ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、代替重力理論の証拠を発見

 (thedebrief.org)
4 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-11-17 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • JWSTによる古代銀河の観測は、初期宇宙で銀河が予想より速く形成された可能性を高め、標準的なLambda-CDMの説明とMONDの予測を改めて比較させるものになっている
  • 標準的な暗黒物質モデルでは、初期銀河は小さく暗い状態から始まり、ゆっくり成長すると考えるが、観測された銀河は明るく大きく、十分に形成された姿に近い
  • Case Western Reserve UniversityのStacy McGaughと同僚らは1998年、暗黒物質がなくても銀河は急速に形成され得ると予測しており、今回のJWSTデータはその予測により近いと見ている
  • MONDはNewtonの第2法則を修正し、銀河の回転曲線の不一致を説明しようとする理論だが、Einsteinの一般相対性理論と両立する完成した枠組みはまだ存在しない
  • Lambda-CDMは宇宙の膨張率とほぼ平坦な宇宙構造を説明する、広く支持されているモデルであり、一部の現代的な天文測定も依然として暗黒物質仮説を支持している

JWST観測が揺さぶった初期銀河形成シナリオ

  • James Webb Space Telescopeは宇宙の最も遠い領域を観測し、過去の古代銀河を調べている
  • Case Western Reserve Universityの研究チームは、JWSTが収集した古代銀河のスキャンが、広く受け入れられているCold Dark Matter理論であるLambda-CDMの予測と衝突すると見ている
  • 観測値は、代替重力理論である**Modified Newtonian Dynamics（MOND）**の説明とよりよく合う事例として解釈されている
  • この結果が正しければ、天文学者や宇宙論研究者は、長らく議論の的となってきたMONDを再検討する必要がある

Lambda-CDMが想定した遅い成長

  • Lambda-CDMモデルは、暗黒物質が宇宙の構造を説明するうえで不可欠だと考える
  • このモデルでは、暗黒物質の重力的影響が銀河や大規模構造の形成を導く
  • 初期宇宙の古代銀河は、宇宙時間を通じて暗黒物質によって徐々に集まるため、小さく暗いはずだとされる
  • McGaughは、Lambda-CDMが正しければ、暗黒物質の追加的な重力が初期銀河周辺の小さな物質片を中心部へゆっくり引き寄せるはずだと見ている
  • しかしJWSTがさらに遠い過去で観測した銀河は、明るく大きく、十分に形成された姿として現れている

MONDが説明する速い構造形成

  • MONDは1983年にイスラエルの物理学者Mordehai Milgromが初めて提案した理論である
  • この理論は暗黒物質を導入せずに銀河回転曲線の不一致を説明するため、Newtonの第2法則を修正する
  • MONDの修正は、JWSTが観測する宇宙の周縁部のように、加速度が非常に小さい領域で重要になる
  • McGaughは1998年、Federico Lelli、Jay Franck、James Schombertらとともに、銀河形成はより速く起こり、暗黒物質に依存しないとする論文を共著した
  • この仮説では、銀河の物質が急速に集まり、宇宙とともに膨張した後、重力のもとで崩壊し、大きく明るい構造を早期に形成する

JWSTデータと既存予測の比較

  • McGaughと同僚らは、JWSTデータがLambda-CDMモデルよりもMOND支持者の予測に近いと見ている
  • 例としてMcGaughは、R H SandersのMONDに基づく予測が、Lambda-CDM支持者であるMo、Mao、Whiteの予測よりも観測とより正確に一致したと見ている
  • あるモデルと合わない事実が直ちにそのモデルを捨てるべきだという意味ではないが、観測データを十分に説明できなければ、理論的枠組みは弱まり得る
  • 一部の現代的な天文測定は、依然として暗黒物質仮説を支持している

Lambda-CDMがなお受ける支持

  • MONDが一部のJWST観測をうまく説明しているように見えても、Lambda-CDMは依然として幅広い支持を受けている
  • Lambda-CDMは1920年代以降、宇宙の膨張率を正確に予測してきた
  • 宇宙を膨張させ続ける宇宙定数の証拠も、Lambda-CDMの枠組みに含まれる
  • 宇宙はLambda-CDMが要求するようにほぼ平坦だが、わずかなずれは追加の探究が必要な領域として残っている
  • より広い天体物理学コミュニティは、Lambda-CDMが多くの検証に耐えてきており、宇宙を理解するための一貫した枠組みを提供していると見ている

残された課題と論文

  • McGaughは、一般相対性理論とMONDの双方と両立する理論を見つける課題は、まだ実現されていないと認めている
  • JWSTが示す結果は、近傍宇宙の大きな銀河がごく小さな断片から始まったはずだという期待と合わない
  • McGaughは、科学的方法の核心は予測を立て、どの予測が正しいかを確認することだと述べている
  • 関連論文 Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies は、2024年11月12日にThe Astrophysical Journalに掲載された

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-11-17
Hacker Newsの意見

  • この記事は、控えめに言っても誤解を招くと思う。「JWSTが収集した古代銀河のスキャンが、最も広く受け入れられている ΛCDM の予測と矛盾しているようだ」というような話だが、ΛCDMは銀河がどのように見えるべきかを予測するものではなく、崩壊した構造の中にどれだけの質量があるか、そして暗黒物質ハローが階層的に成長することを予測するものだ
    一方、JWSTでは光を見て、その系の実際の物理的性質を推定しなければならない。かなり初期の時点で、理論上限、つまり崩壊した構造内のすべてのガスを星に変えると仮定すると、JWSTの観測より何桁も高い光度関数が得られるという結果がすでにあった: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
    だからΛCDMの中でも、初期に明るく大きく見え、質量の大きい銀河が存在する余地は十分にある。現状の初期宇宙に関するJWSTデータだけでは、採用する銀河形成モデルにあまりにも敏感で、ΛCDMを説得力をもって支持したり反証したりするのは難しいと思う

    • 「採用する銀河形成モデルにあまりにも敏感で、ΛCDMを説得力をもって支持したり反証したりするのは難しい」という説明は、Webb以前にΛCDMを紹介する際の語り口とはまったく違っていた。当時は評価の高い理論で、ヒッグス粒子の検出のように、新しいデータが境界条件をよりよく制約し、次の段階へ進ませてくれるという期待があった
      ところが実際には混乱に近く、期待していたものは見えなかった。そして今になって「それでもΛCDMが明確に間違っていると証明されたわけではないでしょう？」というところへ後退しているように感じる。だからといってΛCDMが間違っているという意味でも、MONDが正しいという意味でもないが、たしかにクーン的なパラダイム転換の瞬間であり、より幅広いアイデアを真剣に検討する必要があると思う
    • JWSTが光しか見ていないことを問題にするのは奇妙だ。暗黒物質理論はすべて、光を放つ物体をもとに構築されてきたのであって、JWSTの手法と他の手法との間にそのような対比はない
      JWSTは光しか見られないとけなすのは、ガリレオは望遠鏡しか作れなかったとけなすのに似ている。研究対象へ瞬間移動して、より多くの情報を得られればよいのだが、現実には現実のルールに従うしかない。また「銀河形成モデルに敏感だ」という論法は、本末転倒なので妥当ではないと思う

  • MONDでずっと引っかかるのは一般相対性理論だ。重力はニュートン的ではなく、逆二乗則がそのまま成り立つわけではないことは分かっている。逆二乗則に基づく重力モデルは、単に間違ったモデルだ
    別のコメントにある https://tritonstation.com/new-blog-page/ は素晴らしい記事で、一般相対性理論は低加速度領域で検証されたことがなく、間違っている可能性があるという論旨を展開している。しかしMONDが高加速度では間違っていることも分かっている。両方を包含できなければ、GRの改良とは見なしにくいと思う。表現が少し攻撃的に聞こえるかもしれないが、修正重力の研究には十分価値があると思っており、ただ万能の解決策ではないということだ

    • MONDはGRの改良として提示されたものではない。名前の通り、もともとはニュートン力学の理論だった
      MONDの相対論的バージョンとしてTeVeSのようなものもあるが https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%...、依然としていくつもの問題がある
    • 一般相対性理論も極限状況では量子力学と合わないので、量子力学が間違っていないのなら、GRにも事実上間違っている部分がある。だからGRを福音のように受け入れるのは適切でないかもしれない
      特にMONDがGRを変えるのも極限条件に限られるようだし、「合わない」という言葉が、実際には数学が難しく、物理学者たちがまだ十分に取り組めていないという意味である可能性もある。MOND的に修正されたGRを受け入れたからといって、GPSの動作原理が変わる可能性は低いので、「GRは時間と工学の検証に耐えてきた」という言葉だけでMONDを完全に反証するのは難しいと思う
    • 重力がニュートン的ではなく、逆二乗則が成り立たないという主張には根拠が必要だ。極端な質量・エネルギー環境の外では、重力は非常に多くの桁にわたってニュートンが説明した通りに働くというのが、ほぼコンセンサスだ
      一般相対性理論が間違っているという意味ではなく、銀河スケールでは重力はニュートン的に働き、GR効果は極めて小さいという意味だ
    • 物理学者ではないが、あちこちで同じ誤りを見る。殻定理は円盤や銀河には適用できない
      高度な記事でも、半径の内側の物質を中心の点質量のように扱い、半径の外側にある質量の重力は互いに相殺されるとして無視する単純化が繰り返されている。この単純化は一様密度の球殻や球状の固体には通用するが、円盤やリング、つまり銀河には適用できない
    • MONDには、低エネルギーでMONDのダイナミクスへ単純化される相対論的一般化が存在することはする。ただ、この分野の専門家ではないが、そうした理論はその場しのぎに近く、計算可能性が低いため真剣には受け止められていないと理解している
      MONDにおける「実際の作業」の大半は古典的な形で行われているようで、それはかなりひどい反則に見える。大きな理論を一つの推測の上に築くことはできるが、その推測を証明しようとする努力はすべきだ

  • 「驚くべき証拠」と言っておきながら、後段では「観測値はMONDの基盤を支持しているようであり、これは天文学者や宇宙論者に、この長く議論されてきた代替重力理論を再検討させる可能性がある」と条件付きで述べている。条件付きの証拠とは何なのか分からないし、全体像を見落としているのかもしれないが、こういう書き方は控えめに言っても不正確だ

    • 典型的な大衆向け科学ジャーナリズムで、クリック狙いのタイトルだ。論文を読んだほうがいい
    • その証拠は数学的・経験的に検証されなければならず、現在は主流ではない理論が支配的な理論よりもうまく合うと見なせる余地がある種類のものだ
      物理学には未知数があまりにも多いので、反対側は「あなたの理論もまだXYZを説明できていないのだから、こちらの理論を少し修正すればよい可能性が高い」と簡単に返せる。素人として理解する限りでは、合理的な人々の間でも意見が分かれ得る問題だ
    • まだ合意もなく、再現可能な指標もない。「あちらをもっと検討してみよう」と言うのは十分に妥当だ

  • なぜこういう扇情的なタイトルの記事を共有するのか分からない。科学ジャーナリズムの評判が悪くなるのも当然だ。こういう記事は、科学をきちんと伝えようとする人たちの努力を大きく undermines している

    • この記事と HN の議論がなければ MOND を知らなかっただろうし、少なくとも面白い理論ではある
    • 記事の書き手から流通経路まで、あらゆる段階のインセンティブがそうするよう促し、金・閲覧数・影響力・悪名・ポイント・注目で報いている。止めさせるにはインセンティブを取り除く必要がある

  • 筆頭著者の Stacy McGaugh をブログでフォローしている。暗黒物質対 MOND 論争に関する最新研究や考えを投稿している: https://tritonstation.com/new-blog-page/
    彼の論旨はかなり説得力があり、比較的明快だ。自分は天体物理学者ではないが物理学の学位を2つ持っており、暗黒物質理論にはいつも不足を感じてきた。因果関係の証拠がまったくない状況で、暗黒物質は「重力理論のつじつまを合わせるために、物質を置けるなら置きたい場所」としか表現できず、これは基本的な科学の観点からは完全に逆向きだ。観測装置の感度が上がり続けるほど、現代の MOND の仮定に基づく予測はますます正確になっているように見える

    • 理論と観測が合わないとき、理論を直すべきなのか、観測で何かを見落としているのかは、あらかじめ決まっているわけではない。19世紀に天王星の軌道がニュートン理論の予測と合わず、ニュートン理論は正しく、われわれが観測で何かを見落としていると仮定して計算した結果、海王星の位置が予測され、実際に発見された。
      反対に、水星の軌道もニュートン理論の予測から外れており、この場合は太陽の近くにまだ観測されていない惑星があるという仮説が出たが、実際の解決策は重力理論の修正、つまり一般相対性理論だった。GR は、水星の軌道がニュートン予測から外れる、1世紀あたり43秒角の近日点移動を正確に予測し、光の重力による屈折・ブラックホール・重力波といった予測も検証された。したがって、理論と観測の不一致があるのは明らかだが、解決策が理論の修正なのか新しい物質形態なのかは事前には分からず、後者を仮説として立ててどこまで行けるかを見るのは非科学的ではない。難しいのは、GR の成功した予測を維持しつつ銀河回転曲線まで説明する理論的枠組みを作ることだ
    • 暗黒物質はバリオン物質とは根本的に異なる振る舞いをする。宇宙全体の物質量、つまり暗黒物質とバリオン物質の総量は、観測されたバリオン生成の存在量で制限でき、暗黒物質は宇宙マイクロ波背景放射のピークの相対振幅にも異なる影響を与える。
      見たところ、MOND が銀河回転曲線のモデリング以外で成功したことはほとんどないように見える。暗黒物質対 MOND への懐疑論は、いつも奇妙に感じられる。暗黒物質は標準模型に新しい粒子を1つ追加する程度なので新しい物理はそれほど多く必要ないが、MOND 理論の多くはローレンツ不変性を破っており、これは標準的な物理からはるかに急進的に逸脱する。TeVeS のようにローレンツ不変性を維持する、より精巧な MOND 理論は、実質的には MOND の言葉で包んだ暗黒物質理論のように見える
    • そのアプローチが必ずしも不当だとは思わない。惑星を探す方法はまさにそれと同じだ。ある惑星や恒星の運動に予想外の差があり、あちらに惑星があれば説明できる。実際に見てみると、そこに惑星があった、という具合だ
    • 通常「暗黒物質」は、理論と観測の間の不一致を指す略語として理解している。説明は実際に暗い物質かもしれないし、まったく予想していなかった観測や理論の変化で解決されるかもしれない

  • 科学記者には、MOND を、MOND が低曲率極限として現れるあらゆる理論の代表のように使わないでほしい。MOND 自体は共変的ではなく、よく知られた問題が多いため、出発点として明らかに不適切だ。
    一般相対性理論系のより精巧な理論は、MOND のような振る舞いを再現しながら、よりうまく機能し、もっともらしい。少なくとも無駄な MOND 論争を避けるには、MOND の代わりに修正重力や MOG という用語を使うべきだ

  • MOND が正確に何を意味するのか気になるなら、Wikipedia の項目がある: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

  • Sean Carroll が MOND について書いた記事はこちら: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
    こちらの説明のほうが説得力があるように感じる

  • Angela Collier がこのテーマで動画を作るのを待っている。多くの人がこの記事を送ると思う。MOND は宣伝とは違って、宇宙論では実際にはニッチ分野だ

  • MOND の量子化版があるのか気になる。増加した加速度は、重力の量子化された単位なら本来「重力量子」より小さい力になるはずの距離でも力を及ぼすからなのか、それとも非常に大きな距離では量子化が床ではなく天井を作るようなものなのか分からない。
    重力が光子のように何らかの粒子や基本的な量子化を持ち、非常に大きい、あるいは「無限の」距離でも基本的に作用するなら、何らかの量子化の床や量子化された帯のようなものがある可能性のほうがもっともらしいのか気になる。あるいは、重力の量子化が重力的引力の作用距離に限界を課すと考えるのか、または量子重力では物体間で相互作用する “graviton” の割合が減ると見るのかも気になる。よく分からない状態での質問で、MOND や ΛCDM のような理論で graviton が何を意味するのか知りたい