Będę pierwszym, który przyzna, że nie rozumiemy ciemnej materii. Na przykład, gdy patrzymy na galaktykę i liczymy wszystkie gorące świecące kawałki, takie jak gwiazdy, gaz i pył, otrzymujemy pewną masę. Kiedy w ogóle używamy innej techniki do pomiaru masy, otrzymujemy znacznie wyższą liczbę. Zatem naturalny wniosek jest taki, że nie cała materia we wszechświecie jest gorąca i błyszcząca. Może niektórzy, jeśli jest, no wiesz, ciemny.
Ale trzymaj się. Najpierw powinniśmy sprawdzić naszą matematykę. Czy jesteśmy pewni, że nie popełniamy błędów w fizyce?
Szczegóły ciemnej materii
Główny element układanki ciemnej materii (choć na pewno nie jedyny, a będzie to ważne w dalszej części artykułu) ma postać tak zwanych krzywych rotacji galaktyk. Gdy obserwujemy gwiazdy obracające się wokół centrum swoich galaktyk, według wszelkich praw te znajdujące się dalej od centrum powinny poruszać się wolniej niż te bliżej centrum. Wynika to z faktu, że większość masy galaktycznej jest zatłoczona w jądrze, a najbardziej oddalone gwiazdy są daleko od tego wszystkiego, a dzięki prostej grawitacji Newtona powinny podążać powolnymi, leniwymi orbitami.
Ale oni nie.
Zamiast tego najbardziej oddalone gwiazdy krążą wokół Ziemi równie szybko, jak ich kuzyni z śródmieścia.
Ponieważ jest to gra grawitacji, istnieją tylko dwie opcje. Albo źle rozumiemy grawitację, albo w każdej galaktyce moczy się dodatkowy niewidzialny materiał. I o ile wiemy, grawitacja jest bardzo, bardzo dobra (to kolejny artykuł), więc boom: ciemna materia. Coś powstrzymuje te swobodnie poruszające się gwiazdy w swoich galaktykach, w przeciwnym razie wypadłyby jak niekontrolowane karuzele miliony lat temu; ergo, jest mnóstwo rzeczy, których nie możemy bezpośrednio zobaczyć, ale możemy pośrednio wykryć.
Robię się ciężki
Ale co, jeśli to nie jest tylko gra grawitacji? Są przecież cztery podstawowe siły natury: silny jądrowy, słaby jądrowy, grawitacyjny i elektromagnetyzm. Czy któryś z nich może zagrać w tę wspaniałą grę?
Silne jądro atomowe działa tylko w bardzo małych, subatomowych skalach, więc jest gotowe. I nikt nie dba o słaby nuklearny, z wyjątkiem niektórych rzadkich rozpadów i interakcji, więc możemy odłożyć to na bok. I elektromagnetyzm… cóż, oczywiście promieniowanie i pola magnetyczne odgrywają rolę w życiu galaktycznym, ale promieniowanie zawsze wypycha na zewnątrz (więc oczywiście nie pomoże utrzymać w ruchu szybko poruszających się gwiazd), a galaktyczne pola magnetyczne są niewiarygodnie słabe (nie silniejsze niż milionowe własne pole magnetyczne Ziemi). Więc… nie idź, prawda?
Podobnie jak wszystko w fizyce, istnieje podstępne wyjście. O ile możemy powiedzieć, foton - nośnik samej siły elektromagnetycznej - jest całkowicie bezmasowy. Ale obserwacje są obserwacjami i nic w nauce nie jest pewne, a obecne szacunki wskazują, że masa fotonu wynosi nie więcej niż 2 x 10-24 masa elektronu. Wbrew wszystkim intencjom i celom, jest to w zasadzie zero dla wszystkiego, na czym wszystkim zależy. Ale jeśli foton robimają masę, nawet poniżej tego limitu, mogą robić całkiem śmieszne rzeczy dla wszechświata.
Dzięki obecności masy w fotonie równania Maxwella, sposób, w jaki rozumiemy elektryczność, magnetyzm i promieniowanie, przybierają zmodyfikowaną postać. W matematyce pojawiają się dodatkowe terminy i kształtują się nowe interakcje.
Czujesz to?
Nowe interakcje są odpowiednio skomplikowane i zależą od konkretnego scenariusza. W przypadku galaktyk ich słabe pola magnetyczne zaczynają odczuwać coś wyjątkowego. Z powodu splątanego i skręconego upnature pól magnetycznych obecność masywnych fotonów modyfikuje równania Maxwella w właśnie należy dodać nową siłę przyciągania, która w niektórych przypadkach może być silniejsza niż sama grawitacja.
Innymi słowy, nowa siła elektromagnetyczna mogłaby być w stanie utrzymać w ruchu szybko poruszające się gwiazdy, eliminując całkowicie potrzebę ciemnej materii.
Ale to nie jest łatwe. Pola magnetyczne przechodzą przez gaz międzygwiezdny galaktyki, a nie same gwiazdy. Więc ta siła nie może wywierać bezpośredniego wpływu na gwiazdy. Zamiast tego siła musi ujawnić swój ciąg gazu, a gaz w jakiś sposób poinformuje gwiazdy, że jest nowe miasto szeryfa.
W przypadku masywnych, krótkotrwałych gwiazd jest to dość proste. Sam gaz krąży wokół jądra galaktycznego z maksymalną prędkością, tworzy gwiazdę, gwiazda żyje, gwiazda umiera, a resztki powracają do stanu gazu na tyle szybko, że dla wszystkich celów i celów gwiazdy naśladują ruch gazu, dając nam krzywych obrotu, których potrzebujemy.
Wielki problem w Little Stars
Ale małe, długo żyjące gwiazdy to kolejna bestia. Oddzielają się od gazu, który ich uformował, i żyją własnym życiem, krążąc wokół centrum galaktyki wiele razy, zanim wygasną. A ponieważ nie czują nowej dziwnej siły elektromagnetycznej, powinni po prostu całkowicie oddalić się od swoich galaktyk, ponieważ nic nie trzyma ich pod kontrolą.
Rzeczywiście, gdyby ten scenariusz był dokładny, a masywne fotony mogłyby zastąpić ciemną materię, nasze własne słońce nie byłoby tam, gdzie jest dzisiaj.
Co więcej, mamy bardzo dobry powód, by wierzyć, że fotony naprawdę są bezmasowe. Jasne, równania Maxwella mogą się nie przejmować, ale pewna szczególna teoria względności i kwantowa teoria pola. Zaczynasz zadzierać z masą fotonów i masz wiele do zrobienia, proszę pana.
Ponadto fakt, że wszyscy uwielbiają krzywe rotacji galaktyk, nie oznacza, że są naszą jedyną drogą do ciemnej materii. Obserwacje gromad galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne, wzrost struktury we wszechświecie, a nawet kosmiczne tło mikrofalowe wszystkie wskazują na jakiś niewidzialny element naszego wszechświata.
Nawet jeśli foton miał masę i był w stanie w jakiś sposób wyjaśnić ruchy wszystko gwiazd w galaktyce, nie tylko masywnych, nie byłby w stanie wyjaśnić wielu innych obserwacji (na przykład, w jaki sposób nowa siła elektromagnetyczna może wyjaśnić grawitacyjne zginanie światła wokół gromady galaktyk? To nie jest pytanie retoryczne - nie może). Innymi słowy, nawet w kosmosie wypełnionym masywnymi fotonami nadal potrzebowalibyśmy ciemnej materii.
Możesz przeczytać artykuł w czasopiśmie tutaj.
