Hade Newton fel?

Så här tror astronomemerna att Vintergatan ser ut.
Så här tror astronomemerna att Vintergatan ser ut.
27 september 2006

Många företeelser i universum verkar inte följa Newtons – eller Einsteins – gravitationslagar. Traditionellt har astronomerna sökt förklaringen i mörk materia, och nu senast mörk energi, som man dock ännu inte faktiskt sett eller vet vad det kan vara. Kanske ligger felet i själva gravitationslagarna?

Astronomerna vet att universum inte beter sig som det borde. I synnerhet roterar inte galaxer som de borde. Det verkar också finnas mycket mer massa i universum än man kan se. Den gängse förklaringen på detta är att universum domineras av så kallad mörk materia. Den amerikanske astronomen Douglas Clowe meddelade 21 augusti att hans forskargrupp nu hade definitiva bevis för den mörka materiens existens.

Alla är dock inte övertygade. Strax efter Clowes tillkännagivande gick andra forskare ut och sa att "man ska inte dra förhastade slutsatser om förekomsten av mörk materia utan att först noggrant ha studerat alternativa gravitationsteorier".

Många osäkra faktorer

Den mörka materian interagerar inte med vanlig materia annat än via sin gravitationella effekt. Det gör den mycket svår att påvisa direkt, det vill säga annat än genom sin gravitationella effekt. Det gör också teorierna om den mörka materian rätt spekulativa. Det finns förvisso stöd från partikelfysiken, som säger att partiklar med rätt egenskaper för att kunna utgöra den mörka materian skulle kunna finnas. Men partikelfysikerna har heller inga direkta bevis för att dessa partiklar faktiskt finns.

De senaste åren har astronomerna dessutom upptäckt att det verkar finnas något som driver på universums expansion. Det verkar finnas en "mörk energi" i universum, som man inte kan mäta direkt utan bara se effekterna av, och som man inte riktigt vet vad den är.

Occams rakkniv

Denna brist på faktisk information och de många antaganden som är nödvändiga för att de gängse kosmologiska scenarierna ska stämma gör en del astronomer lite olustiga.

– Det börjar bli lite mycket spekulation, säger Lars Mattsson, på Institutionen för astronomi vid Uppsala universitet.

Vid valet av flera teorier brukar ofta den enklaste stämma. Det är en princip som kallas Occams rakkniv efter Fransiskanermunken och 1300-talslogikern William av Ockham. Han menade att förklaringen av ett fenomen ska innehålla så få antaganden som möjligt, och man ska alltså eliminera eller raka av dem som inte påverkar de observerbara förutsägelserna av hypotesen eller teorin. Enklare uttryckt menade William av Ockham att man i valet mellan två olika förklaringar alltid skulle välja den minst komplexa. Nu börjar de kosmologiska teorierna helt enkelt innehålla väl många antaganden och bli väl komplexa, menar vissa astronomer.

Modifierad Newtonsk dynamik

För ett par decennier sedan började några astronomer på allvar fundera över det här. De sa att man istället för att leta efter något som orsakade de gravitationella effekter man såg så skulle man titta på själva gravitationsteorin.

De Newtonska och Einsteinska gravitationsteorierna är förvisso enormt väl förankrade. Men dessa astronomer konstaterade att det bara gällde för relativt starka gravitationsfält. Kanske såg teorin annorlunda ut för väldigt svaga fält? Man kan dra en analogi med Einsteins upptäckt att Newtons extremt vältestade teori visade sig inte riktigt stämma vid extremt höga fältstyrkor och extremt höga hastigheter.

Dessa funderingar går egentligen tillbaka ända till 30-talet då Fritz Zwicky först upptäckte att galaxerna inte roterar som de borde. Han räknas som mörk materia-teorins fader, men han konstaterade också att det kunde vara "fel" på naturlagarna istället.

Detta ledde fram till försök att skapa en ny gravitationsteori. Den som lyckats bäst går under förkortningen MOND, vilket står för Modified Newtonian Dynamics. Den lanserades 1981 av den israeliske fysikern Mordehai Milgrom.

– MOND fungerar precis som Newtons gravitationsteori i de flesta fall, men beter sig annorlunda vid svaga fält, säger Lars Mattsson. Och teorin förklarar galaxernas rotation rätt bra. Många astrofysiker kollar också om observationerna stämmer med MOND, för att vara på den säkra sidan.

Spekulation ersätter spekulation

Det finns dock ett antal problem med MOND.

– Den har haft svårt att reproducera relativistiska effekter som att ljus böjs av i närheten av stora massor. Den har också brustit lite rent formalistiskt, säger Lars Mattsson.

De senaste åren har det dock dykt upp formalistiskt bättre modeller som bygger på MOND-idén och som ger bra resultat där äldre MOND-varianter misslyckats.

– Ett annat problem med MOND-baserade hypoteser är att de också är ganska spekulativa. Istället för mörk materia och mörk energi, som man inte kan påvisa, så har man i MOND hittat på en annan lösning som passar observationerna. Men det finns ingen grundläggande, fysikaliskt baserad anledning till att MOND skulle stämma.

Den är en ren effekt-teori, alltså skapad för att uppnå ett visst syfte, för att förklara en uppsättning observationer så bra som möjligt. I detta är den då inte mycket bättre än det den vill ersätta.

Galaxkrock kan sätta krokben

Nyligen gjorda observationer av två galaxhopar som "kolliderat" kan dock sätta nya käppar i hjulen för MOND. Galaxerna i hoparna ligger så långt ifrån varandra att de inte påverkas nämnvärt. Finns det en halo av mörk materia runt galaxerna så skulle den heller inte påverkas enligt gängse teorier om hur mörk materia ska bete sig.

Den stora mängd gas som finns mellan galaxerna i dessa hopar, och som utgör den absolut dominerande delen av den "vanliga" massan, skulle dock fastna mitt emellan, där kollisionen skedde. Om det inte finns någon mörk materia så skulle alltså det mesta av galaxernas massa bli kvar vid kollisionsplatsen. Men om det finns mörk materia, och som i så fall massamässigt dominerar över den "vanliga" materien, så skulle den istället följa med galaxerna som utgör de respektive hoparna. Denna skillnad borde gå att mäta genom att se hur mycket ljuset från bakomliggande ljuskällor bryts av närvaron av mörk materia runt och mellan dessa galaxer. Problemet för MOND-hypotesen är nu att man funnit just sådana "gravitationslinser" där man finner galaxerna.

Kanske både och

Nu behöver inte sanningen nödvändigtvis vara det ena eller det andra.

– Vi vet att det finns rätt gott om neutriner, att de har en massa, och att de alltså utgör en del av den mörka materian. Vi vet dock fortfarande inte den exakta massan på neutrinerna, och alltså inte hur stor deras effekt är. De kan dock inte förklara alla effekter vi ser. Kanske är det så att de beror på mörk materia i form av neutriner TILLSAMMANS med en gravitation som fungerar lite annorlunda än den Newtonska?

Lars Mattson tror egentligen att man kommer att hitta den mörka materien, och att det visar sig att det är den som står för de observerade effekterna. Men liksom många av sina kollegor är han inte beredd att slänga MOND överbord ännu. Och det är väl så vetenskap ska fungera. Öppenhet för nytt, men med en viss skepsis för extraordinära påståenden.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.