Ett av de största mysterierna inom astrofysiken idag är att krafterna i galaxer inte verkar stämma. Galaxer roterar mycket snabbare än förutspått genom att tillämpa Newtons tyngdlag på sin synliga materia, trots att dessa lagar fungerar bra överallt i solsystemet.
För att förhindra att galaxer flyger isär behövs ytterligare gravitation. Det är därför idén om en osynlig substans som kallas mörk materia först föreslogs. Men ingen har någonsin sett grejerna. Och det finns inga partiklar i den enormt framgångsrika standardmodellen för partikelfysik som kan vara mörk materia – det måste vara något ganska exotiskt.
Detta har lett till den rivaliserande idén att de galaktiska avvikelserna istället orsakas av ett sammanbrott av Newtons lagar. Den mest framgångsrika sådan idén är känd som Milgromian dynamics eller MOND, som föreslogs av den israeliska fysikern Mordehai Milgrom 1982. Men vår senaste forskning visar att denna teori är i trubbel.
Huvudpostulatet för MOND är att gravitationen börjar bete sig annorlunda än vad Newton förväntade sig när den blir mycket svag, som vid galaxens kanter. MOND är ganska framgångsrik på att förutsäga galaxrotation utan mörk materia, och den har några andra framgångar. Men många av dessa kan också förklaras med mörk materia, vilket bevarar Newtons lagar.
Så hur sätter vi MOND på ett definitivt test? Vi har drivit detta i många år. Nyckeln är att MOND bara ändrar gravitationens beteende vid låga accelerationer, inte på ett specifikt avstånd från ett objekt. Du kommer att känna lägre acceleration i utkanten av alla himmelska objekt – en planet, stjärna eller galax – än när du är nära den. Men det är mängden acceleration, snarare än avståndet, som förutsäger var gravitationen bör vara starkare.
Detta betyder att även om MOND-effekter vanligtvis skulle komma in flera tusen ljusår bort från en galax, om vi tittar på en enskild stjärna, skulle effekterna bli mycket betydande vid en tiondel av ett ljusår. Det är bara några tusen gånger större än en astronomisk enhet (AU) – avståndet mellan jorden och solen. Men svagare MOND-effekter bör också kunna upptäckas i ännu mindre skalor, som i det yttre solsystemet.
Detta för oss till Cassini-uppdraget, som kretsade kring Saturnus mellan 2004 och dess sista brinnande krasch in i planeten 2017. Saturnus kretsar runt solen vid 10 AU. På grund av en egenhet hos MOND bör gravitationen från resten av vår galax få Saturnus bana att avvika från Newtons förväntan på ett subtilt sätt.
Detta kan testas genom att tajma radiopulser mellan jorden och Cassini. Eftersom Cassini kretsade runt Saturnus, hjälpte detta till att mäta avståndet Jord-Saturnus och tillät oss att exakt spåra Saturnus bana. Men Cassini hittade ingen anomali av det slag som förväntades i MOND. Newton fungerar fortfarande bra för Saturnus.
En av oss, Harry Desmond, publicerade nyligen en studie i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society som undersöker resultaten mer på djupet. Kanske skulle MOND passa Cassini-data om vi justerade hur vi beräknar galaxmassor från deras ljusstyrka? Det skulle påverka hur mycket gravitation som MOND måste ge för att passa modeller av galaxrotation, och därmed vad vi bör förvänta oss för Saturnus bana.
En annan osäkerhet är gravitationen från omgivande galaxer, som har en mindre effekt. Men studien visade att, med tanke på hur MOND skulle behöva arbeta för att passa med modeller för galaxrotation, kan den inte också passa Cassini-radiospårningsresultaten – oavsett hur vi justerar beräkningarna.
Med de standardantaganden som anses mest sannolika av astronomer och som tillåter ett brett spektrum av osäkerheter, är chansen att MOND matchar Cassini-resultaten densamma som att ett vänt mynt landar 59 gånger i rad. Detta är mer än dubbelt så mycket som "5 sigma"-guldstandarden för en upptäckt inom vetenskap, vilket motsvarar cirka 21 myntvändningar i rad.
Det är inte de enda dåliga nyheterna för MOND. Ett annat test tillhandahålls av breda binära stjärnor – två stjärnor som kretsar runt ett delat centrum flera tusen AU från varandra. MOND förutspådde att sådana stjärnor skulle kretsa runt varandra 20 % snabbare än förväntat med Newtons lagar. Men en av oss, Indranil Banik, ledde nyligen en mycket detaljerad studie som utesluter denna förutsägelse. Chansen att MOND har rätt med dessa resultat är densamma som att ett rättvist mynt landar 190 gånger i rad.
Resultat från ännu ett team visar att MOND inte heller lyckas förklara små kroppar i det avlägsna yttre solsystemet. Kometer som kommer in där ute har en mycket snävare energifördelning än vad MOND förutspår. Dessa kroppar har också banor som vanligtvis bara lutar något mot planet som alla planeter kretsar nära. MOND skulle göra att lutningarna blir mycket större.
Newtonsk gravitation är starkt att föredra framför MOND på längdskalor under ungefär ett ljusår. Men MOND misslyckas också på skalor som är större än galaxer:den kan inte förklara rörelserna i galaxhopar. Mörk materia föreslogs först av Fritz Zwicky på 1930-talet för att förklara galaxernas slumpmässiga rörelser inom Coma Cluster, som kräver mer gravitation för att hålla ihop den än vad den synliga massan kan ge.
MOND kan inte heller ge tillräckligt med gravitation, åtminstone i de centrala delarna av galaxhopar. Men i deras utkanter ger MOND för mycket gravitation. Om man istället antar Newtonsk gravitation, med fem gånger så mycket mörk materia som normal materia, verkar det ge en bra anpassning till data.
Standardmodellen för mörk materia för kosmologi är dock inte perfekt. Det finns saker som det kämpar för att förklara, från universums expansionshastighet till gigantiska kosmiska strukturer. Så vi kanske inte har den perfekta modellen ännu. Det verkar som om mörk materia är här för att stanna, men dess natur kan vara annorlunda än vad standardmodellen föreslår. Eller så kan gravitationen verkligen vara starkare än vi tror – men bara i mycket stor skala.
Men i slutändan kan MOND, som den nu formuleras, inte längre betraktas som ett gångbart alternativ till mörk materia. Vi kanske inte gillar det, men den mörka sidan råder fortfarande.
Mer information: Harry Desmond et al, Om spänningen mellan den radiella accelerationsrelationen och solsystemets kvadrupol i modifierad gravitation MOND, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae955
Journalinformation: Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
