Don Lincoln az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Fermilab, az Amerika legnagyobb nagy hadroncsatorna-összeütköző kutatóintézetének vezető tudósa. Azt is írja a közvélemény tudományairól, köztük a közelmúltban megjelent „A nagy hadron ütköző: A Higgs Boson rendkívüli története és más dolgok, amelyek elfújják az elmédet” című részét (Johns Hopkins University Press, 2014). Követheti őt a Facebookon. Lincoln közölte ezt a cikket a Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights című cikkével.
Sok tudományos hozzáértésű ember magától értetődik, hogy az univerzum nemcsak Carl Sagan gyakran idézett galaxisai "milliárdjaiból" áll, hanem egy hatalmas mennyiségű láthatatlan anyagból, úgynevezett sötét anyagból. Úgy gondolják, hogy ez a furcsa anyag újfajta szubatomi részecske, amely nem kölcsönhatásba lép elektromágnesességgel, sem az erős és gyenge nukleáris erőkkel. A sötét anyagnak feltételezhető, hogy ötször gyakoribb az univerzumban, mint az atomok rendes anyaga.
A valóság azonban az, hogy a sötét anyag létezését még nem bizonyították. A sötét anyag továbbra is hipotézis, bár meglehetősen jól támogatott. Bármely tudományos elméletnek előrejelzéseket kell készítenie, és ha helyes, akkor az elvégzett méréseknek összhangban kell lenniük az előrejelzésekkel. Ugyanez vonatkozik a sötét anyagokra. Például a sötét anyag elméletek előrejelzik, hogy a galaxisok milyen gyorsan forognak. De eddig az alacsony tömegű galaxisok közepén végzett részletes sötétanyag-eloszlás mérései nem feleltek meg ezeknek az előrejelzéseknek.
Egy közelmúltbeli számítás megváltoztatta ezt. A számítás segít megoldani a Tully-Fisher kapcsolat holtpontját, amely összehasonlítja a galaxis látható vagy rendes anyagát a forgási sebességével. Nagyon egyszerűsítve a tudósok azt találták, hogy minél masszívabb (és ennélfogva világosabb) egy spirális galaxis, annál gyorsabban forog.
De ha létezik sötét anyag, akkor a galaxis mekkora méretét nem csak a látható anyagától, hanem a sötét anyagától is meg kell határozni. Ha hiányzik az egyenlet hatalmas része - a sötét anyag mennyisége -, akkor a Tully-Fisher kapcsolatnak nem szabad fennállnia. És mégis megteszi. Nehéz volt elképzelni, hogyan lehet ezt a kapcsolatot a meglévő sötét anyag elmélettel összeegyeztetni. Mostanáig.
A sötét anyag eredete
Az első beszéd, amelyre szükség lehet valamilyen sötét anyaghoz, 1932-re nyúlik vissza. A holland csillagász Jan Oort a Tejút körüli csillagok keringési sebességét mérte, és úgy találta, hogy túl gyorsan mozognak, hogy megmagyarázzák a galaxis megfigyelt tömegét.
A csillagok szülő galaxist szinte körkörös úton keringik, és a gravitáció az az erő, amely a csillagokat e pályákon tartja. Newton egyenletei azt jósolják, hogy az erő, amely a csillagokat egy kör alakú úton mozog, F (kör alakú), egyenlő kell lennie a csillagra mutatott gravitáció hatására kifejtett erővel, F (gravitáció), különben a csillag repül az űrbe, vagy beleesik. a galaxis központja. Azok számára, akik emlékeznek a középiskolai fizikára, az F (kör alakú) tehetetlenségi nyilatkozat és csak Newton F = ma értéke. F (gravitáció) Newton univerzális gravitációs törvénye.
A galaxisok közepén, Rubin és Ford úgy találta, hogy az F (kör alakú) nagyjából megegyezik az F-vel (gravitáció), ahogyan az várható volt. De messze a galaxisok központjától az egyenlet két oldala nem derült egybe jól. Míg a részletek galaxistól galaxig változtak, megfigyeléseik alapvetően univerzálisak voltak.
Egy ilyen drámai eltérés magyarázatot igényel. A galaxisok közepén, Rubin és Ford mérései azt jelentették, hogy az elmélet működik, míg a nagyobb keringési távolságok közötti eltérés azt jelentette, hogy valami zajlik, amit a meglévő elméletek nem tudnak magyarázni. Betekintésükből kiderült, hogy vagy nem értjük, hogyan működik a tehetetlenség (például F (kör alakú)), vagy nem értjük, hogyan működik a gravitáció (például F (gravitáció)). A harmadik lehetőség az, hogy az egyenlőség jel hibás, vagyis van olyan más erő vagy hatás, amelyet az egyenlet nem tartalmaz. Csak ezek voltak a lehetőségek.
Az eltérések magyarázata
A Rubin és Ford eredeti munkája óta eltelt 40 évben a tudósok számos elméletet kipróbáltak annak érdekében, hogy megmagyarázzák a galaktikus forgásbeli eltéréseket. Mordehai Milgrom fizikus javasolta a tehetetlenség módosítását, az úgynevezett "módosított Newtoni dinamika" vagy a MOND néven. A kezdeti formájában azt állította, hogy nagyon alacsony gyorsulásoknál Newton F = ma egyenlete nem működik.
Más fizikusok javasolták a gravitációs törvények módosítását. Einstein általános relativitáselmélete itt nem segít, mivel ebben a birodalomban Einstein és Newton jóslatai lényegében azonosak. És a kvantum gravitáció elméletei, amelyek megpróbálják a gravitációt szubatomi részecskékkel leírni, nem magyarázhatók ugyanezen okból. Vannak olyan gravitációs elméletek, amelyek előrejelzéseket készítenek galaktikus vagy extragalaktikus skálán, amelyek különböznek a newtoni gravitációtól. Tehát ezek a lehetőségek.
Aztán jóslatok vannak, hogy új erők léteznek. Ezeket az ötleteket az "ötödik erő" néven csoportosítottuk, amelyek a gravitáción, az elektromágnesességen és az erős és gyenge nukleáris erőkön túlmutató erőre utalnak.
Végül létezik a sötét anyag elmélete: Az a fajta anyag, amely egyáltalán nem lép kölcsönhatásba a fénnyel, de mégis gravitációs vonzással rendelkezik, áthatolja az univerzumot.
Ha a galaktikus forgásmérések lennének az egyetlen adatunk, akkor nehéz lehet választani e különféle elméletek között. Végül is lehetséges, hogy az egyes elméleteket megváltoztathatja a galaktikus forgási probléma megoldása érdekében. Most azonban számos különféle jelenség számos megfigyelése van, amelyek segítenek a legmegbízhatóbb elmélet azonosításában.
Az egyik a galaxisok sebessége a galaxisok nagy csoportjain belül. A galaxisok túl gyorsan mozognak ahhoz, hogy a klaszterek összekapcsolódjanak. Egy másik megfigyelés a nagyon távoli galaxisok fényéből származik. Ezen nagyon távoli ősi galaxisok megfigyelései azt mutatják, hogy fényük torzul, ha átjutnak a közeli galaxiscsoportok gravitációs mezőin. Tanulmányok készültek a kozmikus mikrohullámú háttér kicsi nem egységességéről is, amely az univerzum születési sírja. Mindezeket a méréseket (és még sok másat) meg kell vizsgálni minden új elmélettel, amely megmagyarázza a galaktikus forgási sebességeket.
A sötét anyag megválaszolatlan kérdései
A sötét anyag elmélete ésszerű munkát végzett a fenti mérések sokaságának előrejelzésében, ezért ezt a tudományos közösségben tiszteletben tartják. De a sötét anyag még mindig nem erősített modell. A jelenlegi létezésének minden bizonyítéka közvetett. Ha létezik sötét anyag, akkor képesnek kell lennünk arra, hogy közvetlenül megfigyeljük a sötét anyag kölcsönhatásait, amikor az áthalad a Földön, és előfordulhat, hogy a sötét anyagot nagy részecskegyorsítókban készíthetjük, mint például a Nagy hadron ütköző. És mégis, egyik módszer sem volt sikeres.
Ezenkívül a sötét anyagnak minden, nem csupán sok csillagászati megfigyeléssel meg kell egyeznie. Noha a sötét anyag az eddigi legsikeresebb modell, nem teljesen sikeres. A sötét anyag modellek több törpe műholdas galaxist jósolnak a nagy galaxisokat, például a Tejútot körülvevő galaxisokhoz, mint amit valójában észlelnek. Bár több törpe galaxist találnak, még mindig kevés a sötét anyag előrejelzéseivel összehasonlítva.
Egy másik nagy, nyitott kérdés az, hogy a sötét anyag hogyan befolyásolja a galaxisok fényessége és forgási sebessége közötti kapcsolatot. Ezt a kapcsolatot, amelyet először 1977-ben mutattak be, Tully-Fisher kapcsolatnak nevezik, és sokszor megmutatta, hogy a galaxis látható tömege jól korrelál a forgási sebességével.
Kemény kihívások a sötét anyag számára
Szóval véget vet a hátsó történetnek. Mi újság?
A Tully-Fisher kapcsolat nehéz kihívás a sötét anyag modellek számára. A galaxis forgását az anyag teljes mennyisége szabályozza. Ha a sötét anyag valóban létezik, akkor az anyag teljes mennyisége mind a rendes, mind a sötét anyag összege.
A meglévő sötét anyag elmélet azonban azt jósolja, hogy bármely véletlenszerű galaxis nagyobb vagy kisebb sötét anyag frakciókat tartalmazhat. Tehát, ha megmérjük a látható tömeget, akkor valószínűleg hiányzik a teljes tömeg hatalmas darabja. Ennek eredményeként a látható tömegnek nagyon rosszul kell megbecsülnie a galaxis teljes tömegét (és ezáltal a forgási sebességet). A galaxis tömege hasonló lehet a látható (rendes) tömeghez, vagy sokkal nagyobb is lehet.
Ezért nincs ok arra, hogy a látható tömeg jó előrejelzője legyen a galaxis forgási sebességének. De mégis van.
Valójában egy ebben az évben kiadott cikkben a sötét anyag szkeptikusok a Tully-Fisher kapcsolat méréseit használják különféle galaxisokon, hogy vitatkozzanak a sötét anyag hipotézisével és a tehetetlenség módosított változatával, mint például a MOND.
Jobban illeszkedik a sötét anyaghoz
A júniusban kiadott tanulmányban azonban a tudósok jelentős lendületet adtak a sötét anyag modelleinek. Az új munka nemcsak a sötét anyagmodell korábbi jóslatainak sikereit reprodukálja, hanem a Tully-Fisher kapcsolatot is.
Az új cikk egy "fél-analitikus" modell, ami azt jelenti, hogy az analitikus egyenletek és a szimuláció kombinációja. Szimulálja a sötét anyag összerakódását a korai világegyetemben, amely esetleg galaxisképződést vethet fel, de magában foglalja a rendes anyag kölcsönhatását is, ideértve az olyan dolgokat is, mint például a rendes anyag egy másik égi testbe történő beáramlása gravitációs vonzása, csillagképződése és hevítése miatt. beáramló gáz csillagfényben és szupernóvákban. A paraméterek gondos behangolásával a kutatók jobban megfeleltek a becsült Tully-Fisher kapcsolatnak. A számítás kulcsa az, hogy a becsült fordulatszám tartalmazza a galaxisban a baryonok és a sötét anyag arányának reális értékét.
Az új számítás fontos kiegészítő lépés a sötét anyag modell validálásához. Ez azonban nem a végső szó. Minden sikeres elméletnek meg kell egyeznie az összes méréssel. Az egyezség elmulasztása azt jelenti, hogy vagy az elmélet, vagy az adatok helytelenek, vagy legalábbis hiányosak. A predikció és a mérés között továbbra is marad néhány eltérés (például a kis műholdas galaxisok száma a nagyok körül), ám ez az új cikk bizalmat ad nekünk, hogy a jövőbeni munka megoldja ezeket a fennmaradó eltéréseket. A sötét anyag továbbra is erőteljesen prediktív elmélet az univerzum felépítéséhez. Ez nem teljes, és érvényesítésre szorul a sötét anyag tényleges részecskéinek felfedezésével. Tehát még van még tennivaló. Ez a legfrissebb számítás azonban fontos lépés a nap felé, ahol egyszer és mindenkorra megtudhatjuk, hogy az univerzumban valóban a sötét oldal uralja-e.
