje i niemal nie można sobie wyobrazić, jak model ten mógłby zostać zmieniony, aby to wyjaśnić, bez zupełnego odrzucenia hipotezy ciemnej materii.

Praca z września 2016 roku określa, że istniała dokładna matematyczna relacja pomiędzy obecnością widocznej materii a przyspieszeniem gwiazd i galaktyk. Jest to niemal dokładne powiązanie lub prawo z niewielkim marginesem błędu w galaktykach wszystkich rodzajów. Źródło siły przyspieszającej nie jest znane, oprócz tego, że nie jest to zwykła grawitacja. Główny autor pracy, Stacy McGaugh, powiedziała, cytuję:

Naturalne wnioskowanie jest takie, że prawo to pochodzi z uniwersalnej siły, jak modyfikacja grawitacji w rodzaju MOND, M O N D, ponownie akronim, hipoteza zmodyfikowanej dynamiki Newtona, zaproponowanej przez izraelskiego fizyka Moti Milgroma.

Chociaż MOND nie tłumaczy wszystkich zjawisk grawitacyjnych, praca McGauth nie zmniejsza poprawności podejścia Milgroma. W sumie jest z nim zgodna, ale mamy tu problem, jest to narzędzie czysto matematyczne, pozwalające wytłumaczyć niektóre obserwacje. (…) Nie ma fizycznego powodu na istnienie dodatkowego czynnika lub nowego prawa. To samo w sobie może pchnąć nas do poszukiwań innych opcji, w których inne siły przyspieszające istnieją poza galaktyką.

Alternatywnym kandydatem na taką siłę jest elektromagnetyzm. Dlaczego możliwość taka jest powszechnie ignorowana przez kosmologię głównego nurtu?

 

Kristian Birkeland w laboratorium.

Istnieje powód historyczny, dla którego jest to do dziś w większości ignorowane. Prześledźmy to razem przez kilka chwil i zobaczmy, co się stało. Na samym początku XX wieku Norweg, Kristian Birkeland, studiował zachowanie plazmy w laboratorium. Plazma, czwarty stan materii, powstaje w laboratorium, gdy atomy są odzierane z jednego lub więcej elektronów, pozostawiając protony, jony i elektrony, będące swobodnie latającymi, naładowanymi cząstkami. Poruszające się ładunki stanowią prąd elektryczny, a te prądy mają wirowe pola magnetyczne. Owe pola zacieśniają plazmę do włókien i arkuszy. Zatem wszystkie oddziaływania w plazmie są elektryczne i magnetyczne. Praca Birkelanda na początku XX wieku była początkiem tak zwanej dziś fizyki plazmy. Jednakże, niemal natychmiast, matematyk i fizyk Sydney Chapman, bardzo szanowany za swoje osiągnięcia, oczernił fizykę plazmy Birkelanda. Jego opinie były tak poważane, że zablokowały postęp w fizyce plazmy aż do jego śmierci w roku 1970.

Od tamtej pory nowe odkrycia w kosmosie potwierdziły, że Birkeland miał rację, a Chapman się mylił. W rezultacie upowszechniło się studiowanie fizyki plazmy. Okazało się, że ponad 99% materii we Wszechświecie to plazma. Zatem badanie włókien plazmy w laboratorium daje nam pewne wyobrażenie, co się dzieje w kosmosie. Widać z tej historii, że opcja sił elektromagnetycznych i fizyki plazmy pojawiła się zaledwie pod koniec lat 70-tych i na początku 80-tych, gdy wypłyną ów problem z galaktykami.

 

Symulacja galaktyki spiralnej Peratta.

Tak więc, zjawiska grawitacyjne były rozważane jako jedyna opcja. W tym kontekście Antony Peratt z Los Alamos National Laboratories wskazał w 1992 roku, że siły elektromagnetyczne w kosmosie mogą być 10 do potęgi 39 razy silniejsze niż grawitacja. 10 do 39, czyli jedynka z 39 zerami. Jego doświadczenia i symulacje pokazały, że odpowiedź na dylemat ciemnej materii leży właśnie w tej dziedzinie badań. W serii artykułów w czasopiśmie IEEE z grudnia 1986 roku, Peratt omawiał swoje eksperymenty i symulacje komputerowe z przeplatającymi się włóknami plazmy, działającymi pod wpływem sił elektromagnetycznych. Wykazał, że w przekroju oddziaływania tych włókien powstały miniaturowe galaktyki spiralne. Galaktyki te właściwie obejmowały wszystkie znane rodzaje. Liczba użytych przez niego włókien miała zakres od 12 w doświadczeniach i do sześciu w symulacjach, ale już przy dwóch lub trzech włóknach oddziaływania elektromagnetyczne uformowały wszystkie rodzaje galaktyk. Peratt podkreślił, że te doświadczenia i wyniki mogą być liniowo przeskalowane do proporcji kosmicznych, jako wynik znanego działania plazmy.

Zatem, kluczowym kandydatem na siłę przyspieszającą w galaktykach jest elektryczność i/lub magnetyzm, które z powodów historycznych zostały przeważnie zignorowane przez grawitacyjnych astronomów aż po dziś dzień. Dla obecnej dyskusji, powstaje z doświadczeń Peratta ważna myśl. Owe miniaturowe galaktyki z laboratorium będące spiralne bądź eliptyczne, lub jakiekolwiek by nie były, wszystkie miały krzywe rotacji jak ich kosmiczne odpowiedniki. Płaska krzywa rotacji galaktyk wynika z faktu, iż nie działają tu siły grawitacji ale raczej elektromagnetyczne, zachowujące się inaczej, jak również będące znacznie szybsze i silniejsze od grawitacji. Zatem siły zaangażowane same w oddziaływania plazmy są zdolne do spowodowania płaskiej krzywej rotacji w galaktykach bez żadnych dodatkowych matematycznych czynników bądź egzotycznej fizyki czy ciemnej materii. Badania Peratta zasługują więc na znacznie większą uwagę w środowisku astronomów, fizyków i kosmologów, niż mają obecnie. Toteż odpowiedź na zagadkę ciemnej materii znaleziono w fizyce plazmy, dającej reprodukcje w laboratorium. Jest to kompletne rozwiązanie tej zagadki, a co więcej, jest to nauka godna zaufania.

[1] Acceleration relation found among spiral and irregular galaxies challenges current understanding of dark matter

[2] Unexpected interaction between dark matter and ordinary matter in mini-spiral galaxies


Na podstawie: Dark Matter Falsified — Again? | Space News

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.