Newton’un fizik yasalarını kullanarak Güneş Sistemi’ndeki gezegenlerin hareketlerini oldukça doğru bir şekilde modelleyebiliriz. Ancak 1970’lerin başında, bilim adamları bunun disk galaksiler için işe yaramadığını fark ettiler – dış kenarlarındaki yıldızlar, merkezlerindeki tüm maddenin yerçekimi kuvvetinden uzak – Newton’un teorisinin öngördüğünden çok daha hızlı hareket ediyorlardı.
Bu, fizikçilerin “karanlık madde” adı verilen görünmez bir maddenin ekstra yerçekimi sağlayarak yıldızların hızlanmasına neden olduğunu öne sürmelerine neden oldu – bu son derece popüler hale gelen bir teori. Bununla birlikte, yakın tarihli bir incelemede meslektaşlarım ve ben, çok çeşitli ölçeklerdeki gözlemlerin, 1982’de İsrailli fizikçi Mordehai Milgrom tarafından önerilen ve görünmez madde gerektirmeyen Milgromian dinamikleri veya Mond adlı alternatif bir yerçekimi teorisinde çok daha iyi açıklandığını öne sürüyoruz.
Mond’un ana varsayımı, galaksilerin kenarlarında olduğu gibi, yerçekimi çok zayıfladığında Newton fiziğinden farklı davranmaya başlamasıdır. Bu şekilde, 150’den fazla galaksinin eteklerinde bulunan yıldızların, gezegenlerin ve gazların neden sadece görünür kütlelerine dayanarak beklenenden daha hızlı döndüklerini açıklamak mümkün. Ancak Mond, bu tür dönüş eğrilerini yalnızca açıklamakla kalmaz , çoğu durumda onları tahmin eder.
Bilim felsefecileri, bu tahmin gücünün Mond’u, evrende görünür maddeden daha fazla karanlık madde olduğunu öne süren standart kozmolojik modelden üstün kıldığını savundular . Bunun nedeni, bu modele göre, galaksilerin, galaksinin nasıl oluştuğunun ayrıntılarına bağlı olan ve her zaman bilmediğimiz, oldukça belirsiz miktarda karanlık maddeye sahip olmasıdır. Bu, galaksilerin ne kadar hızlı dönmesi gerektiğini tahmin etmeyi imkansız hale getirir. Ancak bu tür tahminler Mond ile rutin olarak yapılır ve şimdiye kadar bunlar doğrulanmıştır.
Bir galaksideki görünür kütlenin dağılımını bildiğimizi, ancak dönme hızını henüz bilmediğimizi hayal edin. Standart kozmolojik modelde, dönüş hızının eteklerde 100km/s ile 300km/s arasında olacağını biraz güvenle söylemek mümkün olacaktır. Mond, dönüş hızının 180-190km/s aralığında olması gerektiğine dair daha kesin bir tahminde bulunuyor.
Gözlemler daha sonra 188 km/s’lik bir dönüş hızını ortaya çıkarırsa, bu her iki teoriyle de tutarlıdır – ancak açıkçası Mond tercih edilir. Bu, Occam’ın usturasının modern bir versiyonudur – en basit çözüm daha karmaşık olanlara tercih edilir, bu durumda gözlemleri mümkün olduğunca az “serbest parametre” ile açıklamamız gerekir. Serbest parametreler sabitlerdir – çalışmalarını sağlamak için denklemlere eklememiz gereken belirli sayılar. Ancak bunlar teorinin kendisi tarafından verilmez – belirli bir değere sahip olmaları için hiçbir neden yoktur – bu yüzden onları gözlemsel olarak ölçmek zorundayız. Bir örnek, Newton’un yerçekimi teorisindeki yerçekimi sabiti G veya standart kozmolojik modeldeki galaksilerdeki karanlık madde miktarıdır.
Occam’ın usturasının altında yatan, daha özgür parametrelere sahip bir teorinin daha geniş bir veri yelpazesiyle tutarlı olduğu ve onu daha karmaşık hale getirdiği fikrini yakalamak için “teorik esneklik” olarak bilinen bir kavram sunduk. İncelememizde, standart kozmolojik modeli ve Mond’u galaksilerin dönüşü ve galaksi kümeleri içindeki hareketler gibi çeşitli astronomik gözlemlere karşı test ederken bu kavramı kullandık.
Her seferinde –2 ile +2 arasında teorik bir esneklik puanı verdik. –2 puanı, bir modelin verilere bakmadan net ve kesin bir tahmin yaptığını gösterir. Tersine, +2 “her şey yolunda” anlamına gelir – teorisyenler hemen hemen her makul gözlemsel sonuca uyabilirdi (çünkü çok fazla serbest parametre var). Ayrıca her bir modelin gözlemlerle ne kadar iyi eşleştiğini, +2’nin mükemmel uyumu gösterdiğini ve –2’nin teorinin yanlış olduğunu açıkça gösteren gözlemler için ayrıldığını değerlendirdik. Daha sonra gözlemlerle uyum için teorik esneklik puanını bundan çıkarıyoruz, çünkü verileri iyi bir şekilde eşleştirmek iyidir – ancak herhangi bir şeye uyabilmek kötüdür.
İyi bir teori, daha sonra doğrulanacak, ideal olarak birçok farklı testte (+2 -(-2) = +4) toplam +4 puan alan net tahminler yapar. Kötü bir teori 0 ile -4 (-2 -(+2)= -4) arasında bir puan alır. Bu durumda kesin tahminler başarısız olur – bunların yanlış fizikle çalışması pek olası değildir.
Standart kozmolojik model için 32 testte -0,25 ortalama puan bulduk, Mond ise 29 testte ortalama +1,69 elde etti. Birçok farklı testte her bir teorinin puanları, sırasıyla standart kozmolojik model ve Mond için aşağıdaki Şekil 1 ve 2’de gösterilmektedir.
En azından makul bir şekilde tüm verilerle uyumlu olan Mond için hiçbir büyük problemin tanımlanmadığı hemen bellidir (şekil 2’de tahrifleri gösteren alttaki iki satırın boş olduğuna dikkat edin).
Karanlık madde ile ilgili sorunlar
Standart kozmolojik modelin en çarpıcı başarısızlıklarından biri, sarmal gökadaların genellikle merkez bölgelerinde bulunan yıldızlardan oluşan çubuk şeklindeki parlak bölgeler olan “galaksi çubukları” ile ilgilidir (baştaki resme bakın). Çubuklar zamanla döner. Galaksiler büyük karanlık madde halelerine gömülü olsaydı, çubukları yavaşlardı. Ancak, hepsi olmasa da, gözlemlenen galaksi çubuklarının çoğu hızlıdır. Bu , standart kozmolojik modeli çok yüksek bir güvenle tahrif eder.
Diğer bir problem ise, galaksilerin karanlık madde halelerine sahip olduğunu öne süren orijinal modellerin büyük bir hata yapmasıydı – karanlık madde parçacıklarının etrafındaki maddeye yerçekimi sağladığını, ancak normal maddenin yerçekiminden etkilenmediğini varsaydılar. Bu, hesaplamaları basitleştirdi, ancak gerçeği yansıtmıyor. Sonraki simülasyonlarda bu dikkate alındığında, galaksilerin etrafındaki karanlık madde halelerinin özelliklerini güvenilir bir şekilde açıklamadığı açıktı.
Standart kozmolojik modelin incelememizde araştırdığımız birçok başka başarısızlığı var ve Mond genellikle gözlemleri doğal olarak açıklayabiliyor . Standart kozmolojik modelin yine de bu kadar popüler olmasının nedeni, bazıları oldukça yakın zamanda keşfedilen hesaplama hataları veya başarısızlıkları hakkında sınırlı bilgi olabilir. Ayrıca, insanların fiziğin diğer birçok alanında çok başarılı olan bir yerçekimi teorisini değiştirme konusundaki isteksizliğinden de kaynaklanabilir.
Mond’un çalışmamızdaki standart kozmolojik model üzerindeki büyük liderliği, Mond’un mevcut gözlemler tarafından güçlü bir şekilde tercih edildiği sonucuna varmamıza neden oldu. Mond’un mükemmel olduğunu iddia etmesek de, yine de büyük resmi doğru bulduğunu düşünüyoruz – galaksiler gerçekten karanlık maddeden yoksundur.