中性子星の衝突が暗黒物質にとって意味するもの| 科学| スミソニアン - 記事、科学、宇宙、テクノロジー、宇宙

10月、LIGOとそのヨーロッパの対応機関であるVIRGOは、2つの中性子星間の息をのむような衝突から重力波が波打つのを目撃しました。この前例のない出来事は、新しい種類の天文学のさらに別の勝利のように見えました。重力波を使用して、宇宙の最も深い謎のいくつかを探ることができたものです。しかし、すべての興奮の中で、ほとんどの人は何かが死んだことに気づきませんでした：暗黒物質のない宇宙を仮定する理論のグループ全体。

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そうです：LIGOニュースのあまり知られていない結果は、暗黒物質に関する議論の大幅な再形成が見られるかもしれないということです。これは、重力で目に見える物質と曲げ空間を引き付けているように見えますが、見ることができません。フロリダ大学の物理学教授であるリチャード・ウッダードによってArXivプレプリントサーバーに投稿された論文によると、最近の観測は、暗黒物質のない銀河サイズのスケールで重力の振る舞いを説明しようとした理論のクラスを無効にします。

ウッダードは、修正重力（MOG）または修正ニュートン力学（MOND）として知られるこれらの理論のいくつかは、重力波と光波が異なる時間に到着すると予測することに注意します。しかし、LIGOは、互いに約2秒以内に衝突する2つの中性子星からの重力波と光を拾いました。両方の光源は1億3000万光年離れていたため、約1.5兆分の1の違いにすぎません。基本的に、彼らは同時に到着しました。

ウッダードが言っている種類のモデル-彼は「暗黒物質エミュレーター」と呼んでいます-重力がほとんどの科学者が考えるとは異なる振る舞いをすると仮定して、暗黒物質の効果を複製しようとします。「私たちの論文は、ダークマターを省く修正されたすべての重力モデルを除外するものではありません」とウッダードは明らかにしました。「それらは大規模なクラスにのみ適用されます。」

それでも、彼らが打撃に直面したかもしれない間、反暗黒物質理論家は戦いなしで下がっていません。

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アルバートアインシュタインの一般相対性理論では、空間は巨大な物体によって湾曲しています。光子のビーム（別名、ライト）は、2つのポイント間の最短距離に沿って移動します（常に直線とは限りません）。一般相対性理論によると、重力波と光は同じ線またはメトリック上を移動します。

しかし、最近では一般相対性理論が立証されていますが、それは最後の言葉ではありません。重力のいくつかの代替理論では、光とは異なる経路または距離で重力波が移動していました。この効果を得るために、修正された重力理論では、重力波の経路は可視物質のみに影響され、光（光子）は可視物質と暗黒物質のように見える重複効果の影響を受けると仮定する必要があります。

そのシナリオでは、重力波と光は大きく異なる時間に到着します。しかし、LIGOは両方が非常に接近して到着したのを見て、アインシュタインの理論が言うように重力が働くことを示す証拠の強力な部分のように見えます。これは暗黒物質のケースを強化します。

しかし、LIGOよりずっと前に、一部の物理学者は暗黒物質に不満であり、天文学者が見るものを説明しようとする他の理論を考案しました。理論の1つのセットは、テンソルベクトルスカラー重力（TeVeS）として知られ、重力に余分な場を追加します。 2004年にJacob Bekensteinによって開発されましたが、物理学者がこれまでに推定したものよりも大きなニュートリノを必要とするように思われ、常に安定した星を生成するとは限らないため、すでにある程度の火事を受けていました Tcale-Tensor-Vector-Gravity（STVG）も、TeVeSとは異なる方法で別のフィールドを追加します。理論では、太陽系から銀河へ、そして銀河団へとスケールアップするにつれて重力が強くなると言われています。ウッダード氏によると、最新のデータから除外されているというのは、これら2つのクラスの理論です。

物理学者は、暗黒物質がどんな形であれそこにあることを最終的に受け入れると思うでしょう。右？さて、修正された重力の支持者は、まだ完了していないと言います。

カナダのウォータールーにあるペリメーター研究所の研究者であるジョン・モファットは、ウッダードが単に自分の理論を誤って特徴付けていると言います。「彼らは、私のMOGが偽造された理由については何も説明していません」と彼はメールで述べました。「これらのMOND理論は中性子星合併データによって除外されるのは事実です。したがって、私のMOGは、現在の宇宙で検出可能な暗黒物質なしに銀河、銀河クラスターデータ、宇宙論データを説明できる唯一の生存重力理論です」モファットは、彼の理論は実際に光と重力波が同時に到着すると予測していると言います。

「この結果を解釈する最善の方法は、暗黒物質が正しいことを証明することではなく、むしろ、修正された重力理論がそれを取り除こうとする場合、どのように修正重力理論を構築する必要があるかを制約することです」

異なるパス

1970年代に、その後カーネギー研究所にいた後の天文学者のヴェラルービンは、銀河中心から外に出るとき、目に見える物質がゆっくりと動かないことを発見しました（太陽から遠ざかるにつれて惑星がゆっくり動く方法）。ある時点で、すべて同じ速度で動いていました。私たちが見ることができなかった銀河の周りに多くの拡散質量があったか、重力が以前は明らかにされなかった方法で振る舞いました。

目に見えない問題についての初期の説明には、ガス、不正惑星、ニュートリノ、さらにはブラックホールが含まれていました。最終的には、重力を介してのみ相互作用するもので作られた暗黒物質の現在の概念を支持して、すべてが破棄されました。

しかし、数人の物理学者は、暗黒物質の考えはあまりにも便利で、数学を機能させるためだけに発明されたものだと感じていました。おそらく重力は異なるスケールで異なる働きをし、一般相対性理論は単にそれを説明しなかった、と彼らは理論付けた。

イスラエルのワイツマン科学研究所の名誉教授であるモルデハイミルグロムは、1980年代に彼のバージョンを提案した初期のMOND理論家の1人でした。本質的に、彼の理論は、重力による加速度が一定の限界を下回ると重力力学が変化することを提案しています。彼はまた、重力と光が異なるメトリック上を移動すると仮定しています。

まとめると、これらの理論は、深刻な脅威ではないとしても、少なくとも暗黒物質に関する問題の暗示を提示しました。

ダークマターFTW

暗黒物質は回転曲線を説明しただけではありませんでした。また、重力レンズ効果の観測-巨大な物体による光の曲がり-を説明しました。遠方の銀河を見ると、一般的な相対性理論によれば、レンズを通して見えるかのように、それらの背後にある物体が見えます。光は、目に見える質量では説明できない量だけ曲げられます。これは、暗黒物質（またはそれに似たもの）の別の証拠です。

暗黒物質は、宇宙マイクロ波背景がそのように見える理由を説明することもできます。平均的には均一ですが、暗黒物質の宇宙で予想されるように、より小さなスケールでは塊状です。「暗黒物質の理論家に代わらないことの1つは、暗黒物質がなければ[宇宙マイクロ波背景]に衝突しないということです」と、物理学の教授であるウィルキニーは言います。バッファロー大学。「私の知る限り、暗黒物質の代替理論はどれも（宇宙マイクロ波背景）スペクトルのバンプについてまったく説明がありませんでした。

1つの良い例は、2つの銀河クラスターが衝突する空間の領域であるBulletクラスターです。クラスターを観察すると、目に見える物質と一致しないレンズ効果が示されます。しかし、ダークマターが存在すると仮定してもクラスターの周りにまだ収まらない場合、レンズはダークマター理論に適合します、とキニーは言いました。

MONDの場合

それでも、修正された重力の設計者は、暗黒物質が持っている問題に対抗します。 1つは、弾丸クラスターに関する異常です。これは、ほとんどの人が暗黒物質理論を支持すると言うものです。いくつかの観察によると、Bullet Clusterは加速が速すぎます。暗黒物質を仮定しても、速度は「間違っています」。また、暗黒物質は、一部の銀河の回転速度を、修正された重力よりもうまく予測していません。

さらに、目に見えない物質があるように見えるいくつかの銀河は、さらに大きく見えます。それは多くの暗黒物質が原因である可能性がありますが、そうなる特定の理由はありません。 MOND理論は、そのスコアでより良くなります。「MONDには、より予測力があります。一見、暗黒物質が支配する銀河の運動学を予測することができます。暗黒物質で同じ予測を行うことはできません。修正された重力理論に取り組んでいるケースウェスタンリザーブ大学の天体物理学者であるステイシーマクゴーは言いました。

別の問題は、上記の問題の分布です。ミルグロムは、これまでに観測されたほとんどすべての銀河で、中心に向かう重力による加速度が毎秒約100億分の1の平方になるまで回転曲線が同じ形状であることを指摘しています（ほぼ同じ10キログラムの体重から2メートル離れた人が感じる重力）。

暗黒物質が存在する場合、常にそのように配布されるとは思わないでしょう。地球上のすべての国に行って、それぞれの国の非常に異なる歴史にもかかわらず、所得分布がまったく同じであったことに気付くようなものです。

「[暗黒物質]パラダイムでは、現在のダイナミクスは、研究中の個々の銀河の複雑で激変的な未知の歴史の結果です。さまざまな不十分に理解されたプロセスなどによる銀河」と彼は言います。 MOND理論は、その点で銀河の動きを予測するのにより良い仕事をする、と彼は付け加えました。

しかし、ミルグロムでさえ、例えば相対論的なMOGバージョンでも、MOND理論では予測できない領域がいくつかあることを認めています。たとえば、観測された宇宙マイクロ波背景を再現していません。「宇宙論を説明するMONDの拡張が必要です。これは私たちが取り組んでいるものです。」

ドイツのフランクフルト高等研究所の研究員であるサビーン・ホッセンフェルダーは、ウッダードの観察が何らかの種類のMONDまたはMOGを時代遅れにすることに同意しますが、暗黒物質が答えであるとは確信していません。「観測が論文にリストされている仮定で理論を除外することはほぼ間違いなく正しい。しかし、もしあれば、どの修正重力理論が実際に仮定を満たすかは不明である」と彼女は言った。彼女のブログで、彼女はダークマターがすべてのスケールで機能する一方で、修正された重力は宇宙論ではうまく機能しないと指摘した。

天体物理学者であり著者でもあるイーサン・シーゲルは、LIGOの観測によって修正された重力場の多くが無効化される可能性が高いと述べた。 Hossenfelderと同様に、彼はMONDの問題はそれが記述するスケールであると考えています。「モファットは正しい：MONDは銀河スケールのダークマターよりも優れています。個々の銀河とその力学特性を見ると、MONDには利点があります。しかし、それ以外のすべてのスケールでMONDは失敗します。」ミルグロムの理論のいくつかは生き残るかもしれない-例えば、重力が宇宙の問題とは異なる規則に従うというミルグロムの主張が真実ならば。「これは、これらの重力波の結果をまだ生き残るかもしれない理論です。」

そして、重力に代わるものに関する彼の研究にもかかわらず、マックゴーは暗黒物質だけが意味をなすことができるものがあると言いました。「宇宙マイクロ波の背景や銀河のクラスター（弾丸クラスターだけでなく、すべてのリッチクラスター）を説明する方法がわかりません」と彼は言います。他に実行可能な説明はありません。」同時に、彼はまだどちらの側にもコミットしていません。「どちらも説得力がない」と彼は言う。

つまり、2つの中性子星の衝突の力により、予見可能な未来に向けて議論が激しさを増すことを期待してください。