Elsőként fogom beismerni, hogy nem értjük a sötét anyagot. Például, amikor egy galaxist nézünk, és összeszámoljuk az összes meleg izzó bitet, például csillagokat, gázt és port, akkor bizonyos tömeget kapunk. Ha bármilyen más technikát használunk a tömeg mérésére, akkor sokkal nagyobb számot kapunk. Tehát a természetes következtetés az, hogy az univerzumban nem minden anyag meleg és ragyogó. Talán néhány, ha sötét, tudod.
De várj. Először ellenőriznünk kell a matematikát. Biztosak vagyunk benne, hogy nem csak a fizikát hibázzuk meg?
Sötét anyag részletek
A sötét anyag rejtvényének egyik fő darabja (bár természetesen nem az egyetlen, és ez a cikk későbbi részében fontos lesz) úgynevezett galaxis-forgási görbék formájában érkezik. Ahogy a csillagokat a galaxisuk középpontja körül forogva figyeljük, a központból távolabb lévőknek minden jogaik szerint lassabban kell mozogniuk, mint a közepére közelebbieknek. Ennek oka az, hogy a galaktikus tömeg nagy része be van zsúfolva a magba, és a legkülső csillagok messze vannak mindeztől, és egyszerű newtoni gravitációval lassú lusta pályákat kell követniük.
De ők nem.
Ehelyett a legkülső csillagok ugyanolyan gyorsan keringnek, mint a városa unokatestvéreik.
Mivel ez egy gravitációs játék, csak két lehetőség van. Vagy rosszul lesz a gravitáció, vagy vannak olyan láthatatlan dolgok, amelyek minden galaxist átitatnak. És amennyire meg tudjuk mondani, a gravitáció nagyon-nagyon helyes lesz (ez egy másik cikk), tehát fellendülés: sötét anyag. Valami akadályozza, hogy ezek a szabadon forgó csillagok csapdába esjenek a galaxisuk belsejében, különben úgy válnának ki, mint egy ellenőrizetlen vidám körmillió évvel ezelőtt; ergo, van egy csomó cucc, amelyet közvetlenül nem látunk, de közvetett módon észlelhetünk.
Egyre nehéz
De mi van, ha ez nem csupán gravitációs játék? Végül is négy alapvető természeti erő van: erős atommag, gyenge atommag, gravitáció és elektromágnesesség. Valamelyikük megkapja a játékot ebben a nagygalaktikus játékban?
Az erős atomenergia csak tizenöt apró szubatomos skálán működik, tehát rendben van. És senkit sem érdekel a gyenge atommag, kivéve bizonyos ritka bomlásokat és kölcsönhatásokat, ezért ezt is oldalra tehetjük. És az elektromágnesesség ... nos, a sugárzás és a mágneses mezők nyilvánvalóan szerepet játszanak a galaktikus életben, de a sugárzás mindig kifelé tolódik (tehát nyilvánvalóan nem segíti a gyorsan mozgó csillagok visszatartását) és a galaktikus mágneses mezők hihetetlenül gyengék (nem erősebbek, mint a Föld saját mágneses mezőjének egymilliárd része). Szóval ... ne menj, igaz?
Mint szinte mindenben a fizikában, itt is egy alattomos útvonal van. Amennyire meg tudjuk mondani, a foton - maga az elektromágneses erő hordozója - teljesen tömeg nélküli. A megfigyelések azonban megfigyelések, és a tudományban semmi sem biztosan ismert, és a jelenlegi becslések szerint a foton tömege legfeljebb 2 x 10-24 az elektron tömege. Figyelembe véve a szándékokat és célokat, ez alapvetően nulla a szinte bármi számára, amit mindenki érdekel. De ha a foton csinálha tömege van, akkor is, ha ez a határ alatt van, nagyon vicces dolgokat tud tenni az univerzum számára.
A fotonban a tömeg jelenlétében a Maxwell-féle egyenletek - az elektromosság, a mágnesesség és a sugárzás megértésének módja - módosított formába kerülnek. Extra kifejezések jelennek meg a matematikában, és új interakciók alakulnak ki.
Érzel ezt?
Az új interakciók megfelelően bonyolultak, és az adott forgatókönyvetől függenek. A galaxisok esetében a gyenge mágneses mezők úgy indulnak el, hogy kissé valami különlegeset érezzenek. A mágneses mezők kusza és csavart megjavulása miatt a hatalmas fotonok jelenléte módosítja a Maxwell egyenleteit a éppen a jobb úton egy új vonzó erő hozzáadásához, amely bizonyos esetekben erősebb lehet, mint a gravitáció önmagában.
Más szavakkal: az új elektromágneses erő képes lesz arra, hogy a gyorsan mozgó csillagokat betartsa, és ezzel teljes mértékben megszüntesse a sötét anyag szükségletét.
De ez nem könnyű. A mágneses mezők a galaxis csillagközi gázában, nem pedig a csillagokban, végigfutnak. Tehát ez az erő nem képes közvetlenül a csillagokat meghúzni. Ehelyett az erõnek ismertetnie kell a gázokat, és a gáznak valahogy a csillagoknak kell tudatnia, hogy van egy új seriffváros.
A hatalmas, rövid életű csillagok esetében ez elég egyértelmű. Maga a gáz csúszik a galaktikus mag körül a legnagyobb sebességgel, csillagot képez, a csillag él, a csillag meghal, és a maradványok elég gyorsan visszatérnek gázellátássá, hogy minden szándék és cél érdekében ezek a csillagok utánozzák a gáz mozgását, így nekünk a szükséges forgatási görbék.
Nagy baj a kis csillagokban
De a kicsi, hosszú életű csillagok egy másik vadállat. Elválasztják az őket alkotó gáztól, és a saját életüket élik, és sokáig keringnek a galaktikus központ körül, mielőtt lejárnának. És mivel nem érzik az új furcsa elektromágneses erőt, akkor csak el kell távolodniuk galaxisuktól, mert semmi nem tartja őket ellenőrzés alatt.
Valójában, ha ez a forgatókönyv pontos és hatalmas fotonok helyettesíthetik a sötét anyagot, akkor a saját napunknak nem szabad ott lennie, ahol ma van.
Sőt, nagyon jó okunk van azt hinni, hogy a fotonok valóban tömegesek. Valószínűleg Maxwell egyenletei nem igazán érdekelnek, de a speciális relativitáselmélet és a kvantummező-elmélet természetesen igen. Elkezdesz zavarodni a foton tömeggel, és sok magyarázatot kell adnod, mister.
Plusz, csak azért, mert mindenki szereti a galaxisok forgási görbéit, ez még nem azt jelenti, hogy ők az egyetlen út a sötét anyaghoz. A galaxiscsoportok megfigyelései, gravitációs lencséje, a világegyetem felépülésének növekedése és még a kozmikus mikrohullámú háttér is egy valamilyen láthatatlan elem irányába mutat az univerzumunk felé.
Még akkor is, ha a fotonnak tömege volt, és valahogy képes volt megmagyarázni a minden A csillagok egy galaxisban, nem csak a hatalmas csillagok, nem tudnák megmagyarázni sok más megfigyelést (például hogy egy új elektromágneses erő magyarázza a fény gravitációs hajlítását egy galaxisfürt körül? Ez nem retorikai kérdés - nem lehet). Más szavakkal, még ha egy hatalmas fotonokkal teli kozmoszban is szükségünk van sötét anyagra.
Elolvashatja a folyóiratcikket itt.
