Forskare har letat efter "mörk materia" - en okänd och osynlig substans som tros utgöra den stora majoriteten av materia i universum - i nästan ett sekel. Anledningen till denna uthållighet är att mörk materia behövs för att förklara det faktum att galaxer inte verkar lyda fysikens grundläggande lagar. Dock, Sökningarna på mörk materia har förblivit misslyckade.

Men det finns andra metoder för att förstå varför galaxer beter sig så konstigt. Vår nya studie, publiceras i Journal of Cosmology and Astropartikelfysik , visar att, genom att justera tyngdlagarna på galaxernas enorma skalor, vi kanske faktiskt inte behöver mörk materia trots allt.

Den schweiziska astronomen Fritz Zwicky upptäckte på 1930-talet att hastigheterna i galaxhopar var för höga för att ta hänsyn till hur mycket materia vi kunde se. Ett liknande fenomen beskrevs av flera grupper av astronomer, som Vera Rubin och Kent Ford, när de studerade stjärnornas rörelse längs Andromedagalaxens bortre kanter.

Hastigheterna för stjärnorna långt från dess centrum förväntades minska, eftersom de upplever mindre gravitationskraft. Det är för att, enligt Newtons andra rörelselag, gravitationskraften på kretsande materia kan likställas med en produkt av dess massa och acceleration (som är relaterad till hastighet).

Dock, mätningarna visade att det inte fanns någon sådan minskning av hastigheter med avstånd. Det fick forskare att tro att det måste finnas någon osynlig materia där för att skapa en starkare gravitationskraft och snabbare stjärnrörelser. Under de senaste decennierna har otaliga andra sönder av gravitationssystem på mycket stora längdskalor indikerade samma problem.

Bortom mörk materia

Mysteriet om vad mörk materia faktiskt är förblir den ultimata utmaningen för modern fundamental fysik. Kärnfrågan är om det verkligen är en saknad masskälla, som en ny typ av materia, eller om gravitationslagen helt enkelt är annorlunda på gigantiska längdskalor.

Även om det första alternativet verkar mycket frestande, vi har faktiskt inte hittat någon mörk materia än. Också, medan gravitationslagarna är väl testade inom solsystemet, man måste vara försiktig med att extrapolera detta till skalor som är minst en miljard gånger större.

Ett välkänt försök att bli av med behovet av mörk materia är Modified Newtonian Dynamics (MOND), vilket tyder på att Newtons tyngdlag blir oregelbunden när gravitationskraften är mycket svag – vilket är fallet i galaxens yttre regioner. Men denna teori, även om det är framgångsrikt i många avseenden, har inte klarat samma stränga tester som vår standardmodell för kosmologi, som inkluderar mörk materia.

Huvudproblemet är att MOND inte kan förklara problemet med den saknade massan i galaxer och galaxhopar samtidigt. Ett annat mycket starkt argument mot MOND är baserat på observationen av kolliderande galaxhopar, där stjärnorna i varje galax passerar genom varandra, men gasmolnen håller ihop och stannar kvar. Ett känt exempel är Bullet Cluster, som består av två sådana kolliderande kluster. Observationer tyder på att mörk materia följer stjärnorna i dessa händelser, som har en lägre total massa än gasmolnet. MOND kan inte förklara varför det är så.

Rymdbubblor

Vi bestämde oss för att justera tyngdlagarna på ett annat sätt. Vårt tillvägagångssätt antog att ett fenomen som kallas Vainshtein-screening är på gång. Detta tyder på att var och en är tillräckligt tät, kompakt föremål i rymden genererar en osynlig sfär runt sig som bestämmer hur fysikens lagar beter sig med växande avstånd. Denna sfär är ett teoretiskt koncept för att hjälpa oss förstå skillnaden mellan små och stora skalor, snarare än ett verkligt fysiskt membran.

Enligt vår teori, inom denna bubbla gäller lagarna för vanlig Newtons gravitation som vi ser i vårt solsystem för objekt som interagerar med den massiva kroppen i centrum. Utanför bubblan, teorin antyder att det centrala objektets gravitationskraft kan förstärkas avsevärt – även om det inte finns mer massa.

Bubblans storlek skulle vara proportionell mot det centrala föremålets massa. Om, till exempel, i en galax har denna sfär en radie på några tusen ljusår – ett typiskt avstånd på vilket tecken på mörk materia observeras – motsvarande sfär på vår sol skulle ha en radie på 50 000 astronomiska enheter (en sådan enhet är avståndet mellan solen och jorden). Dock, kanten av solsystemet är bara 50 astronomiska enheter bort. Med andra ord, det finns inga föremål som vi kunde observera så långt från solen för att testa om solen har en annan gravitationskraft på sig än den har på jorden. Endast observation av hela system väldigt långt bort tillåter oss att göra det.

Den överraskande effekten är att storleken på den newtonska bubblan växer med den inneslutna massan på ett speciellt sätt. Detta innebär att tyngdlagen ändras vid olika längdskalor i galaxer respektive galaxhopar och därför kan den förklara den skenbara mörka materien i båda systemen samtidigt. Det är inte möjligt med MOND. Vidare, det överensstämmer med observationen av Bullet Cluster. Det beror på att gasmolnen som lämnades efter i kollisionen inte är tillräckligt kompakta för att skapa en sfär runt dem – vilket innebär att den skenbara mörka materien bara är anmärkningsvärd runt de mer kompakta stjärnorna. MOND skiljer inte mellan stjärnor och gasmoln.

Till vår stora förvåning, vår teori gjorde det möjligt för oss att förklara stjärnornas hastigheter i galaxer mycket bättre än med Einsteins allmänna relativitetsteori, som tillåter mörk materia att existera. Så det kan faktiskt finnas mindre mystisk mörk materia där ute än vi tror – och kanske till och med ingen alls.

Vi planerar att ytterligare undersöka detta intressanta fenomen. Det kan också vara ansvarigt för den höga variabiliteten av galaktisk rörelse, som vi samlar mer och mer bevis för.

Varje massiv kropp förvränger utrymmet och tiden runt den, enligt allmän relativitetsteori. Som ett resultat, ljusstrålar tar en uppenbar vändning runt objektet snarare än att färdas i en rak linje – en effekt som kallas gravitationslinser. Ett extremt intressant test av vårt fynd skulle vara observationen av exakt gravitationsljusavböjning av enskilda galaxer, vilket är ett svårt mått. Vår teori förutspår en starkare ljusavböjning för mycket kompakta galaxer så, spännande, det skulle en dag kunna förfalskas eller bekräftas av en sådan mätning.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.