Dinâmica newtoniana modificada - Modified Newtonian dynamics

A dinâmica newtoniana modificada ( MOND ) é uma hipótese que propõe uma modificação da lei da gravitação universal de Newton para explicar as propriedades observadas das galáxias . É uma alternativa à hipótese da matéria escura em termos de explicar por que as galáxias não parecem obedecer às leis da física atualmente compreendidas.

Criada em 1982 e publicada pela primeira vez em 1983 pelo físico israelense Mordehai Milgrom , a motivação original da hipótese era explicar por que as velocidades das estrelas nas galáxias foram observadas como maiores do que o esperado com base na mecânica newtoniana. Milgrom observou que essa discrepância poderia ser resolvida se a força gravitacional experimentada por uma estrela nas regiões externas de uma galáxia fosse proporcional ao quadrado de sua aceleração centrípeta (em oposição à própria aceleração centrípeta, como na segunda lei de Newton ) ou alternativamente, se a força gravitacional passou a variar inversamente linearmente com o raio (em oposição ao inverso do quadrado do raio, como na lei da gravidade de Newton ). Em MOND, a violação das leis de Newton ocorre em acelerações extremamente pequenas, características de galáxias, mas muito abaixo de qualquer coisa normalmente encontrada no Sistema Solar ou na Terra.

MOND é um exemplo de uma classe de teorias conhecida como gravidade modificada e é uma alternativa à hipótese de que a dinâmica das galáxias é determinada por halos de matéria escura massivos e invisíveis . Desde a proposta original de Milgrom, os proponentes do MOND afirmaram prever com sucesso uma variedade de fenômenos galácticos que eles afirmam serem difíceis de entender como consequências da matéria escura . No entanto, MOND e suas generalizações não explicam adequadamente as propriedades observadas de aglomerados de galáxias , e nenhum modelo cosmológico satisfatório foi construído a partir da hipótese.

A medição precisa da velocidade das ondas gravitacionais em comparação com a velocidade da luz em 2017 descartou muitas hipóteses que usavam a gravidade modificada para descartar a matéria escura. No entanto, nem a formulação bi-métrica de Milgrom de MOND nem MOND não local é excluída por este estudo.

Visão geral

Várias observações independentes apontam para o fato de que a massa visível em galáxias e aglomerados de galáxias é insuficiente para explicar sua dinâmica, quando analisada usando as leis de Newton. Essa discrepância - conhecida como "problema de massa ausente" - foi identificada pela primeira vez para aglomerados pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky em 1933 (que estudou o aglomerado Coma ) e, posteriormente, estendida para incluir galáxias espirais pelo trabalho de 1939 de Horace Babcock em Andrômeda .

Esses primeiros estudos foram aumentados e trazidos à atenção da comunidade astronômica nas décadas de 1960 e 1970 pelo trabalho de Vera Rubin no Carnegie Institute em Washington, que mapeou em detalhes as velocidades de rotação das estrelas em uma grande amostra de espirais. Enquanto as Leis de Newton predizem que as velocidades de rotação estelar devem diminuir com a distância do centro galáctico, Rubin e colaboradores descobriram que permanecem quase constantes - as curvas de rotação são ditas "planas". Esta observação requer pelo menos um dos seguintes:

(1)	Existem nas galáxias grandes quantidades de matéria invisível que aumenta as velocidades das estrelas além do que seria esperado com base apenas na massa visível, ou
(2)	As Leis de Newton não se aplicam a galáxias.

A opção (1) leva à hipótese da matéria escura; a opção (2) leva a MOND.

A premissa básica do MOND é que, embora as leis de Newton tenham sido amplamente testadas em ambientes de alta aceleração (no Sistema Solar e na Terra), elas não foram verificadas para objetos com aceleração extremamente baixa, como estrelas nas partes externas das galáxias . Isso levou Milgrom a postular uma nova lei da força gravitacional efetiva (às vezes chamada de "lei de Milgrom") que relaciona a verdadeira aceleração de um objeto à aceleração que seria prevista para ele com base na mecânica newtoniana. Esta lei, a pedra angular de MOND, é escolhida para reproduzir o resultado newtoniano em alta aceleração, mas leva a um comportamento diferente ("deep-MOND") em baixa aceleração:

${\ displaystyle F _ {\ text {N}} = m \, \ mu \! \! \ left ({\ frac {a} {\, a_ {0} \,}} \ right) \, a ~.}$

( 1 )

Aqui F _N é a força newtoniana, m é a massa do objeto (gravitacional) , a é sua aceleração, μ ( x ) é uma função ainda não especificada (chamada de função de interpolação ) e a ₀ é uma nova constante fundamental que marca a transição entre os regimes newtoniano e deep-MOND. Acordo com a mecânica newtoniana requer

${\ displaystyle {\ begin {alinhado} \ mu (x) \ longrightarrow 1 && {\ text {para}} x \ gg 1 \ end {alinhado}} ~,}$

e consistência com observações astronômicas requer

${\ displaystyle {\ begin {alinhado} \ mu (x) \ longrightarrow x && {\ text {para}} x \ ll 1 \ end {alinhado}} ~.}$

Além desses limites, a função de interpolação não é especificada pela hipótese, embora seja possível restringi-la fracamente empiricamente. Duas escolhas comuns são a "função de interpolação simples":

${\ displaystyle \ mu \! \! \ left ({\ frac {a} {\, a_ {0} \,}} \ right) = {\ frac {1} {\; 1 + {\ frac {\, a_ {0} \,} {a}} \;}} ~,}$

e a "função de interpolação padrão":

${\ displaystyle \ mu \! \! \ left ({\ frac {a} {\, a_ {0} \,}} \ right) = {\ sqrt {{\ frac {1} {\; 1+ \ left ({\ frac {\, a_ {0} \,} {a}} \ right) ^ {2} \;}} ~}} ~.}$

Assim, no regime MOND profundo ( a ≪ a ₀ ):

${\ displaystyle F _ {\ text {N}} = m {\ frac {\, a ^ {2} \,} {\, a_ {0} \,}} ~.}$

Aplicando isso a um objeto de massa m em órbita circular em torno de um ponto de massa M (uma aproximação grosseira para uma estrela nas regiões externas de uma galáxia), encontramos:

${\ displaystyle {\ frac {\, GMm \,} {r ^ {2}}} = m {\ frac {\; \ left ({\ frac {\, v ^ {2} \,} {r}} \ direita) ^ {2} \;} {a_ {0}}} \ quad \ Longrightarrow \ quad v ^ {4} = GMa_ {0} ~,}$

( 2 )

ou seja, a velocidade de rotação da estrela é independente de r , sua distância do centro da galáxia - a curva de rotação é plana, conforme necessário. Ajustando sua lei aos dados da curva de rotação, Milgrom descobriu ser o ideal. Esta lei simples é suficiente para fazer previsões para uma ampla gama de fenômenos galácticos. ${\ displaystyle \, a_ {0} \ approx 1,2 \ times 10 ^ {- 10} \ mathrm {ms} ^ {- 2} \,}$

A lei de Milgrom pode ser interpretada de duas maneiras diferentes:

• Uma possibilidade é tratá-la como uma modificação para a segunda lei de Newton , de modo que a força sobre um objeto não é proporcional à partícula aceleração uma mas sim Neste caso, a dinâmica modificados se aplica não só aos fenômenos gravitacionais, mas também aqueles gerado por outras forças , por exemplo eletromagnetismo .${\ displaystyle \, \ mu \! \ left ({\ frac {a} {\, a_ {0} \,}} \ right) a \ ,.}$
• Alternativamente, a lei de Milgrom pode ser vista como deixando a Segunda Lei de Newton intacta e, em vez disso, modificando a lei do inverso do quadrado da gravidade, de modo que a verdadeira força gravitacional em um objeto de massa m devido a outro de massa M é aproximadamente da forma Nesta interpretação , A modificação de Milgrom se aplicaria exclusivamente aos fenômenos gravitacionais.${\ displaystyle \, {\ frac {\, GMm \,} {\ mu \! \! \ left ({\ frac {a} {a_ {0}}} \ right) r ^ {2}}} ~. }$

Por si só, a lei de Milgrom não é uma teoria física completa e autocontida , mas sim uma variante ad hoc empiricamente motivada de uma das várias equações que constituem a mecânica clássica. Seu status dentro de uma hipótese não relativística coerente de MOND é semelhante à Terceira Lei de Kepler dentro da mecânica newtoniana; fornece uma descrição sucinta dos fatos observacionais, mas deve ser explicada por conceitos mais fundamentais situados na hipótese subjacente. Várias hipóteses clássicas completas foram propostas (normalmente ao longo das linhas de "gravidade modificada" em oposição às linhas de "inércia modificada"), que geralmente geram a lei de Milgrom exatamente em situações de alta simetria e, de outra forma, se desviam ligeiramente dela. Um subconjunto dessas hipóteses não relativísticas foi ainda incorporado em teorias relativísticas, que são capazes de fazer contato com fenômenos não clássicos (por exemplo, lentes gravitacionais ) e cosmologia . Distinguir teoricamente e observacionalmente entre essas alternativas é um assunto de pesquisa atual.

A maioria dos astrônomos , astrofísicos e cosmologistas aceita a matéria escura como a explicação para as curvas de rotação galáctica (com base na relatividade geral e, portanto, na mecânica newtoniana) e está comprometida com uma solução de matéria escura para o problema da massa perdida. O MOND, ao contrário, é estudado ativamente por apenas um punhado de pesquisadores.

A principal diferença entre os defensores do ΛCDM e do MOND está nas observações para as quais eles exigem uma explicação quantitativa robusta e aquelas para as quais estão satisfeitos com uma conta qualitativa ou estão preparados para partir para trabalhos futuros. Os proponentes do MOND enfatizam as previsões feitas em escalas de galáxias (onde o MOND tem seus sucessos mais notáveis) e acreditam que um modelo cosmológico consistente com a dinâmica da galáxia ainda não foi descoberto. Os proponentes do ΛCDM requerem altos níveis de precisão cosmológica (que a cosmologia de concordância fornece) e argumentam que uma resolução dos problemas de escala da galáxia resultará de uma melhor compreensão da complicada astrofísica bariônica subjacente à formação da galáxia .

Evidência observacional para MOND

Uma vez que o MOND foi projetado especificamente para produzir curvas de rotação planas, elas não constituem evidência para a hipótese, mas todas as observações correspondentes contribuem para o suporte da lei empírica. No entanto, os proponentes afirmam que uma ampla gama de fenômenos astrofísicos na escala galáctica são nitidamente contabilizados dentro da estrutura MOND. Muitos deles vieram à tona após a publicação dos artigos originais de Milgrom e são difíceis de explicar usando a hipótese da matéria escura. Os mais proeminentes são os seguintes:

• Além de demonstrar que as curvas de rotação em MOND são planas, a equação 2 fornece uma relação concreta entre a massa bariônica total de uma galáxia (a soma de sua massa em estrelas e gás) e sua velocidade de rotação assintótica. Essa relação predita foi chamada por Milgrom de relação massa-velocidade assintótica (MASSR); sua manifestação observacional é conhecida como relação bariônica de Tully-Fisher (BTFR), e é encontrada em conformidade com a previsão MOND.
• A lei de Milgrom especifica completamente a curva de rotação de uma galáxia dada apenas a distribuição de sua massa bariônica. Em particular, MOND prevê uma correlação muito mais forte entre características na distribuição de massa bariônica e características na curva de rotação do que a hipótese da matéria escura (uma vez que a matéria escura domina o orçamento de massa da galáxia e é convencionalmente assumido que não acompanha de perto a distribuição dos bárions) . Alega-se que tal correlação estreita é observada em várias galáxias espirais, um fato que tem sido referido como "regra de Renzo".
• Uma vez que MOND modifica a dinâmica newtoniana de uma forma dependente da aceleração, ele prevê uma relação específica entre a aceleração de uma estrela em qualquer raio do centro de uma galáxia e a quantidade de massa invisível (matéria escura) dentro desse raio que seria inferida em uma análise newtoniana. Isso é conhecido como relação discrepância-aceleração de massa e foi medido observacionalmente. Um aspecto da predição MOND é de que a massa do escuro inferida matéria ir a zero quando a aceleração centrípeta estelar torna-se maior do que um ₀ , onde reverte MOND a mecânica de Newton. Na hipótese da matéria escura, é um desafio entender por que essa massa se correlaciona tão intimamente com a aceleração, e por que parece haver uma aceleração crítica acima da qual a matéria escura não é necessária.
• Ambos MOND e halos de matéria escura estabilizam galáxias de disco, ajudando-as a reter sua estrutura suportada por rotação e evitando sua transformação em galáxias elípticas . Em MOND, esta estabilidade adicionado está disponível apenas para as regiões de galáxias dentro do regime profunda-MOND (isto é, com um < um ₀ ), sugerindo que as espirais com um > um ₀ nas suas regiões centrais devem ser propenso a instabilidades e portanto menos provável para sobreviver até os dias atuais. Isto pode explicar o " Freeman limite" para a densidade em massa observada superfície central de galáxias em espiral, que é aproximadamente um ₀ / L . Esta escala deve ser colocada manualmente em modelos de formação de galáxias baseados em matéria escura.
• Galáxias particularmente massivas estão dentro do regime newtoniano ( a > a ₀ ) em raios abrangendo a grande maioria de sua massa bariônica. Nestes raios, MOND prevê que a curva de rotação deve cair como 1 / r , de acordo com as Leis de Kepler . Em contraste, da perspectiva da matéria escura, seria de se esperar que o halo aumentasse significativamente a velocidade de rotação e fizesse com que ela assintotasse a um valor constante, como em galáxias menos massivas. As observações de elípticas de grande massa confirmam a previsão do MOND.
• No MOND, todos os objetos gravitacionalmente ligados com a < a ₀ - independentemente de sua origem - devem exibir uma discrepância de massa quando analisados ​​usando a mecânica newtoniana, e devem estar no BTFR. Sob a hipótese de matéria escura, espera-se que objetos formados de material bariônico ejetado durante a fusão ou interação de maré de duas galáxias (" galáxias anãs de maré ") sejam desprovidos de matéria escura e, portanto, não mostrem discrepância de massa. Três objetos inequivocamente identificados como Tidal Dwarf Galaxies parecem ter discrepâncias de massa em estreita concordância com a previsão do MOND.
• Trabalhos recentes mostraram que muitas das galáxias anãs ao redor da Via Láctea e de Andrômeda estão localizadas preferencialmente em um único plano e têm movimentos correlacionados. Isso sugere que eles podem ter se formado durante um encontro próximo com outra galáxia e, portanto, ser Galáxias Anãs das Marés. Em caso afirmativo, a presença de discrepâncias de massa nesses sistemas constitui evidência adicional para MOND. Além disso, foi afirmado que uma força gravitacional mais forte do que a de Newton (como a de Milgrom) é necessária para que essas galáxias retenham suas órbitas ao longo do tempo.
• Em 2020, um grupo de astrônomos analisando dados da amostra de Fotometria Spitzer e Curvas de Rotação Precisas (SPARC), juntamente com estimativas do campo gravitacional externo em grande escala de um catálogo de galáxias de todo o céu, concluiu que havia evidências altamente estatisticamente significativas de violações do princípio de equivalência forte em campos gravitacionais fracos na vizinhança de galáxias com suporte rotacional. Eles observaram um efeito consistente com o efeito de campo externo da dinâmica newtoniana modificada e inconsistente com os efeitos das marés no paradigma do modelo Lambda-CDM comumente conhecido como Modelo Padrão de Cosmologia.

Hipóteses MOND completas

A lei de Milgrom requer incorporação em uma hipótese completa se for para satisfazer as leis de conservação e fornecer uma solução única para a evolução temporal de qualquer sistema físico. Cada uma das teorias descritas aqui se reduz à lei de Milgrom em situações de alta simetria (e, portanto, desfruta dos sucessos descritos acima), mas produz um comportamento diferente em detalhes.

Não relativístico

A primeira hipótese de MOND (apelidada de AQUAL ) foi construída em 1984 por Milgrom e Jacob Bekenstein . AQUAL gera comportamento MONDiano ao modificar o termo gravitacional no Lagrangiano clássico de quadrático no gradiente do potencial newtoniano para uma função mais geral. (AQUAL é um acrônimo para A QUAdratic Lagrangian.) Nas fórmulas:

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ mathcal {L}} _ {\ text {Newton}} & = - {\ frac {1} {8 \ pi G}} \ cdot \ | \ nabla \ phi \ | ^ {2} \\ [6pt] {\ mathcal {L}} _ {\ text {AQUAL}} & = - {\ frac {1} {8 \ pi G}} \ cdot a_ {0} ^ {2} F \ left ({\ tfrac {\ | \ nabla \ phi \ | ^ {2}} {a_ {0} ^ {2}}} \ right) \ end {alinhado}}}$

onde é o potencial gravitacional newtoniano padrão e F é uma nova função adimensional. Aplicar as equações de Euler-Lagrange da maneira padrão leva a uma generalização não linear da equação de Newton-Poisson : ${\ displaystyle \ phi}$

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ left [\ mu \ left ({\ frac {\ left \ | \ nabla \ phi \ right \ |} {a_ {0}}} \ right) \ nabla \ phi \ right] = 4 \ pi G \ rho}$

Isso pode ser resolvido dadas as condições de contorno adequadas e escolha de F para produzir a lei de Milgrom (até uma correção de campo de ondulação que desaparece em situações de alta simetria).

Uma forma alternativa para modificar o termo gravitacional na lagrangianos é introduzir uma distinção entre o verdadeiro campo (MONDian) aceleração de um e o campo de aceleração newtoniano um _N . O Lagrangiano pode ser construído de modo que um _N satisfaça a equação de Newton-Poisson usual e é então usado para encontrar a por meio de um passo algébrico, mas não linear, escolhido para satisfazer a lei de Milgrom. Isso é chamado de "formulação quase linear de MOND", ou QUMOND, e é particularmente útil para calcular a distribuição de matéria escura "fantasma" que seria inferida de uma análise newtoniana de uma dada situação física.

Tanto AQUAL quanto QUMOND propõem mudanças na parte gravitacional da ação clássica da matéria e, portanto, interpretam a lei de Milgrom como uma modificação da gravidade newtoniana em oposição à segunda lei de Newton. A alternativa é transformar o termo cinético da ação em funcional dependendo da trajetória da partícula. Essas teorias de "inércia modificada", no entanto, são difíceis de usar porque são não locais no tempo, exigem que a energia e o momento sejam redefinidos de forma não trivial para serem conservados e têm previsões que dependem da totalidade da órbita de uma partícula.

Relativista

Em 2004, Jacob Bekenstein formulou TeVeS , a primeira hipótese relativística completa usando comportamento MONDian. TeVeS é construído a partir de um Lagrangiano local (e, portanto, respeita as leis de conservação), e emprega um campo vetorial unitário , um campo escalar dinâmico e não dinâmico , uma função livre e uma métrica não Einsteiniana para produzir AQUAL no campo não relativístico limite (velocidades baixas e gravidade fraca). TeVeS teve algum sucesso em fazer contato com lentes gravitacionais e observações de formação de estrutura , mas enfrenta problemas quando confrontado com dados sobre a anisotropia do fundo de micro-ondas cósmico , a vida útil de objetos compactos e a relação entre as lentes e os potenciais de sobredensidade de matéria.

Existem várias generalizações relativísticas alternativas de MOND, incluindo BIMOND e teorias generalizadas de Einstein-Aether. Há também uma generalização relativística de MOND que assume uma invariância do tipo Lorentz como a base física da fenomenologia MOND.

O efeito de campo externo

Na mecânica newtoniana, a aceleração de um objeto pode ser encontrada como a soma vetorial da aceleração devida a cada uma das forças individuais atuando sobre ele. Isso significa que um subsistema pode ser desacoplado do sistema maior no qual está embutido simplesmente referindo o movimento de suas partículas constituintes ao seu centro de massa; em outras palavras, a influência do sistema maior é irrelevante para a dinâmica interna do subsistema. Visto que a lei de Milgrom é não linear em aceleração, os subsistemas MONDian não podem ser dissociados de seu ambiente dessa forma e, em certas situações, isso leva a um comportamento sem paralelo newtoniano. Isso é conhecido como "efeito de campo externo" (EFE), para o qual existem evidências observacionais.

O efeito de campo externo é melhor descrito classificando os sistemas físicos de acordo com seus valores relativos de a _in (a aceleração característica de um objeto dentro de um subsistema devido à influência de outro), a _ex (a aceleração de todo o subsistema devido às forças exercidas por objetos fora dele), e um ₀ :

• ${\ displaystyle a _ {\ mathrm {in}}> a_ {0}}$ : Regime newtoniano

• ${\ displaystyle a _ {\ mathrm {ex}} <a _ {\ mathrm {in}} <a_ {0}}$ : Regime Deep-MOND

• ${\ displaystyle a _ {\ mathrm {in}} <a_ {0} <a _ {\ mathrm {ex}}}$ : O campo externo é dominante e o comportamento do sistema é newtoniano.

• ${\ displaystyle a _ {\ mathrm {in}} <a _ {\ mathrm {ex}} <a_ {0}}$ : O campo externo é maior que a aceleração interna do sistema, mas ambos são menores que o valor crítico. Neste caso, a dinâmica é newtoniana, mas o valor efetivo de G é reforçada por um fator de um ₀ / uma _ex .

O efeito de campo externo implica uma ruptura fundamental com o princípio de equivalência forte (mas não necessariamente com o princípio de equivalência fraca ). O efeito foi postulado por Milgrom no primeiro de seus artigos de 1983 para explicar por que alguns aglomerados abertos não apresentavam discrepância de massa, embora suas acelerações internas estivessem abaixo de ₀ . Desde então, passou a ser reconhecido como um elemento crucial do paradigma MOND.

A dependência em MOND da dinâmica interna de um sistema em seu ambiente externo (em princípio, o resto do universo ) é fortemente reminiscente do princípio de Mach e pode sugerir uma estrutura mais fundamental subjacente à lei de Milgrom. A esse respeito, Milgrom comentou:

Há muito se suspeita que a dinâmica local é fortemente influenciada pelo universo em geral, o princípio a -la Mach, mas MOND parece ser o primeiro a fornecer evidências concretas para tal conexão. Esta pode acabar sendo a implicação mais fundamental do MOND, além de sua modificação implícita da dinâmica newtoniana e da relatividade geral, e além da eliminação da matéria escura.

De fato, o potencial ligação entre a dinâmica MONDian e o universo como um todo (isto é, cosmologia) é aumentada pela observação de que o valor de um ₀ (determinado por ajustes para propriedades internas de galáxias) é dentro de uma ordem de grandeza de cH ₀ , onde c é a velocidade da luz e H ₀ é a constante de Hubble (uma medida da taxa de expansão atual do universo). Também está próximo da taxa de aceleração do universo e, portanto, da constante cosmológica . No entanto, ainda não foi construída nenhuma hipótese completa que manifeste essas conexões de uma forma natural.

Respostas e críticas

Explicação da matéria escura

Embora reconheçam que a lei de Milgrom fornece uma descrição sucinta e precisa de uma gama de fenômenos galácticos, muitos físicos rejeitam a ideia de que a própria dinâmica clássica precisa ser modificada e tentam, em vez disso, explicar o sucesso da lei com referência ao comportamento da matéria escura. Algum esforço foi feito no sentido de estabelecer a presença de uma escala de aceleração característica como uma consequência natural do comportamento dos halos de matéria escura fria, embora Milgrom tenha argumentado que tais argumentos explicam apenas um pequeno subconjunto dos fenômenos MOND . Uma proposta alternativa é modificar as propriedades da matéria escura (por exemplo, fazer com que ela interaja fortemente com ela mesma ou com os bárions) para induzir o acoplamento estreito entre a massa bariônica e a matéria escura para a qual as observações apontam. Finalmente, alguns pesquisadores sugerem que explicar o sucesso empírico da lei de Milgrom requer uma ruptura mais radical com as suposições convencionais sobre a natureza da matéria escura. Uma ideia (apelidada de "matéria escura dipolar") é tornar a matéria escura polarizável gravitacionalmente pela matéria comum e fazer com que essa polarização aumente a atração gravitacional entre os bárions.

Problemas pendentes para MOND

O problema mais sério que a lei de Milgrom enfrenta é que ela não pode eliminar completamente a necessidade de matéria escura em todos os sistemas astrofísicos: os aglomerados de galáxias mostram uma discrepância de massa residual mesmo quando analisados ​​usando MOND. O fato de que alguma forma de massa invisível deve existir nesses sistemas diminui a elegância do MOND como uma solução para o problema da massa ausente, embora a quantidade de massa extra necessária seja um quinto daquela de uma análise newtoniana, e não há exigência de que a massa ausente não é bariônica. Especulou-se que neutrinos de 2 eV poderiam ser responsáveis ​​pelas observações de aglomerados em MOND, preservando os sucessos da hipótese na escala da galáxia. De fato, a análise de dados de lentes nítidas para o aglomerado de galáxias Abell 1689 mostra que o MOND só se torna distinto na distância Mpc do centro, de modo que o enigma de Zwicky permanece, e neutrinos de 1,8 eV são necessários nos aglomerados.

A observação de 2006 de um par de aglomerados de galáxias em colisão, conhecido como " Bullet Cluster ", representa um desafio significativo para todas as teorias que propõem uma solução gravimétrica modificada para o problema de massa ausente, incluindo MOND. Os astrônomos mediram a distribuição da massa estelar e do gás nos aglomerados usando luz visível e de raios-X , respectivamente, e, além disso, mapearam a densidade de matéria escura inferida usando lentes gravitacionais. No MOND, seria de se esperar que a "massa perdida" fosse centrada em regiões de massa visível que experimentam acelerações menores que ₀ (assumindo que o efeito de campo externo é desprezível). Em ΛCDM, por outro lado, seria de se esperar que a matéria escura fosse significativamente deslocada da massa visível porque os halos dos dois aglomerados em colisão passariam um pelo outro (assumindo, como é convencional, que a matéria escura não colide), enquanto o gás de cluster interagiria e terminaria no centro. Um deslocamento é visto claramente nas observações. Foi sugerido, no entanto, que os modelos baseados em MOND podem ser capazes de gerar tal deslocamento em sistemas fortemente não esféricos simétricos, como o Bullet Cluster.

Uma evidência significativa em favor da matéria escura padrão são as anisotropias observadas na radiação cósmica de fundo . Enquanto ΛCDM é capaz de explicar o espectro de potência angular observado, MOND tem muito mais dificuldade. O MOND também encontra dificuldades para explicar a formação da estrutura , com as perturbações de densidade no MOND crescendo tarde demais para formar as galáxias e aglomerados observados hoje.

Vários outros estudos notaram dificuldades observacionais com MOND. Por exemplo, foi afirmado que MOND oferece um ajuste pobre para o perfil de dispersão de velocidade de aglomerados globulares e o perfil de temperatura de aglomerados de galáxias, que diferentes valores de ₀ são necessários para concordar com as curvas de rotação de diferentes galáxias, e que MOND é naturalmente inadequado para formar a base de uma hipótese de cosmologia. Além disso, muitas versões do MOND prevêem que a velocidade da luz é diferente da velocidade da gravidade, mas em 2017 a velocidade das ondas gravitacionais foi medida para ser igual à velocidade da luz.

Além dessas questões observacionais, MOND e suas generalizações relativísticas são atormentadas por dificuldades teóricas. Vários acréscimos ad hoc e deselegantes à relatividade geral são necessários para criar uma hipótese com um limite não relativístico não newtoniano, a abundância de diferentes versões da hipótese oferecem previsões divergentes em situações físicas simples e, portanto, tornam difícil testar a estrutura de forma conclusiva , e algumas formulações (principalmente aquelas baseadas na inércia modificada) há muito sofrem de baixa compatibilidade com princípios físicos acalentados, como as leis de conservação.

Propostas para teste MOND

Vários testes observacionais e experimentais foram propostos para ajudar a distinguir entre modelos baseados em matéria escura e MOND:

• A detecção de partículas adequadas para constituir matéria escura cosmológica sugeriria fortemente que ΛCDM está correto e nenhuma modificação nas leis de Newton é necessária.
• Se o MOND for tomado como uma teoria da inércia modificada, ele prevê a existência de acelerações anômalas na Terra em determinados lugares e épocas do ano. Isso poderia ser detectado em um experimento de precisão. Esta previsão não seria válida se MOND fosse tomada como uma teoria da gravidade modificada, já que o efeito de campo externo produzido pela Terra cancelaria os efeitos MONDian na superfície da Terra.
• Foi sugerido que o MOND poderia ser testado no Sistema Solar usando a missão LISA Pathfinder (lançada em 2015). Em particular, pode ser possível detectar as tensões de maré anômalas previstas pela MOND para existir no ponto de sela Terra-Sol do potencial gravitacional newtoniano. Também pode ser possível medir as correções MOND para a precessão do periélio dos planetas no Sistema Solar ou em uma espaçonave construída para esse fim.
• Um teste astrofísico potencial de MOND é investigar se galáxias isoladas se comportam de maneira diferente de galáxias idênticas que estão sob a influência de um forte campo externo. Outra é pesquisar o comportamento não newtoniano no movimento de sistemas estelares binários onde as estrelas estão suficientemente separadas para que suas acelerações fiquem abaixo de ₀ .
• Testando MOND usando a dependência do redshift da aceleração radial - Sabine Hossenfelder e Tobias Mistele propõem um modelo MOND sem parâmetros que eles chamam de Gravidade Emergente Covariante e sugerem que conforme as medições de aceleração radial melhoram, vários modelos de MOND e partículas de matéria escura podem ser distinguidos porque MOND prevê uma dependência do redshift muito menor.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Técnico:

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• Mannheim, P. (2006). "Alternativas para matéria escura e energia escura". Progress in Particle and Nuclear Physics . 56 (2): 340–445. arXiv : astro-ph / 0505266 . Bibcode : 2006PrPNP..56..340M . doi : 10.1016 / j.ppnp.2005.08.001 . S2CID  14024934 .

Popular:

• Um modelo não padrão , David Merritt, Aeon Magazine, julho de 2021
• Os críticos da matéria escura se concentram nos detalhes, ignoram o quadro geral , Lee, 14 de novembro de 2012
• Milgrom, Mordehai (2009). "MOND: É hora de mudar de ideia?". arXiv : 0908.3842 [ astro-ph.CO ].
• Os que duvidam da "matéria escura" ainda não foram silenciados , World Science, 2 de agosto de 2007
• A matéria escura realmente existe? , Milgrom, Scientific American, agosto de 2002

links externos

• Mídia relacionada à Dinâmica Newtoniana Modificada no Wikimedia Commons

• As páginas do MOND , Stacy McGaugh
• Site de Mordehai Milgrom
• Blog "The Dark Matter Crisis" , Pavel Kroupa, Marcel Pawlowski
• Site de Pavel Kroupa
• Hossenfelder, Sabine (1 de fevereiro de 2016). "O universo superfluido" . Obtido em 2 de fevereiro de 2016 . A matéria escura superfluida pode fornecer uma maneira mais natural de chegar à equação MOND.