Дон Линкълн е старши учен в американския департамент по енергетика във Фермилаб, най-голямата американска изследователска институция за големи адронни колиби. Той също така пише за науката за обществеността, включително и последната му „Големият адронен сблъсък: Извънредната история на Хигс Босън и други неща, които ще взривят ума ви“ (Johns Hopkins University Press, 2014). Можете да го последвате във Facebook. Линкълн допринесе тази статия за Експертни гласове на Live Science: Op-Ed & Insights.
Много хора, разумни от науката, приемат за даденост, че Вселената е създадена не само от често цитираните от Карл Саган "милиарди и милиарди" галактики, но и от огромно количество невидимо вещество, наречено тъмна материя. Счита се, че тази странна материя е нов вид субатомна частица, която не взаимодейства чрез електромагнетизма, нито силните и слабите ядрени сили. Тъмната материя също се предполага, че е пет пъти по-разпространена във Вселената от обикновената материя на атомите.
Реалността обаче е, че съществуването на тъмната материя все още не е доказано. Тъмната материя все още е хипотеза, макар и доста добре поддържана. Всяка научна теория трябва да прави прогнози и ако е правилно, тогава измерванията, които правите, трябва да съответстват на прогнозите. Същото важи и за тъмната материя. Например, теориите за тъмната материя предвиждат колко бързо се въртят галактиките. Но досега измерванията, направени от подробното разпределение на тъмната материя в центъра на галактиките с ниска маса, не съответстваха на тези прогнози.
Скорошно изчисление промени това. Изчислението помага за разрешаването на главоблъска на съотношението Тюли-Фишър, което сравнява видимата или обикновена материя на галактика със скоростта на въртене. С много опростен начин учените са установили, че колкото по-масивна (и следователно по-ярка) е спиралната галактика, толкова по-бързо се върти.
Но ако съществува тъмна материя, колко "голяма" галактика трябва да се определя не само от видимата й материя, но и от тъмната й материя. С огромно парче от уравнението - количеството тъмна материя - липсва, връзката Тъли-Фишър не трябва да се придържа. И въпреки това го прави. Трудно беше да си представим какъвто и да е начин да примиря тази връзка със съществуващата теория на тъмната материя. Досега.
Произход на тъмната материя
Първите манипулации, че може да има нужда от нещо като тъмна материя, са от 1932 г. Холандският астроном Ян Оорт измерва орбиталните скорости на звездите в Млечния път и установява, че те се движат твърде бързо, за да се обяснят с наблюдаваната маса на галактиката.
Звездите обикалят около орбиталната си галактика по почти кръгови пътеки и гравитацията е силата, която държи звездите в тези орбити. Уравненията на Нютон прогнозират, че силата, която кара звездите да се движат по кръгов път, F (кръгова), трябва да е равна на силата поради гравитацията върху звездата, F (гравитация), или в противен случай звездата да излети в космоса или да падне центърът на галактиката. За тези, които помнят физиката в гимназията, F (кръгово) е инерционно изявление и е просто F = ma на Нютон. F (гравитацията) е законът на Нютон за универсална гравитация.
В близост до центъра на галактиките Рубин и Форд откриха, че F (кръгъл) е приблизително равен на F (гравитация), както се очакваше. Но далеч от центъра на галактиките, двете страни на уравнението не съвпадат много добре. Докато детайлите варираха от галактика до галактика, техните наблюдения бяха по същество универсални.
Такова драматично несъответствие се нуждае от обяснение. В близост до центъра на галактиките измерванията на Рубин и Форд означаваха, че теорията работи, докато разминаването на по-големи орбитални разстояния означава, че нещо се случва, което съществуващите теории не могат да обяснят. Техните прозрения разкриха, че или ние не разбираме как работи инерцията (например, F (кръгова)), или не разбираме как действа гравитацията (например, F (гравитация)). Трета възможност е знакът за равенство да е грешен, което означава, че има някаква друга сила или ефект, които уравнението не включва. Това бяха единствените възможности.
Обясняване на несъответствията
През 40-те години от оригиналната работа на Рубин и Форд учените са тествали много теории, за да се опитат да обяснят откритите от тях галактически несъответствия. Физикът Мордехай Милгром предложи модификация на инерцията, наречена „модифицирана нютонова динамика“ или MOND. В първоначалната си форма той постулира, че при много ниски ускорения уравнението на Нютон F = ma не работи.
Други физици са предложили модификации на законите на гравитацията. Общата относителност на Айнщайн не помага тук, тъй като в тази област прогнозите на Айнщайн и Нютон по същество са идентични. И теориите за квантовата гравитация, които се опитват да опишат гравитацията чрез субатомни частици, не могат да бъдат обяснението по същата причина. Има обаче гравитационни теории, които правят прогнози на галактически или екстрагалактични скали, които се различават от гравитацията на Нютон. Това са опции.
Тогава има предсказания, че съществуват нови сили. Тези идеи са обединени под името "петата сила", което предполага сила отвъд гравитацията, електромагнетизма и силните и слабите ядрени сили.
И накрая, има теорията за тъмната материя: Този тип материя, която изобщо не взаимодейства със светлината, но все пак упражнява гравитационно дърпане, прониква във Вселената.
Дали измерванията на въртене в галактиката бяха единствените данни, които имаме, може да е трудно да изберете между тези различни теории. В крайна сметка, може да е възможно да се изкриви всяка теория за решаване на проблема с галактическото въртене. Но сега има много наблюдения на много различни явления, които могат да помогнат за идентифициране на най-правдоподобната теория.
Едната е скоростта на галактиките в големи струпвания на галактики. Галактиките се движат твърде бързо, за да останат клъстерите свързани. Друго наблюдение е на светлина от много далечни галактики. Наблюденията на тези много далечни древни галактики показват, че светлината им се изкривява при преминаване през гравитационните полета на по-близките струпвания на галактики. Има и изследвания за малки неравномерности на космическия микровълнов фон, който е рожденият вик на Вселената. Всички тези измервания (и много други) също трябва да бъдат разгледани от всяка нова теория за обяснение на скоростите на въртене на галактиката.
Тъмната материя е без отговор
Теорията на тъмната материя свърши разумна работа при прогнозирането на много от тези измервания, поради което е добре уважавана в научната общност. Но тъмната материя все още е непотвърден модел. Всички доказателства за съществуването му досега са косвени. Ако съществува тъмна материя, би трябвало да можем директно да наблюдаваме взаимодействията на тъмната материя, докато тя преминава през Земята и може да бъдем в състояние да направим тъмна материя в ускорители на големи частици, като Големия адронен колайдер. И въпреки това нито един подход не е успешен.
Освен това тъмната материя трябва да се съгласи с всички, а не само с много, астрономически наблюдения. Докато тъмната материя е най-успешният модел досега, тя не е напълно успешна. Моделите с тъмна материя прогнозират повече сателитни галактики джуджета, обграждащи големи галактики като Млечния път, отколкото всъщност са открити. Въпреки че се откриват още галактики джуджета, все още има твърде малко в сравнение с прогнозите на тъмната материя.
Друг голям, открит въпрос е как тъмната материя влияе върху връзката между яркостта на галактиките и техните скорости на въртене. Тази връзка, която беше представена за първи път през 1977 г., се нарича връзката Тъли-Фишър и многократно е показала, че видимата маса на галактика корелира добре със скоростта на въртене.
Трудни предизвикателства за тъмната материя
Така че приключва историята на гърба. Какво ново?
Отношението Тули-Фишър е тежко предизвикателство за моделите с тъмна материя. Въртенето на галактика се управлява от общото количество материя, която съдържа. Ако тъмната материя наистина съществува, тогава общото количество материя е сборът както на обикновената, така и на тъмната материя.
Но съществуващата теория за тъмната материя прогнозира, че всяка случайна галактика може да съдържа по-големи или по-малки фракции от тъмна материя. Така че, когато човек измерва видимата маса, потенциално може да ви липсва огромен парче от общата маса. В резултат на това видимата маса трябва да бъде много лош предсказател за общата маса (и по този начин скорост на въртене) на галактиката. Масата на галактиката може да бъде подобна на тази на видимата (обикновена) маса или може да бъде много по-голяма.
По този начин няма причина да се очаква, че видимата маса трябва да бъде добър предиктор за скоростта на въртене на галактиката. И все пак е така.
В действителност, в публикация, публикувана тази година, скептиците на тъмната материя използваха измервания на връзката Тъли-Фишър за различни галактики, за да аргументират хипотезата за тъмната материя и за модифицирана версия на инерцията, като MOND.
По-подходящ за тъмна материя
Въпреки това, в статия, публикувана през юни, учените са дали съществен тласък на моделите с тъмна материя. Новата творба не само възпроизвежда успехите на по-ранните прогнози на модела на тъмната материя, но и възпроизвежда връзката Тъли-Фишър.
Новата книга е "полуаналитичен" модел, което означава, че е комбинация от аналитични уравнения и симулация. Той симулира струпването на тъмна материя в ранната Вселена, която може да има образуване на галактика, но също така включва взаимодействието на обикновената материя, включително такива неща като притокът на обикновена материя в друго небесно тяло поради нейното гравитационно дърпане, образуване на звезди и нагряване на падащ газ от звездна светлина и свръхнови. Чрез внимателна настройка на параметрите изследователите успяха по-добре да съвпаднат с прогнозираната връзка Тъли-Фишър. Ключът на изчислението е, че прогнозираната скорост на въртене включва реалистична стойност за съотношението бариони към тъмната материя в галактиката.
Новото изчисление е важна допълнителна стъпка при валидиране на модела на тъмната материя. Това обаче не е последната дума. Всяка успешна теория трябва да се съгласи с всички измервания. Несъгласието означава, че или теорията, или данните са грешни или поне непълни. Все още остават няколко несъответствия между прогнозиране и измерване (като например броят на малките сателитни галактики около големи), но този нов документ ни дава увереност, че бъдещата работа ще разреши тези останали несъответствия. Тъмната материя остава силно предсказваща теория за структурата на Вселената. Тя не е пълна и се нуждае от валидиране чрез откриване на действителната частица тъмна материя. И така, все още има работа. Но това най-ново изчисление е важна стъпка към деня, в който ще знаем веднъж завинаги дали Вселената наистина е доминирана от тъмната страна.
