Don Lincoln jest starszym naukowcem w amerykańskim Departamencie Energii w Fermilab, największej amerykańskiej instytucji badawczej Large Hadron Collider. Pisze także o nauce dla opinii publicznej, w tym swoim ostatnim „Wielkim zderzaczu hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczach, które zawalą ci umysł” (Johns Hopkins University Press, 2014). Możesz śledzić go na Facebooku. Lincoln napisał ten artykuł w Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Wielu znających się na rzeczy naukowców przyjmuje za pewnik, że wszechświat składa się nie tylko z często cytowanych przez Carla Sagana „miliardów i miliardów” galaktyk, ale także z ogromnej ilości niewidzialnej substancji zwanej ciemną materią. Uważa się, że ta dziwna materia jest nowym rodzajem cząsteczki subatomowej, która nie wchodzi w interakcje za pomocą elektromagnetyzmu ani silnych i słabych sił jądrowych. Ciemna materia ma być pięć razy bardziej powszechna we wszechświecie niż zwykła materia atomów.
Jednak w rzeczywistości istnienie ciemnej materii nie zostało jeszcze udowodnione. Ciemna materia jest wciąż hipotezą, aczkolwiek dość dobrze popartą. Każda teoria naukowa musi przewidywać, a jeśli ma rację, pomiary, które wykonujesz, powinny zgadzać się z przewidywaniami. To samo dotyczy ciemnej materii. Na przykład teorie ciemnej materii przewidują szybkość obracania się galaktyk. Ale do tej pory pomiary szczegółowe rozkładu ciemnej materii w centrum galaktyk o niskiej masie nie zgadzały się z tymi przewidywaniami.
Ostatnie obliczenia to zmieniły. Obliczenia pomagają rozwiązać zagadkę relacji Tully-Fisher, która porównuje widzialną lub zwykłą materię galaktyki z jej prędkością obrotową. W bardzo uproszczony sposób naukowcy odkryli, że im bardziej masywna (a zatem jaśniejsza) jest galaktyka spiralna, tym szybciej się obraca.
Ale jeśli istnieje ciemna materia, o tym, jak „duża” jest galaktyka, należy decydować nie tylko przez jej widzialną materię, ale także przez jej ciemną materię. Z powodu ogromnego fragmentu równania - ilości ciemnej materii - brakuje relacji Tully-Fisher. A jednak tak jest. Trudno było wyobrazić sobie jakikolwiek sposób na pogodzenie tego związku z istniejącą teorią ciemnej materii. Do teraz.
Początki ciemnej materii
Pierwsze podejrzenia, że może być potrzebna coś w rodzaju ciemnej materii, sięgają 1932 r. Holenderski astronom Jan Oort zmierzył prędkości orbitalne gwiazd w Drodze Mlecznej i stwierdził, że poruszają się zbyt szybko, aby można je było wyjaśnić obserwowaną masą galaktyki.
Gwiazdy krążą wokół swojej macierzystej galaktyki po prawie okrągłych ścieżkach, a grawitacja jest siłą, która utrzymuje gwiazdy na tych orbitach. Równania Newtona przewidują, że siła, która powoduje, że gwiazdy poruszają się po kolistej ścieżce, F (kołowa), powinna być równa sile grawitacji na gwieździe, F (grawitacja), w przeciwnym razie gwiazda odleci w kosmos lub spadnie do centrum galaktyki. Dla tych, którzy pamiętają fizykę w szkole średniej, F (okrągły) jest stwierdzeniem bezwładności i jest po prostu F = ma Newtona. F (grawitacja) jest prawem powszechnej grawitacji Newtona.
W pobliżu środka galaktyk Rubin i Ford stwierdzili, że F (kołowy) był w przybliżeniu równy F (grawitacja), zgodnie z oczekiwaniami. Ale daleko od centrum galaktyk obie strony równania nie pasowały do siebie zbyt dobrze. Chociaż szczegóły różniły się w zależności od galaktyki, ich obserwacje były zasadniczo uniwersalne.
Tak dramatyczna rozbieżność wymaga wyjaśnienia. W pobliżu środka galaktyk pomiary Rubina i Forda oznaczały, że teoria działała, a rozbieżność na większych odległościach orbitalnych oznaczała, że dzieje się coś, czego nie potrafią wyjaśnić istniejące teorie. Ich odkrycia ujawniły, że albo nie rozumiemy, jak działa bezwładność (np. F (kołowy)), ani nie rozumiemy, jak działa grawitacja (np. F (grawitacja)). Trzecią możliwością jest to, że znak równości jest błędny, co oznacza, że istnieje jakaś inna siła lub efekt, którego równanie nie uwzględnia. To były jedyne możliwości.
Wyjaśnienie rozbieżności
W ciągu 40 lat od oryginalnej pracy Rubina i Forda naukowcy przetestowali wiele teorii, aby wyjaśnić znalezione przez nich rozbieżności w obrotach galaktycznych. Fizyk Mordehai Milgrom zaproponował modyfikację bezwładności zwaną „zmodyfikowaną dynamiką newtonowską” lub MOND. W swojej pierwotnej formie postulował, że przy bardzo niskich przyspieszeniach równanie Newtona F = ma nie działa.
Inni fizycy zasugerowali modyfikacje praw grawitacji. Ogólna teoria względności Einsteina tutaj nie pomaga, ponieważ w tej dziedzinie prognozy Einsteina i Newtona są zasadniczo identyczne. Teorie grawitacji kwantowej, które próbują opisać grawitację za pomocą cząstek subatomowych, nie mogą być wyjaśnieniem z tego samego powodu. Istnieją jednak teorie grawitacyjne, które przewidują skale galaktyczne lub pozagalaktyczne, które różnią się od grawitacji Newtona. To są opcje.
Są też prognozy, że istnieją nowe siły. Idee te są zlepione pod nazwą „piąta siła”, sugerując siłę przekraczającą grawitację, elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe.
Wreszcie istnieje teoria ciemnej materii: ten rodzaj materii, która w ogóle nie wchodzi w interakcje ze światłem, ale działa grawitacyjnie, przenika wszechświat.
Gdyby pomiary rotacji galaktycznej były jedynymi danymi, jakie mamy, może być trudno wybrać między tymi różnymi teoriami. W końcu może być możliwe ulepszenie każdej teorii, aby rozwiązać problem rotacji galaktycznej. Ale obecnie istnieje wiele obserwacji wielu różnych zjawisk, które mogą pomóc w zidentyfikowaniu najbardziej prawdopodobnej teorii.
Jednym z nich jest prędkość galaktyk w dużych skupiskach galaktyk. Galaktyki poruszają się zbyt szybko, aby gromady mogły się ze sobą związać. Kolejna obserwacja dotyczy światła z bardzo odległych galaktyk. Obserwacje tych bardzo odległych starożytnych galaktyk pokazują, że ich światło jest zniekształcone, przechodząc przez pola grawitacyjne pobliskich gromad galaktyk. Istnieją również badania dotyczące niewielkich niejednorodności kosmicznego tła mikrofalowego, które jest płaczem narodzin wszechświata. Wszystkie te pomiary (i wiele innych) muszą być również uwzględnione w każdej nowej teorii wyjaśniającej galaktyczne prędkości obrotowe.
Pytania ciemnej materii bez odpowiedzi
Teoria ciemnej materii wykonała rozsądną robotę, przewidując wiele z tych pomiarów, dlatego jest dobrze szanowana w środowisku naukowym. Ale ciemna materia jest wciąż niepotwierdzonym modelem. Wszystkie dowody na jego istnienie są pośrednie. Jeśli ciemna materia istnieje, powinniśmy być w stanie bezpośrednio obserwować interakcje ciemnej materii, gdy przechodzi ona przez Ziemię, i możemy być w stanie wytworzyć ciemną materię w akceleratorach dużych cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów. A jednak żadne z tych podejść nie zakończyło się sukcesem.
Ponadto ciemna materia powinna zgadzać się ze wszystkimi, a nie tylko wieloma obserwacjami astronomicznymi. Chociaż ciemna materia jest jak dotąd najbardziej udanym modelem, nie jest ona w pełni udana. Modele ciemnej materii przewidują więcej karłowatych galaktyk satelitarnych otaczających duże galaktyki, takie jak Droga Mleczna, niż są faktycznie wykrywane. Chociaż znajduje się więcej galaktyk karłowatych, wciąż jest ich za mało w porównaniu z przewidywaniami ciemnej materii.
Kolejnym dużym, otwartym pytaniem jest, w jaki sposób ciemna materia wpływa na zależność między jasnością galaktyk a ich prędkościami obrotowymi. Zależność ta, po raz pierwszy zaprezentowana w 1977 r., Nazywa się relacją Tully-Fishera i wielokrotnie pokazywała, że widoczna masa galaktyki dobrze koreluje z prędkością obrotową.
Trudne wyzwania dla ciemnej materii
To koniec historii. Co nowego?
Relacja Tully-Fisher jest trudnym wyzwaniem dla modeli ciemnej materii. Rotacja galaktyki zależy od całkowitej ilości zawartej w niej materii. Jeśli ciemna materia naprawdę istnieje, całkowita ilość materii jest sumą zarówno zwykłej, jak i ciemnej materii.
Ale istniejąca teoria ciemnej materii przewiduje, że każda przypadkowa galaktyka może zawierać większe lub mniejsze frakcje ciemnej materii. Tak więc, kiedy mierzy się widoczną masę, możesz potencjalnie stracić ogromną część całkowitej masy. W rezultacie widoczna masa powinna być bardzo słabym predyktorem masy całkowitej (a tym samym prędkości obrotowej) galaktyki. Masa galaktyki może być podobna do masy widzialnej (zwykłej) lub może być znacznie większa.
Dlatego nie ma powodu, aby oczekiwać, że widoczna masa powinna być dobrym predyktorem prędkości obrotowej galaktyki. Ale tak jest.
W rzeczywistości w artykule opublikowanym w tym roku sceptycy ciemnej materii wykorzystali pomiary relacji Tully-Fishera dla różnych galaktyk, aby sprzeciwić się hipotezie ciemnej materii i zmodyfikowanej wersji bezwładności, takiej jak MOND.
Lepsze dopasowanie do ciemnej materii
Jednak w artykule opublikowanym w czerwcu naukowcy znacznie poprawili modele ciemnej materii. Nowa praca nie tylko odtwarza sukcesy wcześniejszych prognoz modelu ciemnej materii, ale także odtwarza relację Tully-Fishera.
Nowy artykuł jest modelem „półanalitycznym”, co oznacza, że stanowi połączenie równań analitycznych i symulacji. Symuluje zlepianie się ciemnej materii we wczesnym wszechświecie, która mogła zaszczepić formowanie się galaktyki, ale obejmuje także interakcje zwykłej materii, w tym takie rzeczy, jak infall zwykłej materii w innym ciele niebieskim ze względu na jej przyciąganie grawitacyjne, tworzenie gwiazd i ogrzewanie infallingu gazu przez światło gwiazd i supernowe. Dzięki starannemu dostrojeniu parametrów badacze mogli lepiej dopasować przewidywany związek Tully-Fishera. Kluczem do obliczeń jest to, że przewidywana prędkość obrotowa obejmuje realistyczną wartość stosunku barionów do ciemnej materii w galaktyce.
Nowe obliczenia są ważnym dodatkowym krokiem w walidacji modelu ciemnej materii. Nie jest to jednak ostatnie słowo. Każda udana teoria powinna zgadzać się ze wszystkimi pomiarami. Brak zgody oznacza, że teoria lub dane są błędne lub przynajmniej niekompletne. Pozostaje jeszcze kilka rozbieżności między prognozowaniem a pomiarem (takich jak liczba małych galaktyk satelitarnych wokół dużych), ale ten nowy artykuł daje nam pewność, że przyszłe prace naprawią te pozostałe rozbieżności. Ciemna materia pozostaje silnie przewidywalną teorią dotyczącą struktury wszechświata. Nie jest kompletna i wymaga potwierdzenia przez odkrycie rzeczywistej cząstki ciemnej materii. Pozostaje więc jeszcze wiele do zrobienia. Ale to ostatnie obliczenie jest ważnym krokiem w kierunku dnia, w którym raz na zawsze dowiemy się, czy wszechświat naprawdę jest zdominowany przez ciemną stronę.
