Astronomie

Existe-t-il des explications alternatives à la force gravitationnelle que nous attribuons à la matière noire ?

Existe-t-il des explications alternatives à la force gravitationnelle que nous attribuons à la matière noire ?


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Il m'a toujours semblé contre-intuitif que nous ayons observé une force gravitationnelle mesurée et puisque l'univers n'a pas assez de masse pour l'expliquer, la conclusion a été de dire qu'il existe un autre type de matière qui n'interagit pas avec la matière ordinaire ni ne peut être vu ou mesuré.

Et si la force était appliquée par d'autres univers adjacents ou superposés ou par quelque chose de complètement différent ? Y a-t-il d'autres théories proposées? ou appellerions-nous simplement tout ce que nous découvrons comme étant la source de cette force « matière noire » même si ce n'est pas la même matière ?


Il y a certainement des gens qui étudient des théories alternatives (non relativistes générales) de la gravité. Les théories les plus populaires ont été jusqu'à présent :

  1. Modified Newtonian Dynamics (MOND) - qui postule essentiellement que la mécanique newtonienne se décompose à une certaine échelle, conduisant aux courbes de rotation que nous voyons dans les galaxies.
  2. Gravité tenseur-vecteur-scalaire (TeVeS) - il s'agit d'une généralisation relativiste de MOND.
  3. La gravité f(R) tombe dans la catégorie MOND, qui modifie l'expression relativiste générale reliant la courbure de l'espace-temps au tenseur énergie-contrainte (la « source » de la gravité - comme la masse et la pression). Ces théories relient différentes fonctions du scalaire de Ricci à ce tenseur énergie-contrainte.

TeVes semble être l'alternative la plus prometteuse à la relativité générale (elle peut expliquer des choses comme les courbes de rotation, prédit la lentille gravitationnelle et d'autres choses), mais il y a encore de nombreux problèmes avec lesquels elle ne fait pas bien. Jusqu'à présent, il semble que les théories modifiées de la gravité créent plus de problèmes qu'elles n'en résolvent - même si je dois admettre que l'existence de choses comme la matière noire et l'énergie noire sont des problèmes non triviaux avec lesquels les cosmologues doivent composer.

Quand il s'agit de choses comme les univers alternatifs et autres comme cause de nos mystères actuels, je suis sûr que ces choses ont été proposées. Le problème ici est de proposer une expérience pour les tester. La matière noire a été nommée ainsi parce que nous savons qu'elle n'émet ni n'absorbe aucun rayonnement. En ce qui concerne la détection d'une telle particule, de nombreuses expériences réelles ont été menées et seront menées, et c'est un domaine de recherche passionnant.

Ci-dessous montre quelques-unes de ces expériences et la plage de l'espace des paramètres de section efficace/de masse qu'elle a/va sonder :


Seule la matière noire (et non la gravité modifiée) peut expliquer l'univers

L'évolution de la structure à grande échelle dans l'Univers, d'un état uniforme précoce au . [+] Univers groupé que nous connaissons aujourd'hui. Le type et l'abondance de matière noire donneraient un univers très différent si nous modifiions ce que notre univers possède.

Angulo et al. 2008, via l'Université de Durham

Si vous jetiez un coup d'œil à toutes les galaxies de l'Univers, mesuriez où se trouvait toute la matière que vous pouviez détecter, puis cartographiiez comment ces galaxies se déplaçaient, vous seriez assez perplexe. Alors que dans le système solaire, les planètes tournent autour du Soleil à une vitesse décroissante à mesure que vous vous éloignez du centre - tout comme la loi de la gravitation le prédit - les étoiles autour du centre galactique ne font rien de tel. Même si la masse est concentrée vers le renflement central et dans un disque semblable à un plan, les étoiles dans les régions externes d'une galaxie tournent autour d'elle à la même vitesse que dans les régions internes, défiant les prédictions. Visiblement, il manque quelque chose. Deux solutions viennent à l'esprit : soit il y a une sorte de masse invisible qui comble le déficit, soit nous devons modifier les lois de la gravité, comme nous l'avons fait lorsque nous avons sauté de Newton à Einstein. Bien que ces deux possibilités semblent raisonnables, l'explication de masse invisible, connue sous le nom de matière noire, est de loin l'option supérieure. Voici pourquoi.

Les galaxies individuelles pourraient, en principe, s'expliquer soit par la matière noire, soit par une modification de . [+] la gravité, mais ce ne sont pas les meilleures preuves que nous ayons de la composition de l'Univers ou de la façon dont il est devenu ce qu'il est aujourd'hui.

Stefania.deluca de Wikimedia Commons

Tout d'abord, la réponse n'a rien à voir avec les galaxies individuelles. Les galaxies sont parmi les objets les plus désordonnés de l'Univers connu, et lorsque vous testez la nature même de l'Univers lui-même, vous voulez l'environnement le plus propre possible. Il y a tout un domaine d'étude consacré à cela, connu sous le nom de cosmologie physique. (Divulgation complète : c'est mon domaine.) Lorsque l'Univers est né, il était très proche de l'uniformité : presque exactement la même densité partout. On estime que la région la plus dense avec laquelle l'Univers a commencé était moins de 0,01 % plus dense que la région la moins dense au début du chaud Big Bang. La gravitation fonctionne de manière très simple et très directe, même à l'échelle cosmique, lorsque nous avons affaire à de petits écarts par rapport à la densité moyenne. Ceci est connu sous le nom de régime linéaire, et fournit un excellent test cosmique à la fois de la gravitation et de la matière noire.

Projection à grande échelle à travers le volume Illustris à z=0, centrée sur l'amas le plus massif, 15 . [+] Mpc/h de profondeur. Affiche la densité de matière noire (à gauche) en transition vers la densité de gaz (à droite). La structure à grande échelle de l'Univers ne peut être expliquée sans matière noire.

Collaboration Illustris / Simulation Illustris

En revanche, lorsqu'on a affaire à des écarts importants par rapport à la moyenne, cela vous place dans ce qu'on appelle le régime non linéaire, et ces tests sont beaucoup plus difficiles à tirer des conclusions. Aujourd'hui, une galaxie comme la Voie lactée peut être un million de fois plus dense que la densité cosmique moyenne, ce qui la place fermement dans le régime non-linéaire. En revanche, si nous regardons l'Univers soit à très grande échelle, soit à des époques très reculées, les effets gravitationnels sont beaucoup plus linéaires, ce qui en fait votre laboratoire idéal. Si vous voulez savoir si la modification de la gravité ou l'ajout d'un ingrédient supplémentaire de matière noire est la voie à suivre, vous voudrez regarder où les effets sont les plus clairs, et c'est là que les effets gravitationnels sont le plus facilement prédits : dans le régime linéaire.

Voici les meilleures façons de sonder l'Univers à cette époque et ce qu'elles vous disent.

Les fluctuations du fond diffus cosmologique ont d'abord été mesurées avec précision par COBE dans le . [+] 1990, puis plus précisément par WMAP dans les années 2000 et Planck (ci-dessus) dans les années 2010. Cette image encode une énorme quantité d'informations sur l'Univers primitif, notamment sa composition, son âge et son histoire.

L'ESA et la collaboration Planck

1.) Les fluctuations du fond diffus cosmologique. Il s'agit de notre première véritable image de l'Univers et des fluctuations de la densité d'énergie à une époque à peine 380 000 ans après le Big Bang. Les régions bleues correspondent aux surdensités, où les amas de matière ont commencé leur inévitable croissance gravitationnelle, se dirigeant vers leur chemin pour former des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies. Les régions rouges sont des régions sous-denses, où la matière se perd dans les régions plus denses qui l'entourent. En examinant ces fluctuations de température et leur corrélation, c'est-à-dire à une échelle spécifique. quelle est l'ampleur de votre fluctuation moyenne par rapport à la température moyenne - vous pouvez en apprendre énormément sur la composition de votre univers.

Les hauteurs et positions relatives de ces pics acoustiques, dérivées des données du Cosmic . [+] Microwave Background, sont définitivement cohérents avec un Univers composé de 68% d'énergie noire, 27% de matière noire et 5% de matière normale. Les écarts sont fortement limités.

Résultats de Planck 2015. XX. Contraintes sur l'inflation - Collaboration Planck (Ade, P.A.R. et al.) arXiv:1502.02114

En particulier, les positions et les hauteurs (en particulier les hauteurs relatives) des sept pics identifiés ci-dessus s'accordent de manière spectaculaire avec un ajustement particulier : un Univers composé à 68 % d'énergie noire, 27 % de matière noire et 5 % de matière normale. Si vous n'incluez pas la matière noire, les tailles relatives des pics impairs et des pics pairs ne peuvent pas correspondre. Le mieux que les revendications de gravité modifiée puissent faire est soit de vous obtenir les deux premiers pics (mais pas le troisième ou au-delà), soit de vous obtenir le bon spectre de pics en ajoutant également de la matière noire, ce qui va à l'encontre de tout l'objectif. Il n'y a aucune modification connue de la gravité d'Einstein qui puisse reproduire ces prédictions, même après coup, sans ajouter également de la matière noire.

Une illustration des modèles de regroupement dus aux oscillations acoustiques baryoniques, où la probabilité de . [+] trouver une galaxie à une certaine distance de toute autre galaxie est régi par la relation entre la matière noire et la matière normale. Au fur et à mesure que l'Univers s'étend, cette distance caractéristique s'étend également, ce qui nous permet de mesurer la constante de Hubble.

2.) La structure à grande échelle dans l'Univers. Si vous avez une galaxie, quelle est la probabilité que vous trouviez une autre galaxie à une certaine distance ? Et si vous regardez l'Univers à une certaine échelle volumétrique, quels écarts par rapport au nombre "moyen" de galaxies vous attendez-vous à y voir ? Ces questions sont au cœur de la compréhension de la structure à grande échelle, et leurs réponses dépendent très fortement à la fois des lois de la gravité et de ce qu'il y a dans votre Univers. Dans un univers où 100% de votre matière est de la matière normale, vous aurez de grandes suppressions de formation de structure à de grandes échelles spécifiques, tandis que si votre univers est dominé par la matière noire, vous n'obtiendrez que de petites suppressions superposées sur un fond lisse. . Vous n'avez pas besoin de simulations ou d'effets non linéaires pour sonder cela, tout cela peut être calculé à la main.

Les points de données de nos galaxies observées (points rouges) et les prédictions d'une cosmologie avec . [+] la matière noire (ligne noire) s'aligne incroyablement bien. Les lignes bleues, avec et sans modifications de la gravité, ne peuvent reproduire cette observation sans matière noire.

S. Dodelson, de http://arxiv.org/abs/1112.1320

Quand on regarde l'Univers à ces plus grandes échelles, et qu'on compare avec les prédictions de ces différents scénarios, les résultats sont incontestables. Ces points rouges (avec des barres d'erreur, comme indiqué) sont les observations - les données - de notre propre univers. La ligne noire est la prédiction de notre cosmologie ΛCDM standard, avec la matière normale, la matière noire (dans six fois la quantité de matière normale), l'énergie noire et la relativité générale comme loi la régissant. Notez les petites fluctuations qu'il contient et à quel point – à quel point – incroyablement bien – les prédictions correspondent aux données. Les lignes bleues sont les prédictions de matière normale sans matière noire, à la fois dans les scénarios de gravité standard (plein) et de gravité modifiée (pointillé). Et encore une fois, aucune modification de la gravité connue ne peut reproduire ces résultats, même après coup, sans inclure également la matière noire.

La voie empruntée par les protons et les neutrons dans l'Univers primitif pour former les éléments les plus légers et . [+] isotopes : deutérium, hélium-3 et hélium-4. Le rapport nucléon/photon détermine la quantité de ces éléments avec laquelle nous nous retrouverons dans notre Univers aujourd'hui. Ces mesures permettent de connaître très précisément la densité de matière normale dans tout l'Univers.

E. Siegel / Au-delà de la galaxie

3.) L'abondance relative des éléments légers formés au début de l'Univers. Ce n'est pas spécifiquement une question liée à la matière noire, ni extrêmement dépendante de la gravité. Mais en raison de la physique de l'Univers primitif, où les noyaux atomiques sont détruits dans des conditions d'énergie suffisamment élevées lorsque l'Univers est extrêmement uniforme, nous pouvons prédire exactement combien d'hydrogène, de deutérium, d'hélium-3, d'hélium-4 et de lithium- 7 devrait rester du Big Bang dans le gaz primordial que nous voyons aujourd'hui. Tous ces résultats dépendent d'un seul paramètre : le rapport photons/baryons (protons et neutrons combinés) dans l'Univers. Nous avons mesuré le nombre de photons dans l'Univers grâce aux satellites WMAP et Planck, et nous avons également mesuré l'abondance de ces éléments.

Les abondances prédites d'hélium-4, de deutérium, d'hélium-3 et de lithium-7 telles que prédites par Big Bang. [+] Nucléosynthèse, avec les observations indiquées dans les cercles rouges.

En mettant tout cela ensemble, ils nous indiquent la quantité totale de matière normale dans l'Univers : c'est 4,9% de la densité critique. En d'autres termes, nous connaissons la quantité totale de matière normale dans l'Univers. C'est un nombre qui est en accord spectaculaire à la fois avec les données du fond diffus cosmologique et les données sur la structure à grande échelle, et pourtant, ce n'est qu'environ 15 % de la quantité totale de matière qui doit être présente. Il n'y a, encore une fois, aucune modification connue de la gravité qui puisse vous donner ces prédictions à grande échelle et vous donner également cette faible abondance de matière normale.

Cluster MACS J0416.1-2403 dans l'optique, l'un des Hubble Frontier Fields qui révèle, à travers . [+] lentille gravitationnelle, certaines des galaxies les plus profondes et les plus faibles jamais vues dans l'Univers.

4.) La courbure gravitationnelle de la lumière des étoiles provenant de grandes masses d'amas dans l'Univers. Lorsque nous examinons les plus gros amas de masse de l'Univers, ceux qui sont les plus proches d'être encore dans le régime linéaire de formation des structures, nous remarquons que la lumière de fond qui en provient est déformée. Cela est dû à la courbure gravitationnelle de la lumière des étoiles en relativité, connue sous le nom de lentille gravitationnelle. Lorsque nous utilisons ces observations pour déterminer quelle est la quantité totale de masse présente dans l'Univers, nous obtenons le même nombre que nous avons obtenu depuis le début : environ 30% de l'énergie totale de l'Univers doit être présente dans toutes les formes de matière, additionnées , pour reproduire ces résultats. Avec seulement 4,9% présent dans la matière normale, cela implique qu'il doit y avoir une sorte de matière noire présente.

Lentille gravitationnelle dans l'amas de galaxies Abell S1063, montrant la courbure de la lumière des étoiles par le . [+] présence de matière et d'énergie.

NASA, ESA et J. Lotz (STScI)

Lorsque vous regardez la suite complète de données, plutôt que quelques petits détails de ce qui se passe dans le régime désordonné, complexe et non linéaire, il n'y a aucun moyen d'obtenir l'Univers que nous avons aujourd'hui sans ajouter de la matière noire. Les personnes qui utilisent le rasoir d'Occam (à tort) pour plaider en faveur de MOND, ou de la dynamique newtonienne modifiée, doivent considérer que la modification de la loi de Newton ne résoudra pas ces problèmes pour vous. Si vous utilisez Newton, vous passez à côté des succès de la relativité d'Einstein, qui sont trop nombreux pour être énumérés ici. Il y a le délai Shapiro. Il y a une dilatation du temps gravitationnelle et un décalage vers le rouge gravitationnel. Il y a le cadre du Big Bang et le concept de l'Univers en expansion. Il y a l'effet Lens-Thirring. Il y a les détections directes des ondes gravitationnelles, avec leur vitesse mesurée égale à la vitesse de la lumière. Et il y a les mouvements des galaxies au sein des amas et du regroupement des galaxies elles-mêmes aux plus grandes échelles.

Aux plus grandes échelles, la façon dont les galaxies se regroupent par observation (bleu et violet) ne peut pas être . [+] correspond aux simulations (rouge) sauf si la matière noire est incluse.

Gerard Lemson & the Virgo Consortium, avec des données de SDSS, 2dFGRS et du Millennium Simulation

Et pour toutes ces observations, il n'y a pas une seule modification de la gravité qui puisse reproduire ces succès. Il y a quelques individus bruyants dans la sphère publique qui défendent MOND (ou d'autres incarnations de la gravité modifiée) comme une alternative légitime à la matière noire, mais ce n'en est tout simplement pas une pour le moment. La communauté de la cosmologie n'est pas du tout dogmatique quant au besoin de matière noire en laquelle nous « croyons » parce que toutes ces observations l'exigent. Pourtant, malgré tous les efforts déployés pour modifier la relativité, aucune modification connue ne peut expliquer même deux de ces quatre points, et encore moins les quatre. Mais la matière noire peut, et le fait.

Ce n'est pas parce que la matière noire semble être un facteur flou pour certains, par rapport à l'idée de modifier la gravité d'Einstein, que ce dernier a un poids supplémentaire. Comme l'a écrit Umberto Eco dans le Pendule de Foucault : « Comme l'a dit l'homme, pour chaque problème complexe, il y a une solution simple, et c'est faux. Si quelqu'un essaie de vous vendre la gravité modifiée, posez-lui des questions sur le fond diffus cosmologique. Interrogez-les sur la structure à grande échelle. Interrogez-les sur la nucléosynthèse du Big Bang et sur la suite complète d'autres observations cosmologiques. Jusqu'à ce qu'ils aient une réponse solide qui soit aussi bonne que celle de la matière noire, ne vous laissez pas satisfaire.

Quatre amas de galaxies en collision, montrant la séparation entre les rayons X (rose) et la gravitation (bleu), . [+] indicatif de la matière noire. À grande échelle, la matière noire froide est nécessaire, et aucune alternative ou substitut ne fera l'affaire.

Rayons X : NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optique/lentille : CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (en haut à gauche) Radiographie : NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al. Optique : NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (en haut à droite) ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milan, Italie)/CFHTLS (en bas à gauche) Radiographie : NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) et S. Allen (Stanford University) (en bas à droite)

La gravité modifiée ne peut pas prédire avec succès la structure à grande échelle de l'Univers comme le ferait un Univers rempli de matière noire. Période. Et jusqu'à ce qu'il le puisse, cela ne vaut pas la peine de s'y intéresser en tant que concurrent sérieux. Vous ne pouvez pas ignorer la cosmologie physique dans vos tentatives de déchiffrer le cosmos, et les prédictions de la structure à grande échelle, le fond des micro-ondes, les éléments lumineux et la courbure de la lumière des étoiles sont quelques-unes des prédictions les plus fondamentales et les plus importantes de la cosmologie physique. . MOND a une grande victoire sur la matière noire : il explique les courbes de rotation des galaxies mieux que la matière noire ne l'a jamais fait, y compris jusqu'à nos jours. Mais ce n'est pas encore une théorie physique, et elle n'est pas cohérente avec l'ensemble des observations dont nous disposons. Jusqu'à ce jour, la matière noire sera à juste titre la principale théorie de ce qui compose la masse de notre Univers.


Comment fonctionne la gravité : la « théorie du caméléon » pourrait fournir une alternative à la théorie de la relativité générale d'Einstein

En 1915, Albert Einstein a publié sa théorie pionnière de la relativité générale (GR) qui décrit magnifiquement la nature de la gravité et ses effets sur les grands objets dans l'espace. Depuis lors, ce travail a constitué le fondement de la compréhension des scientifiques de notre univers.

Mais malgré son importance, la relativité générale n'est pas la seule explication du fonctionnement de la gravité. En fait, divers scientifiques ont proposé des théories alternatives au fil du temps, mais il convient de noter qu'aucune d'entre elles n'est cohérente avec les données expérimentales dans la mesure où la RG l'est.

Maintenant, une équipe de scientifiques de l'Université de Durham, au Royaume-Uni, a publié une étude dans la revue Astronomie de la nature ce qui suggère que l'une de ces théories alternatives&mdashconnue sous le nom de gravité f(R) ou "théorie du caméléon"&mdash pourrait en fait expliquer comment la gravité fonctionne dans certaines situations.

"La théorie du caméléon est une classe de théories de la gravité alternative à la relativité générale d'Einstein", a déclaré Baojiu Li, co-auteur principal de l'article de l'Institute for Computational Cosmology (ICC) de Durham. Semaine d'actualités. « Dans cette théorie, en plus de la force gravitationnelle standard, il y a une force supplémentaire, la soi-disant « cinquième force », car elle est différente des quatre autres types d'interactions fondamentales.

"La théorie a une dynamique non linéaire, ce qui permet à la force supplémentaire d'être commodément "cachée" dans des régions denses telles que notre système solaire, où les expériences n'en ont trouvé aucune preuve", a déclaré Li. "Dans les régions à faible densité, cependant, les données expérimentales sont rares et la force supplémentaire peut être à l'œuvre, ce qui affectera la façon dont les choses gravitent. Un tel comportement dépendant de l'environnement de la théorie lui vaut le nom de" Caméléon ". "

Pour leur étude, l'équipe a effectué des simulations de superordinateur avancées qui ont montré que des galaxies pouvaient encore se former dans un univers où les principes de la théorie des caméléons s'appliquaient.

"Ce que nous avons découvert, c'est que des galaxies réalistes comme notre Voie lactée peuvent se former, avec des propriétés telles qu'observées, même avec le comportement compliqué de la cinquième force, ce n'est en aucun cas garanti", a déclaré Li. "Cela montre également que la théorie du caméléon peut faire certaines prédictions distinctes sur l'évolution des structures à grande échelle dans l'univers à partir de la RG."

Les dernières découvertes pourraient avoir des implications importantes pour notre compréhension de phénomènes tels que les trous noirs et le rôle qu'ils jouent dans la formation des galaxies, ainsi que la nature de la soi-disant « énergie noire » et la mystérieuse force ou substance que les scientifiques utilisent pour expliquer l'accélération taux d'expansion de l'univers. Les chercheurs disent que les dernières découvertes pourraient aider à jeter un nouvel éclairage sur les propriétés de l'énergie noire, par exemple.

"La relativité générale a très bien réussi à expliquer de nombreux phénomènes et est l'un des fondements de la cosmologie moderne", a déclaré Li. "Cependant, une chose qui a déconcerté les cosmologistes est la preuve observationnelle que l'expansion de l'univers s'accélère. Dans le cadre de la RG, le taux d'expansion est déterminé par la densité de matière dans l'univers, et en tenant compte de toutes les espèces de matière connues , y compris la matière noire, la théorie de la RG prédit que ce taux doit toujours décélérer."

"Par conséquent, il faut supposer qu'il existe d'autres matériaux non détectés jusqu'à présent dans l'univers, ce qui accélère son taux d'expansion", a déclaré Li. "Une soi-disant constante cosmologique est l'une des possibilités les plus simples, mais son origine et sa valeur se sont avérées difficiles à expliquer, ce qui motive d'autres explications alternatives, telles que l'énergie noire."

La théorie du caméléon est un exemple d'une autre classe d'explications alternatives, connues sous le nom de théories de la gravité modifiée, dans lesquelles l'accélération de l'expansion de l'univers est supposée être due à une loi gravitationnelle modifiée par rapport à GR.

"L'expansion accélérée est l'une des plus grandes questions de la cosmologie moderne, et les modèles d'énergie noire et de gravité modifiée sont activement étudiés afin de trouver une réponse satisfaisante", a déclaré Li. "La théorie du caméléon est un modèle de gravité modifié populaire."

Les chercheurs soulignent que leurs résultats ne prouvent pas que la relativité générale est nécessairement fausse, mais qu'elle ne doit pas être le seul moyen d'expliquer le rôle de la gravité dans l'évolution de l'univers.

"Ces résultats à eux seuls ne suggèrent aucun problème avec la RG", a déclaré Li. « Le succès de la RG dans l'explication des comportements gravitationnels à petite échelle comme dans le système solaire et à l'échelle du système solaire n'est pas gâché. possibilité de théories alternatives."

"Cette étude est la première fois à démontrer qu'une théorie alternative de la gravité, malgré son comportement compliqué de la force gravitationnelle, peut toujours créer des galaxies réalistes", a déclaré Li. "Des études comme celle-ci nous aideront à vérifier la faisabilité d'une théorie, ainsi qu'à identifier les endroits où nous pouvons tester les différentes théories de la gravité à l'aide de futures données d'observation. Bien sûr, beaucoup plus de travail est nécessaire pour parvenir à une conclusion finale."

La prochaine étape pour l'équipe de Durham consiste à tester leurs découvertes à l'aide de données expérimentales du monde réel. Cependant, ils devront attendre l'ouverture l'année prochaine du Square Kilometer Array en Afrique du Sud, ce qui sera le plus grand radiotélescope au monde, pour mener ces recherches.

Cet article a été mis à jour pour inclure des commentaires supplémentaires de Baojiu Li.


Matière noire, énergie noire et gravité

permettez-moi de préciser qu'ici mon intention n'est pas d'attaquer une "théorie bien établie".

S'il y a des non-physiciens dans ce forum, alors je veux juste leur dire qu'avec le temps nos théories scientifiques deviennent de plus en plus fortes et la physique et d'ailleurs toute autre science est beaucoup plus proche de la vérité que toute croyance religieuse.

Je voudrais retirer mes arguments si quelqu'un se sent offensé.


cher Zz encore merci pour la discussion.

Je ne suis pas convaincu que vous connaissiez suffisamment les données d'observation pour faire cette déclaration. Pourriez-vous développer s'il vous plaît

Pourquoi? N'est-ce pas un préjugé philosophique que nous devrions pouvoir voir ce qui constitue la majorité de la matière dans l'univers ?

Le fait que nous ne puissions pas le voir signifie qu'il interagit faiblement avec la matière ordinaire, ce qui signifie qu'il n'est pas surprenant que nous ne l'ayons pas identifié en laboratoire.

Que voulez-vous dire par "ne peut pas justifier son existence" ? La nature n'a pas besoin de se justifier auprès de nous.

La plupart me dépassent. Je ne sais pas de quel type de force vous parlez.

GR qui est "la" théorie de la gravité jusqu'ici que nous avons et il est clair que "la gravité est la déformation de la structure géométrique de l'espace-temps par l'énergie".

Alors où est la force dont tu parles


La gravité, la force.
Il n'y a pas de problème avec votre déclaration. Mais, comme je le vois votre déclaration
fait référence à "l'effet" de la gravité.
Brian Greene, Stephen Hawking et Edward Witten rapportent tous que la gravité
est l'une des quatre forces fondamentales de la nature.
Ils sont nommés force « Forte » (la particule est le « Gluon »),
La force électromagnétique (la particule est le « photon »), la force faible (la particule est un « bosons de jauge faible ») et la force de gravité (la particule est le « graviton »).
La façon dont je le vois, si la gravité dépend de la particule messagère "graviton",
alors chaque atome de l'univers devrait être entouré ou
immergé dans un nuage de gravitons de tous les autres atomes de l'univers.
Brian Greene travaille actuellement sur une nouvelle théorie « quantique » de la gravité.
Joël

Je veux juste savoir combien d'entre vous croient qu'il y a de la matière noire et de l'énergie noire dans l'univers et combien d'entre vous croient qu'il y a quelque chose qui ne va pas dans notre compréhension de la gravité.

La gravité, la force.
Il n'y a pas de problème avec votre déclaration. Mais, comme je le vois votre déclaration
fait référence à "l'effet" de la gravité.
Brian Greene, Stephen Hawking et Edward Witten rapportent tous que la gravité
est l'une des quatre forces fondamentales de la nature.
Ils sont nommés force « Forte » (la particule est le « Gluon »),
La force électromagnétique (la particule est le « photon »), la force faible (la particule est un « bosons de jauge faible ») et la force de gravité (la particule est le « graviton »).
La façon dont je le vois, si la gravité dépend de la particule messagère "graviton",
alors chaque atome de l'univers devrait être entouré ou
immergé dans un nuage de gravitons de tous les autres atomes de l'univers.
Brian Greene travaille actuellement sur une nouvelle théorie « quantique » de la gravité.
Joël

Oubliez la force. Demandez à Frank Wilczek (j'ai oublié la référence mais il y a un bon article écrit par lui pour la physique aujourd'hui, consultez sa page Web). Il dira qu'il n'y a rien qui s'appelle force. Tous les quatre sont des interactions. Pouvez-vous écrire une expression pour la force sur la base du modèle standard de la physique des particules pour une interaction forte ou d'ailleurs pour une interaction faible. J'espère que vous ne pouvez pas. C'est en raison de l'utilisation excessive de la mécanique newtonienne dans notre vie que nous recherchons toujours la force. J'espère que la prochaine fois vous utiliserez le terme "interactions fondamentales" à la place de "forces fondamentales".

Oubliez la force. Demandez à Frank Wilczek (j'ai oublié la référence mais il y a un bon article écrit par lui pour la physique aujourd'hui, consultez sa page Web). Il dira qu'il n'y a rien qui s'appelle force. Tous les quatre sont des interactions. Pouvez-vous écrire une expression pour la force sur la base du modèle standard de la physique des particules pour une interaction forte ou d'ailleurs pour une interaction faible. J'espère que vous ne pouvez pas. C'est en raison de l'utilisation excessive de la mécanique newtonienne dans notre vie que nous recherchons toujours la force. J'espère que la prochaine fois vous utiliserez le terme "interactions fondamentales" à la place de "forces fondamentales".

Vous pouvez « croire » tout ce que vous voulez, mais puisqu'il s'agit de physique/astronomie, une telle affirmation ne vaut rien à moins qu'elle ne soit étayée par une formulation théorique solide et/ou une observation expérimentale valide. Autant dire que vous croyez à la fée des dents.

Les directives de PF contre les publications trop spéculatives peuvent être trouvées ici :

Vous pouvez « croire » tout ce que vous voulez, mais puisqu'il s'agit de physique/astronomie, une telle affirmation ne vaut rien à moins qu'elle ne soit étayée par une formulation théorique solide et/ou une observation expérimentale valide. Autant dire que vous croyez à la fée des dents.

Les directives de PF contre les publications trop spéculatives peuvent être trouvées ici :

Mon commentaire est évident. Bekenstein pense qu'il poursuit une approche valable qui éviterait le besoin de DM pour expliquer certaines observations astronomiques. Il essaie d'offrir une alternative à DM.

Juste un commentaire vaguement construit par Joel, IMO, Zz. Nous préférons généralement plus de contenu que "Je crois" dans les messages ici, Joel. Mais n'hésitez pas à croire, il suffit de « montrer le calcul » [les raisons spécifiques pour lesquelles vous pensez comme vous le faites] afin que nous ayons quelque chose à mâcher [les scientifiques se nourrissent de la chair des autres].

Salut jagyb et bienvenue sur PF [et Joel aussi] ! J'ai lu ces articles et je les trouve déroutants. Bekenstein a fait de très beaux travaux sur les trous noirs, mais je trouve ses articles sur la matière noire trop ad hoc à mon goût.

Salut chronos et un grand merci pour l'accueil.

J'habite à Aspen, CO, donc je passe du temps avec des physiciens même si je n'en suis pas un. Espérons que quelque part entre "je crois" et les mathématiques sophistiquées, il y a un certain niveau de discussion auquel je peux participer ici.

Le dernier visiteur ici qui a fait une présentation publique était John Womersley qui a fait une conférence intitulée "The Quantum Universe". M. Womersley était un très bon sujet de toutes sortes et la façon dont il est mis en place est clairement ce qu'il connaît beaucoup de mathématiques. J'ai l'impression qu'il est content de chercher des DM avec de nouveaux outils au CERN, mais que ce n'est pas quelque chose qu'il aurait inventé tout seul en un million d'années.

Le seul autre commentaire général que j'ai à propos du DM est que si le GR d'Einstein commence enfin à montrer des effets d'âge vers le 100e jour, le besoin de DM peut également disparaître à ce moment-là. C'est ce que Milgrom et Bekenstein semblent anticiper.


Existe-t-il des explications alternatives à la force gravitationnelle que nous attribuons à la matière noire ? - Astronomie

Si la gravité fonctionnait différemment sur de grandes distances, cela résoudrait-il le mystère de la matière noire ?

Je ne peux pas dire que c'est impossible. Des idées alternatives ont été proposées pour défier même des théories extrêmement bien testées comme la relativité générale. Il n'est en fait pas si difficile de proposer une théorie alternative qui explique les observations mieux que la théorie standard, car vous pouvez toujours affiner les paramètres de la théorie alternative pour qu'ils correspondent à ce qui est observé. On pourrait même faire valoir que les théories alternatives de la gravitation ne sont pas plus ad hoc qu'un modèle standard qui inclut à la fois la matière noire et l'énergie noire que nous sommes encore incapables d'identifier !

But the standard "cold dark matter" scenario actually does an excellent job of explaining the structure of the universe across a broad range of scales. Any competing theory would have to explain that just as well. And in fact, the ultimate test of an alternative theory is whether it can both explain existing observations *and* predict the results of future observations better than the standard model. So far, no alternative explanation has been able to predict the results of observations convincingly enough for most astronomers and physicists to doubt the existence of dark matter.

Update: Since posting this answer, I've been reminded that gravitational lensing observations of galaxies show pretty conclusively that not all the matter in galaxies is in the stars. That is, we know that gravity bends light. And there appears to be bending of light happening on the outskirts of galaxies where there aren't any stars. This provides a pretty serious problem for any theory that's offering an alternative to dark matter.

This page was last updated June 27, 2015.

A propos de l'auteur

Christophe Springob

Chris étudie la structure à grande échelle de l'univers en utilisant les vitesses particulières des galaxies. Il a obtenu son doctorat à Cornell en 2005 et est maintenant professeur adjoint de recherche à l'Université d'Australie occidentale.


Are there any alternative explanations for the gravitational force we attribute to dark matter? - Astronomie

If gravity worked differently across large distances, would that solve the mystery of dark matter?

I can't say that it's impossible. Alternative ideas have been offered to challenge even extremely well-tested theories like general relativity. It's actually not so difficult to come up with an alternative theory that explains the observations better than the standard theory, since you can always fine-tune parameters in the alternative theory to match what's observed. One could even make the case that alternative theories of gravitation aren't any more ad hoc than a standard model that includes both dark matter and dark energy that we're as yet unable to identify!

But the standard "cold dark matter" scenario actually does an excellent job of explaining the structure of the universe across a broad range of scales. Any competing theory would have to explain that just as well. And in fact, the ultimate test of an alternative theory is whether it can both explain existing observations *and* predict the results of future observations better than the standard model. So far, no alternative explanation has been able to predict the results of observations convincingly enough for most astronomers and physicists to doubt the existence of dark matter.

Update: Since posting this answer, I've been reminded that gravitational lensing observations of galaxies show pretty conclusively that not all the matter in galaxies is in the stars. That is, we know that gravity bends light. And there appears to be bending of light happening on the outskirts of galaxies where there aren't any stars. This provides a pretty serious problem for any theory that's offering an alternative to dark matter.

This page was last updated June 27, 2015.

A propos de l'auteur

Christophe Springob

Chris étudie la structure à grande échelle de l'univers en utilisant les vitesses particulières des galaxies. Il a obtenu son doctorat à Cornell en 2005 et est maintenant professeur adjoint de recherche à l'Université d'Australie occidentale.


What are WIMPs?

Historically, one popular candidate for dark matter is a particle which, ironically for something that’s actually supposed to be quite hefty, is called a “WIMP” but don’t be misled: it actually stands for “weakly-interacting massive particle”. And these WIMPs may occasionally be knocking into the atoms in your body, which might help us detect them! Katie Haylor spoke to Katherine Freese from the University of Michigan to learn - what exactly IS a WIMP?

Katherine - There's a lot in that name. If we're right and these are the dark matter particles then there would be billions of them going through you every second. But they're not going to do anything to you because the interactions are really really weak. There are four forces of nature that we know about there is of course gravity, electromagnetism, the strong force that holds your nuclei together, and the fourth one is the weak force. So we know that WIMPs feel gravity and we know that they don't have anything to do with electromagnetic force because they don't give off light, and the strong force when they bump into you they are not knocking you over so weakly interacting mass of particles means that they have the weak force only in addition to gravity and that they weigh about 1 to 10 thousand times as much as a proton.

Katie - Okay. So why do think that these are the dark matter particles then?

Katherine - One of the reasons that we think WIMPs are such good candidates is because they're automatically there in particle theories that have nothing to do with dark matter. Supersymmetry is an extension of the standard model of particle physics and if you postulate supersymmetry you are automatically get twice the number of particles. For every particle we have today, you have a partner which will be heavier than the particles we know about. And the lightest one of these supersymmetric candidates, that makes a perfect WIMP candidate. And we didn't put it in there to explain the dark matter problem, it automatically comes out of theories that have nothing to do with dark matter. Killing two birds with one stone is a good thing.

Katie - How do we go about trying to detect these particles in the first place if they're so hard to find?

Katherine - The way to look for WIMPs is to look for them scattering off of detectors. You have to put these detectors deep underground to get away from competing signals so you have to go about a mile underground. Some of these detectors are made of giant vats of xenon liquid. Some of the other detectors are made of crystals of very specialised material such as sodium iodide crystals. So deep underneath the mountains you have these detectors sitting there waiting for WIMPs to hit them, and then occasionally you'll get a signal, that's the idea.

Katie - How big are these things?

Katherine - The xenon detectors are a ton in size, you need a ton of material. Even with that, then the expected count rates you'd get one WIMP hitting one xenon nucleus a day. When WIMPs hit the detectors it eventually gives rise to a signal of light and there are specialised tubes that measure when the light hits them. Another thing to look for is when the WIMP hits the detectors they produce phonons this is sort of like heat travelling through the detector and you look for that heat deposit.

Katie - Have there been any promising results?

Katherine - There is one experiment that has results. This is the DAMA/LIBRA experiment that is made of sodium iodide crystals and it’s sitting under the Apennine mountains outside of Rome. What the DAMA/LIBRA experiment sees is an effect which my collaborators and I predicted back in the 1980s. Because the Earth is going around the Sun, the count rate in the detector should go up and down with the time of year, and this is exactly the kind of signal that DAMA/LIBRA has pulled out of their data and they see it. They now have more than 10 years worth of data and there is absolutely no doubt that they're seeing something modulating, but the question of course is is it dark matter or something else.

Katie - Why would you expect the dark matter signal to vary at different times of year?

Katherine - The count rate on these detectors depends on our speed relative to the WIMPs. That speed is determined by two things: first of all, as the sun moves around the centre of the galaxy we are moving into what you might think of as a wind of WIMPs it's like when you're driving, it looks like the raindrops are coming into your windshield because you're actually moving into them,so the same thing is true for us. However, on top of that the Earth moves around the sun which means that the speed with which we're moving into the wind of WIMPs changes with the time of year. So when you add those two together then we're moving the fastest into the WIMP wind in June and the slowest in December, so we expect a lot more counts in June than we would get in December.

Katie - Is that what you get in the data then?

Katherine - Well, what they're measuring is the WIMP hits the sodium iodide crystals and then that causes a flash of light, and you can count how many light flashes you get. Now most of them are due to background, to junk that you have to remove but what you're hoping is every now and then one of them is really due to a WIMP. So they count the number of light signals they're getting at all different times of the year - you can see that it goes up and down with the time of year. It exactly matches our predictions which is pretty amazing.

Katie - Are there any potential issues with that because I can imagine there's quite a few things that vary with the different times of year, right? Do you know that it's the WIMPs?

Katherine - That's the problem, we don't know that it's there WIMPs. People, of course, at the beginning proposed many many alternative to WIMPs that could explain the seasonal variations. They thought ah well, it could be the temperature it could be the atmosphere it could be muons it could be all kinds of different things, but it turns out that all of those alternative explanations are just plain wrong. So nobody has any alternative explanation to the WIMPs but the reason we are not all jumping up and down with joy is that when you get this kind of signal you have to repeat it in another experiment, but the vats of xenon are sitting in the same laboratory right next door and they don't see a signal. So what is going on? We have to have more sodium iodide crystals somewhere else on earth to check what is going on with DAMA.

Katie - And is that going on then?

Katherine - Yes it is. There are three experiments looking for it and these three experiments are the Cosine 100 experiment which is based in Korea. There's also another one called Sabre which is a joint Princeton-Australian collaboration, and a third one on in Eise in Spain. So within the next 3 to 5 years we will have an answer or was DAMA actually seeing WIMPs or was it some noisy signal that we'll never be able to explain?


Does the dark matter in a galaxy form a disk or a sphere?

Ordinary matter in most galaxies forms a disk. Does the dark matter also collapse into the same disk or does it remain a big blobby sphere around the center of a galaxy due to its lack of interaction through forces other than gravity?

It's a big blobby sphere because, as you say, it doesn't interact through any forces other than gravity.

Because of angular momentum, and the gravitational effects of the galactic disc and of other galaxies passing by, it's not going to be a perfect sphere - it will be ellipsoidal, or even triaxial. A thick disc might also be possible - you could get this by stripping dark matter off an orbiting dwarf galaxy, for instance.

Some people have speculated about another form of dark matter, that could interact with itself in other means and form a thin disc. But this is an alternative and speculative proposal, and isn't the standard understanding of dark matter.

I read here earlier that supermassive intergalactic black holes could account for the effects seen attributed to dark matter. Is this theory a scientific possibility or a nor random speculation?

WIMPS are postulated to interact via the weak nuclear force. This is how detectors like LUX are hoping to see them.

The galactic orbital speed of stars in galaxies would drop off with distance from the center of the galaxy if the dark matter distribution matched the mass distribution that we see from visible matter --e.g. stars and dust clouds. Another analogy is the orbital speeds of the planets around the Sun: Mercury orbits extremely quickly because it is close to the concentrated mass of the sun in the solar system. Each planet further out from the sun orbits correspondingly more slowly, because 99% of the solar system's mass is in the sun. The stars in galaxies don't follow this pattern. Instead they're all orbiting pretty close to the same speed regardless of their distance from the center. There is some variation with distance but not nearly what youɽ expect to see from mass concentrations of visible matter. This is how Dark Matter was discovered. The only way to explain the velocity distribution of stars in galaxies is if the visible disc of the galaxy is itself embedded in a globular sphere of mass. It isn't necessarily a perfect sphere, but it must have its mass distributed semi uniformly across the volume -- ie not concentrated in a disk that trails off at the edges.

If dark matter doesn't interact with itself then shouldn't all of it have fallen into black holes? I imagine gravity could bring enough dark matter together to form a black hole since they don't interact with nuclear forces there's nothing to keep it up, it's not like it will form a dark matter star.

What are the chances that Dark Matter isn't any kind of matter at all, but just a lacking in our mathematics used to describe the universe? I'm not well versed in this level of physics, but seems to me someone just said "hey our math is wrong, but if we added a bunch of imaginary matter we otherwise can't explain our equations work perfectly!"

The thing about dark matter is that it's by far the simplest explanation for what we observe. We see a discrepancy between the amount of matter and gravity we observe on so many different scales, from nearby galaxies (by observing the way they rotate) all the way up to the universe as a whole (measurements of the cosmic microwave background).

People have tried very hard (and are still trying!) to come up with a new theory of gravity that can explain all of these discrepancies, but no one has been successful. It's much easier to simply add a new particle.

This might seem like a cheat, but it's not that strange. Most of the particles we have discovered this century were first proposed as a way to explain some weird observation Sometimes the particle was only discovered decades later. And there's nothing so strange about an invisible particle either. It just means that it doesn't interact with photons or ordinary matter. There's no physical law forcing particles to be visible!

Put simply, we measure more mass in galaxies than we can actually see. The most straightforward explanation is that there exists matter we can't see directly. There's no good reason to assume any of our math is wrong.

We've made pretty reliable measurements that have led to our current description of dark matter. My personal favourite are the measurements of collided galaxies: because dark matter only interacts via gravity, the dark matter in the galaxies continue to move in their original directions while the normal matter from both galaxies crash into one another.

It has happened that an improved scientific theory has disproved features that were used to explain unexpected behaviour. To name a few: epicycles, luminous ether, and planet Vulcan. But all of these were just ways to explain incomplete measurements, and while the mathematics changed upon new theories, they all support the same base measurements.

Dark matter is something we've measured, and the one thing we've reliably measured is that it has mass, which means it is matter. So while it's possible that our understanding of dark matter may prove to be incomplete, the fact that it is matter is about as certain as our understanding of gravity.

Iɽ like to offer an alternative possibility it seems possible that it would take a more complex form than a disc or a sphere.

Consider electron orbitals. Electrons are bound to the nucleus by the same kind of 1/r 2 force that governs the gravitational interaction of dark matter with the visible mass of the disc. Depending on factors like the angular momentum of the nucleus—the disc of visible matter, in this analogy—the cloud can take on different shapes. Obviously, since the galaxy isn't really quantized the way an atom is, weɽ probably see a big blobby superposition of possible orbital paths.

But curiously enough, after a lot of filtering (and only using a special space-based x-ray telescope launched in

25,000 lightyears—the height youɽ have to fall from to reach escape velocity for the galaxy, implying that this is some gravitationally bound mass of particles orbiting à travers the galaxy. (it takes on the order of the galaxy's lifetime to make 1000 passes from one tip of those plasma lobes to the other.) It must be hot and dense, since it shines at the most energetic end of the electromagnetic spectrum, but we have little idea what's causing the glow—some speculate that it's associated with dark matter annihilations—presumably with "dark antimatter" or some such—personally, I think that the matter might just not be dark after all. simply shining in colors we couldn't see.


Réponses et réponses

Here's a technical article. Not especially understandable:
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0202466

They did computer simulations of "bottom-up" galaxy formation by the gradual accumulation of smaller clumps clusters and gas-clouds.

Galaxy formation STARTS from a universe that already has a filamentary cobwebby structure based on random pockets of overdensity and underdensity. random accumulations falling headlong towards each other.
Computer simulations of this early universe process match reality remarkably well, even after the largescale cobwebby strands have condensed into clusters of galaxies we still see the traces and remants of that early structure

Google "TED smoot" and watch the last 3 or 4 minutes of George Smoot's talk to the TED meeting in SantaMonica.

Starting from random cobweb strands falling towards each other you are bound to get SOME clumps where there is some net angular momentum. The collapse is asymmetrical.

In the very simplest imaginable picture suppose two clouds of crud collide, radiate some collision energy and remain gravitationally bound. If they don't collide exactly head-on, there will remain some spin in the result.

Quoi http://arxiv.org/abs/astro-ph/0202466 tells you is that once you have a heap of crud that is rotating, and more and more gas pours into it getting swept around and trapped gravitationally (radiating excess energy so it can remain bound) the thing can evolve to disk.

They show pictures of the results of their computer simulation.

In fact their simulation showed that even after collision/merger with another galaxy has disrupted both disks the merged thing can still recover a disk shape. Not always, and not immediately, but in some cases it does.

The pictures are not especially attractive or inspiring, but they show a physical process of spiral galaxy formation.

Eventually after many collisions and mergers you get a "blob" that doesn't form into a disc. These giant blob galaxies are called "elliptical" galaxies.
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The direct answer to your question is, I think, that we do not completely understand the process of spiral galaxy formation. It is still an active research topic. Computer simulations have helped. There are still unexplained things like why there are so MANY spiral galaxies. One would have thought that by now collision/merger would have caused more of them to be ellipsoidal blobs. The models need refining so that the predict the right distribution of shapes and sizes. But it's pretty impressive, I think, how much is already understood.


A Case of MOND Over Dark Matter

According to Newton’s Second Law of Dynamics, objects on the farthest edges of galaxies should have lower velocities than objects near the center. But observations confirm that galaxies rotate with a uniform velocity. Some astronomers believe the orbital behavior of galaxies can be explained more accurately with Modified Newtonian Dynamics (MOND) — a modified version of Newton’s Second Law — than by the rival, but more widely accepted, theory of dark matter. The dark matter theory assumes that a halo of dark matter surrounds each galaxy, providing enough matter (and gravity) that all the stars in a galaxy disc orbit with the same velocity. MOND, however uses a different explanation, and a recent study of eight dwarf galaxies that orbit the Milky Way seems to favor the MOND approach over the dark matter theory.

“MOND was first suggested to account for things that we see in the distant universe,†said Garry Angus, of the University of St Andrews. “This is the first detailed study in which we’ve been able to test out the theory on something close to home. The MOND calculations and the observations appear to agree amazingly well.”

Usually the equation F=ma (force = mass X acceleration) solves your basic acceleration problems. But it doesn’t explain the observed rotation of galaxies. MOND suggests that at low values of acceleration, the acceleration of a particle is not linearly proportional to the force. According to Angus, MOND adds a new constant of nature (a0) to physics, besides the speed of light and Planck’s constant. Above the constant, accelerations are exactly as predicted by Newton’s second law (F=ma). Below it, gravity decays with distance from a mass, rather than distance squared. This constant is so small that it goes unnoticed with the large accelerations that we experience in everyday life. For instance, when we drop a ball the gravity is 100 billion times stronger than a0 and the accelerated motion of the Earth round the Sun is 50 million times stronger. However, when objects are accelerating extremely slowly, as we observe in galaxies or clusters of galaxies, then the constant makes a significant difference to the resulting gravitational forces.

When MOND is applied to nearby dwarf galaxies, one effect is that tidal forces from the Milky Way, which have a negligible effect in classical Newtonian Mechanics, can actually make a big difference. This is particularly significant for the dwarfs orbiting close to our Galaxy.

“In these dwarf galaxies, the internal gravity is very weak compared to the gravity of the Milky Way,” said Angus. “MOND suggests that the Milky Way is a bit like a bank that loans out gravity to nearby dwarf galaxies to make them more stable. However, there are conditions on the loan: if the dwarf galaxies start to approach the bank, the loan is gradually reduced or even cancelled and the dwarfs must pay it back. In two galaxies, we’ve seen what could be signs that they’ve come too close too quickly and are unable to repay the loan fast enough. This appears to have caused disruption to their equilibrium.”

Angus used MOND to calculate the ratio of mass to amount of light emitted by the stars in the dwarf galaxies from the observed random velocities of the stars collected independently. He also calculated the orbital paths of the stars in the dwarf galaxies. In all eight cases, the MOND calculations for the orbits were within predictions. For six of the eight galaxies, the calculations were also a good match to expected values for mass-to-light ratios however for two galaxies, Sextans and Draco, the ratios were very high, which could well suggest tidal effects. The value for Sextans could also be due to poor quality measurements of the galaxy’s luminosity, which Angus said are improving all the time for these ultra dim objects.

“These tidal effects can be tested by updating the 13 year old luminosity of Sextans and making accurate observations of the orbits of Draco and Sextans around the Milky Way. We also need to carry out some detailed simulations to understand the exact mechanisms of the tidal heating,” said Angus.

If Newton’s gravity holds true, the dark matter needed in the dwarf galaxies has constant density in the center which is contrary to theoretical predictions, which suggest density should rise to the center.

“Even without direct detection, the dark matter theory is difficult to prove or refute and although we may not be able to prove whether MOND is correct, by carrying out these kind of tests we can see if it continues to hold up or if it is definitely ruled out,” said Angus.