Дон Линцолн је старији научник на америчком Одсеку за енергетику Фермилаб, највећој америчкој истраживачкој институцији за велике хадронске сударе. Он такође пише о науци за јавност, укључујући недавни "Велики хадронски сударач: изванредна прича о Хиггсову Бозону и друге ствари које ће вам разнијети памет" (Јохнс Хопкинс Университи Пресс, 2014). Можете га пратити на Фацебооку. Линцолн је овај чланак придодао стручним гласима Ливе Сциенце-а: Оп-Ед & Инсигхтс.
Многи научни људи прихватају здраво за готово да је свемир сачињен не само од многобројних галаксија које су цитирали Царл Саган, већ и огромне количине невидљиве супстанце зване тамна материја. Сматра се да је ова чудна материја нова врста субатомских честица које не комуницирају путем електромагнетизма, нити јаких и слабих нуклеарних сила. Такође би требало да постоји и тамна материја која је пет пута већа у свемиру од обичне материје атома.
Међутим, реалност је да постојање тамне материје још није доказано. Тамна материја је и даље хипотеза, иако прилично добро подржана. Било која научна теорија мора да предвиђа, а ако је тачно, мерења која обављате треба да се подударају са предвиђањима. Исто важи и за тамну материју. На пример, теорије тамне материје предвиђају брзину ротације галаксија. Али, до сада, мерења рађена детаљном расподјелом тамне материје у центру галаксија мале масе нису се ускладила с тим предвиђањима.
Недавна калкулација је то променила. Прорачун помаже да се реши загонетка односа Тулли-Фисхер, која упоређује видљиву, или обичну, материју галаксије са њеном ротационом брзином. На веома поједностављено речено, научници су открили да што је масивнија (и самим тим светлија) спирална галаксија, то се брже врти.
Али ако постоји тамна материја, како "велика" галаксија треба да се одреди не само њеном видљивом материјом, већ и њеном тамном материјом. С недостатком огромног дела једначине - количине тамне материје - однос Тулли-Фисхер не би требало да постоји. А ипак се чини. Било је тешко замислити било који начин да се тај однос усклади с постојећом теоријом тамне материје. До сада.
Порекло тамне материје
Први цртежи да би могла постојати потреба за нешто попут тамне материје сежу у 1932. Холандски астроном Јан Оорт измерио је орбиталне брзине звезда унутар Млечног пута и утврдио да се пребрзо крећу да би их објаснили опаженом масом галаксије.
Звезде круже око своје матичне галаксије готово кружним путањама, а гравитација је сила која држи звезде у тим орбитама. Њутонове једначине предвиђају да би сила због које се звезде крећу у кружном путу, Ф (кружна), требало да изједначи силу због гравитације на звезди, Ф (гравитација), или би у супротном звезда одлетела у свемир или пала центар галаксије. За оне који памте физику из средње школе, Ф (кружна) је изјава инерције и само је Невтонова Ф = ма. Ф (гравитација) је Њутонов закон универзалне гравитације.
У близини центра галаксија Рубин и Форд су установили да је Ф (кружна) приближно једнака Ф (гравитација), као што се очекивало. Али, далеко од центра галаксија, две стране једначине нису се добро слагале. Иако су детаљи варирали од галаксије до галаксије, њихова су запажања у основи била универзална.
Таква драматична неусклађеност треба објаснити. У близини центра галаксија, Рубинова и Фордова мерења значила су да теорија функционира, док је одступање на већим орбиталним растојањима значило да се нешто догађа, што постојеће теорије не могу објаснити. Њихови увиди открили су да или не разумијемо како дјелује инерција (нпр., Ф (кружна)), или не разумијемо како гравитација дјелује (нпр., Ф (гравитација)). Трећа могућност је да је знак једнакости погрешан, што значи да постоји нека друга сила или ефекат који једначина не укључује. То су биле једине могућности.
Објашњење разлика
У 40 година од оригиналног рада Рубина и Форда, научници су тестирали многе теорије како би покушали да објасне разлике у галактичкој ротацији које су пронашли. Физичар Мордехаи Милгром је предложио модификацију инерције, названу "модификована невтонска динамика", или МОНД. У свом почетном облику, то је постулирало да при врло малим убрзањима, Невтонова једначина Ф = ма не ради.
Други физичари су предложили модификације закона гравитације. Аинстеинова општа релативност овде не помаже јер су, у овом царству, Еинстеинова и Њутонова предвиђања су у основи идентична. А теорије квантне гравитације, које покушавају описати гравитацију субатомским честицама, не могу бити објашњење из истог разлога. Међутим, постоје теорије гравитације које предвиђају галактичке или екстрагалактичке скале које се разликују од гравитације Њутона. То су опције.
Онда су предвиђања да постоје нове снаге. Ове идеје су сједињене под именом "пета сила", подразумевајући силу изнад гравитације, електромагнетизам и јаке и слабе нуклеарне силе.
Коначно, постоји теорија тамне материје: да врста материје која уопште не комуницира са светлошћу, али ипак има гравитационо повлачење, прожима свемир.
Да ли су мерења галактичке ротације једини подаци које имамо, можда ће бити тешко изабрати између ових различитих теорија. Уосталом, свака теорија може да подеси решење проблема ротације галактике. Али сада постоје многа запажања многих различитих појава која могу помоћи да се идентификује најпоузданија теорија.
Једна је брзина галаксија унутар великих кластера галаксија. Галаксије се пребрзо крећу да би кластери остали везани заједно. Друго запажање је светлости из веома удаљених галаксија. Посматрања ових веома удаљених древних галаксија показују да се њихова светлост изобличава пролазећи кроз гравитациона поља ближих накупина галаксија. Такође постоје студије о малим неједнакостима космичке микроталасне позадине која је вапај универзума. Сва ова мерења (и многе друге) такође се морају позабавити било којом новом теоријом да би се објасниле галактичке брзине ротације.
Мрачна материја је неодговорена
Теорија тамне материје учинила је разуман посао предвиђајући многа од ових мерења, због чега је у научној заједници веома уважена. Али тамна материја је још увек непотврђен модел. Сви докази о његовом постојању до сада су индиректни. Ако постоји тамна материја, требали бисмо бити у могућности да директно посматрамо интеракције тамне материје како пролази кроз Земљу и можда ћемо моћи да направимо тамну материју у великим акцелераторима честица, попут Великог хадронског сударача. Па ипак, ни један приступ није био успешан.
Поред тога, тамна материја би се требала слагати са свим, не само многим, астрономским запажањима. Иако је тамна материја до сада најуспешнији модел, није у потпуности успешан. Модели тамне материје предвиђају више патуљастих сателитских галаксија које окружују велике галаксије попут Млијечног пута него што је заправо откривено. Иако се проналази још патуљастих галаксија, још је премало у поређењу с предвиђањима тамне материје.
Друго велико, отворено питање је како тамна материја утиче на однос између светлине галаксија и њихових брзина ротације. Тај однос, који је први пут представљен 1977. године, назива се однос Тулли-Фисхер, и много је пута показао да видљива маса галаксије добро корелира са брзином ротације.
Тешки изазови за тамну материју
Дакле, тиме се завршава задња прича. Шта је ново?
Однос Тулли-Фисхер је тежак изазов за моделе са тамном материјом. Ротацијом галаксије управља укупна количина материје коју садржи. Ако тамна материја заиста постоји, тада је укупна количина материје збир и обичне и тамне материје.
Али постојећа теорија тамне материје предвиђа да свака случајна галаксија може садржати веће или мање фракције тамне материје. Дакле, када неко мери видљиву масу, потенцијално вам може недостајати велики део укупне масе. Као резултат, видљива маса би требала бити веома лош предиктор укупне масе (а самим тим и брзине ротације) галаксије. Маса галаксије може бити слична маси видљиве (обичне) масе или може бити и много већа.
Стога нема разлога да очекујемо да би видљива маса била добар предиктор брзине ротације галаксије. Ипак јесте.
Заправо, у раду објављеном ове године, скептици тамне материје користили су мерења односа Тулли-Фисхер за разне галаксије да би се супротставили хипотези о тамној материји и за модификовану верзију инерције, попут МОНД.
Боља погодност за тамну материју
Међутим, у часопису објављеном у јуну научници су моделима тамне материје дали значајан подстицај. Нови рад не само да репродукује успехе ранијих предвиђања модела тамне материје, већ репродукује и однос Тулли-Фисхер-а.
Нови рад је „полуаналитички“ модел, што значи да је комбинација аналитичких једначина и симулације. Симулира накупљање тамне материје у раном свемиру која је можда засијала формирање галаксија, али такође укључује интеракцију обичне материје, укључујући такве ствари као што је прилив обичне материје у друго небеско тело захваљујући свом гравитационом повлачењу, формирању звезда и загревању. падајућег гаса звезданом светлошћу и суперновама. Пажљивим подешавањем параметара, истраживачи су могли боље да успоређују предвиђени однос Тулли-Фисхер-а. Кључ израчуна је да предвиђена брзина ротације укључује реалну вредност за однос бариона и тамне материје у галаксији.
Нови израчун важан је додатни корак у валидацији модела тамне материје. Међутим, то није последња реч. Свака успешна теорија треба да се сложи са свим мерењима. Неуспјех у договору значи да су или теорија или подаци погрешни или барем непотпуни. Још увијек постоји неколико разлика између предвиђања и мјерења (попут броја малих сателитских галаксија око великих), али овај нови рад даје нам сигурност да ће будући рад ријешити ове преостале разлике. Тамна материја остаје снажно предиктивна теорија за структуру свемира. Није потпуна и потребна му је валидација откривањем стварне честице тамне материје. Дакле, још увек имамо посла. Али овај последњи израчун важан је корак према дану где ћемо једном заувек знати да ли универзумом заиста доминира мрачна страна.
