Vi kan modellera planeternas rörelser i solsystemet ganska exakt med hjälp av Newtons fysiklagar. Men i början av 1970-talet märkte forskare att detta inte fungerade för skivgalaxer – stjärnor vid deras yttre kanter, långt från gravitationskraften hos all materia i deras centrum – rörde sig mycket snabbare än vad Newtons teori förutspådde.

Detta fick fysiker att föreslå att ett osynligt ämne som kallas "mörk materia" gav extra gravitationskraft, vilket fick stjärnorna att öka farten - en teori som har blivit enormt populär. Men i en nyligen genomförd granskning föreslår mina kollegor och jag att observationer över ett stort spektrum av skalor är mycket bättre förklarade i en alternativ teori om gravitation som föreslogs av den israeliska fysikern Mordehai Milgrom 1982, kallad Milgromian dynamics eller Mond – som inte kräver någon osynlig materia.

Monds huvudpostulat är att när gravitationen blir mycket svag, som sker vid kanten av galaxer, börjar den bete sig annorlunda än den newtonska fysiken. På så sätt går det att förklara varför stjärnor, planeter och gas i utkanten av över 150 galaxer roterar snabbare än förväntat bara utifrån deras synliga massa. Men Mond förklarar inte bara sådana rotationskurvor, i många fall, förutsäger dem.

Vetenskapsfilosofer har hävdat att denna förutsägelsekraft gör Mond överlägsen den vanliga kosmologiska modellen, som föreslår att det finns mer mörk materia i universum än synlig materia. Detta beror på att galaxer enligt denna modell har en mycket osäker mängd mörk materia som beror på detaljer om hur galaxen bildades – vilket vi inte alltid vet. Detta gör det omöjligt att förutsäga hur snabbt galaxer ska rotera. Men sådana förutsägelser görs rutinmässigt med Mond, och hittills har dessa bekräftats.

Föreställ dig att vi vet fördelningen av synlig massa i en galax men ännu inte vet dess rotationshastighet. I den vanliga kosmologiska modellen skulle det bara vara möjligt att säga med viss tillförsikt att rotationshastigheten kommer ut mellan 100 km/s och 300 km/s i utkanten. Mond gör en mer bestämd förutsägelse att rotationshastigheten måste ligga i intervallet 180–190 km/s.

Om observationer senare avslöjar en rotationshastighet på 188 km/s, så stämmer detta överens med båda teorierna – men klart är Mond att föredra. Detta är en modern version av Occams rakhyvel — att den enklaste lösningen är att föredra framför mer komplexa, i det här fallet att vi ska förklara observationer med så få "fria parametrar" som möjligt. Fria parametrar är konstanter – vissa tal som vi måste koppla in i ekvationer för att få dem att fungera. Men de ges inte av själva teorin – det finns ingen anledning att de ska ha något särskilt värde – så vi måste mäta dem observationsmässigt. Ett exempel är gravitationskonstanten, G, i Newtons gravitationsteori eller mängden mörk materia i galaxer inom den vanliga kosmologiska modellen.

Vi introducerade ett koncept som kallas "teoretisk flexibilitet" för att fånga den underliggande idén med Occams rakhyvel att en teori med mer fria parametrar överensstämmer med ett bredare utbud av data – vilket gör det mer komplext. I vår recension använde vi detta koncept när vi testade den standardiserade kosmologiska modellen och Mond mot olika astronomiska observationer, såsom rotation av galaxer och rörelser i galaxhopar.

Varje gång gav vi ett teoretiskt flexibilitetspoäng mellan –2 och +2. En poäng på –2 indikerar att en modell gör en tydlig, exakt förutsägelse utan att titta på data. Omvänt innebär +2 att "allt går" - teoretiker skulle ha kunnat passa nästan alla rimliga observationsresultat (eftersom det finns så många fria parametrar). Vi bedömde också hur väl varje modell matchar observationerna, med +2 indikerar utmärkt överensstämmelse och -2 reserverade för observationer som tydligt visar att teorin är felaktig. Vi subtraherar sedan det teoretiska flexibilitetspoänget från det för överensstämmelsen med observationer, eftersom det är bra att matcha uppgifterna – men att kunna passa vad som helst är dåligt.

En bra teori skulle göra tydliga förutsägelser som senare bekräftas, och helst få ett kombinerat betyg på +4 i många olika test (+2 -(-2) =+4). En dålig teori skulle få en poäng mellan 0 och -4 (-2 -(+2)=-4). Exakta förutsägelser skulle misslyckas i det här fallet – det är osannolikt att de fungerar med fel fysik.

Vi hittade ett medelpoäng för den vanliga kosmologiska modellen på –0,25 över 32 tester, medan Mond uppnådde ett genomsnitt på +1,69 över 29 tester. Poängen för varje teori i många olika tester visas i figur 1 och 2 nedan för den vanliga kosmologiska modellen respektive Mond.

Det är omedelbart uppenbart att inga större problem identifierades för Mond, vilket åtminstone rimligen stämmer överens med alla data (notera att de två nedre raderna som anger förfalskningar är tomma i figuren nedan).

Problemen med mörk materia

Ett av de mest slående misslyckandena i den standardiserade kosmologiska modellen relaterar till "galaxstänger" - stavformade ljusa områden gjorda av stjärnor - som spiralgalaxer ofta har i sina centrala regioner (se blybild). Stängerna roterar över tiden. Om galaxer var inbäddade i massiva glorier av mörk materia skulle deras barer sakta ner. Men de flesta, om inte alla, observerade galaxstänger är snabba. Detta förfalskar den vanliga kosmologiska modellen med mycket hög tillförsikt.

Ett annat problem är att de ursprungliga modellerna som antydde att galaxer har mörk materia-glorier gjorde ett stort misstag – de antog att partiklarna av mörk materia gav gravitation till materien runt den, men påverkades inte av den normala materiens gravitationskraft. Detta förenklade beräkningarna, men det speglar inte verkligheten. När detta togs med i beräkningen i efterföljande simuleringar var det tydligt att mörk materia halos runt galaxer inte på ett tillförlitligt sätt förklarar deras egenskaper.

Det finns många andra misslyckanden i den standardiserade kosmologiska modellen som vi undersökte i vår granskning, där Mond ofta naturligt kan förklara observationerna. Anledningen till att den vanliga kosmologiska modellen ändå är så populär kan bero på beräkningsfel eller begränsad kunskap om dess misslyckanden, av vilka några upptäcktes ganska nyligen. Det kan också bero på människors ovilja att justera en gravitationsteori som har varit så framgångsrik inom många andra fysikområden.

Monds enorma försprång över den vanliga kosmologiska modellen i vår studie fick oss att dra slutsatsen att Mond är starkt favoriserad av de tillgängliga observationerna. Även om vi inte hävdar att Mond är perfekt, tror vi fortfarande att den får helheten korrekt - galaxer saknar verkligen mörk materia. + Utforska vidare

Ny snurr på galaxrotation räddar kontroversiell gravitationsteori

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.