Don Lincoln je višji znanstvenik na ameriškem ministrstvu za energetiko Fermilab, največji ameriški raziskovalni inštitut za velike hadronske trkalnike. O znanosti piše tudi za javnost, vključno s svojim nedavnim "Veliki hadronski trkalnik: izjemna zgodba Higgsona Bosona in druge stvari, ki bodo razburile vaš um" (Johns Hopkins University Press, 2014). Spremljate ga lahko na Facebooku. Lincoln je prispeval ta članek k oddaji Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Mnogi znanstveno sposobni ljudje jemljejo za samoumevno, da vesolje ni samo iz citiranih "milijard in milijard" galaksij Carla Sagana, ampak tudi iz ogromne količine nevidne snovi, imenovane temna snov. Ta nenavadna snov naj bi bila nova vrsta subatomskih delcev, ki ne vplivajo prek elektromagnetizma, niti močnih in šibkih jedrskih sil. Temna materija naj bi bila tudi v vesolju petkrat bolj razširjena od navadne snovi atomov.
Vendar je resničnost, da obstoj temne snovi še ni dokazan. Temna snov je še vedno hipoteza, čeprav precej dobro podprta. Vsaka znanstvena teorija mora predvidevati, in če je prav, potem se meritve, ki jih izvajate, ujemajo s predvidevanji. Enako velja za temno snov. Na primer, teorije temne snovi predvidevajo, kako hitro se vrtijo galaksije. Toda doslej se meritve iz podrobne porazdelitve temne snovi v središču galaksij z nizko maso niso ujemale s temi napovedmi.
Nedavni izračun je to spremenil. Izračun pomaga razrešiti glavnico relacije Tully-Fisher, ki primerja vidno ali navadno snov galaksije z njeno vrtilno hitrostjo. Znanstveniki so zelo poenostavljeno ugotovili, da bolj ko je (in zato svetlejša) spiralna galaksija, hitreje se vrti.
Če pa obstaja temna snov, kako "veliko" galaksijo ne bi smeli določiti samo njena vidna snov, temveč tudi njena temna snov. Glede na ogromen del enačbe - količino temne snovi - manjka, razmerje Tully-Fisher ne bi smelo veljati. In vendar je. Težko si je bilo zamisliti, da bi ta odnos uskladil z obstoječo teorijo temne snovi. Do zdaj.
Poreklo temne snovi
Prvi črnilom, ki bi morda potrebovali nekaj takega, kot je temna snov, segajo v leto 1932. Nizozemski astronom Jan Oort je izmeril orbitalne hitrosti zvezd znotraj Mlečne poti in ugotovil, da so se premaknili prehitro, da bi jih razložili z opaženo maso galaksije.
Zvezde krožijo po svoji matični galaksiji po skoraj krožnih poteh, gravitacija pa je sila, ki drži zvezde na teh orbitah. Newtonove enačbe napovedujejo, da bi morala biti sila, zaradi katere se zvezde premikajo po krožni poti, F (krožna), enaka sili zaradi gravitacije na zvezdi, F (gravitacija), ali bi drugače zvezda odletela v vesolje ali padla v središče galaksije. Za tiste, ki se spomnite srednješolske fizike, je F (krožna) izjava po inerciji in je le Newtonova F = ma. F (gravitacija) je Newtonov zakon univerzalne gravitacije.
V bližini središča galaksij sta Rubin in Ford ugotovila, da je F (krožna) približno enaka F (gravitacija), kot je bilo pričakovano. Toda daleč od središča galaksij se obe strani enačbe nista dobro ujemali. Medtem ko so bile podrobnosti različne od galaksije do galaksije, so bila njihova opažanja v bistvu univerzalna.
Takšno dramatično neskladje je treba pojasniti. V bližini središča galaksij so Rubinove in Fordove meritve pomenile, da teorija deluje, medtem ko je neskladje na večjih orbitalnih razdaljah pomenilo, da se nekaj dogaja, kar obstoječe teorije niso znale razložiti. Njihov vpogled je razkril, da bodisi ne razumemo, kako deluje inercija (npr. F (krožna)), ali ne razumemo, kako deluje gravitacija (npr. F (gravitacija)). Tretja možnost je, da je znak enakovreden napačen, kar pomeni, da obstaja neka druga sila ali učinek, ki ga enačba ne vključuje. To so bile edine možnosti.
Pojasnitev odstopanj
V 40 letih od prvotnega dela Rubina in Forda so znanstveniki preizkusili številne teorije, da bi poskušali razložiti odstopanja v galaktičnem vrtenju, ki so jih ugotovili. Fizik Mordehai Milgrom je predlagal spremembo vztrajnosti, imenovano "spremenjena newtonska dinamika" ali MOND. V svoji prvotni obliki je predpostavljalo, da pri zelo majhnih pospeških Newtonova enačba F = ma ne deluje.
Drugi fiziki so predlagali spremembe zakonov gravitacije. Splošna relativnost Einsteina tu ne pomaga, saj so v tem primeru Einsteinova in Newtonova predvidevanja v bistvu enaka. A teorije kvantne gravitacije, ki poskušajo opisati gravitacijo s pomočjo subatomskih delcev, iz istega razloga ne morejo biti razlage. Vendar pa obstajajo gravitacijske teorije, ki napovedujejo galaktične ali ekstragalaktične lestvice, ki se razlikujejo od gravitacije Newtona. Torej, to so možnosti.
Potem so napovedi, da obstajajo nove sile. Te ideje so združene pod imenom "peta sila", kar pomeni silo, ki presega gravitacijo, elektromagnetizem in močne in šibke jedrske sile.
Končno obstaja teorija temne materije: Da vrsta snovi, ki sploh ne deluje s svetlobo, vendar ima gravitacijsko vleko, prežema vesolje.
Če so bile meritve vrtenja v galaktiki edini podatki, ki jih imamo, bi bilo težko izbrati med temi različnimi teorijami. Navsezadnje bi bilo mogoče za vsako teorijo prilagoditi rešitev problema galaktičnega vrtenja. Toda zdaj obstaja veliko opazovanj številnih različnih pojavov, ki lahko pomagajo prepoznati najbolj verodostojno teorijo.
Prva je hitrost galaksij znotraj velikih grozdov galaksij. Galaksije se premikajo prehitro, da bi grozdi ostali povezani. Drugo opazovanje je svetloba iz zelo oddaljenih galaksij. Opazovanja teh zelo oddaljenih starodavnih galaksij kažejo, da se njihova svetloba izkrivlja s prehodom skozi gravitacijska polja bližnjih grozdov galaksij. Obstajajo tudi študije majhnih neenotnosti kozmičnega mikrovalovnega ozadja, ki je rojstni krik vesolja. Vse te meritve (in še veliko več) se mora lotiti tudi vsaka nova teorija, da bi pojasnila hitrosti vrtenja galaktike.
Temna materija je brez odgovorov
Teorija temne snovi je opravila razumno delo pri napovedovanju številnih teh meritev, zato je v znanstveni skupnosti dobro spoštovana. Toda temna snov je še vedno nepotrjen model. Vsi dosedanji dokazi o njegovem obstoju so posredni. Če obstaja temna snov, bi morali imeti možnost, da neposredno opazujemo interakcije temne snovi, ko gre skozi Zemljo, in morda bomo lahko naredili temno snov v velikih pospeševalcih delcev, kot je veliki hadronski trkalnik. In vendar noben pristop ni bil uspešen.
Poleg tega bi se morala temna snov strinjati z vsemi, ne le z mnogimi, astronomskimi opazovanji. Čeprav je temna snov najuspešnejši model do zdaj, ni povsem uspešen. Modeli temne snovi napovedujejo več pritlikavih satelitov, ki obkrožajo velike galaksije, kot je Mlečna pot, kot je dejansko zaznanih. Čeprav je najdenih več pritlikavih galaksij, je v primerjavi s napovedmi temne snovi še vedno premalo.
Drugo veliko odprto vprašanje je, kako temna snov vpliva na razmerje med svetlostjo galaksij in njihovimi vrtilnimi hitrostmi. To razmerje, ki je bilo prvič predstavljeno leta 1977, imenujemo razmerje Tully-Fisher in je že večkrat pokazalo, da vidna masa galaksije dobro korelira s hitrostjo vrtenja.
Težki izzivi za temno snov
Tako se konča zadnja zgodba. Kaj je novega?
Razmerje Tully-Fisher je težaven izziv za modele temne snovi. Vrtenje galaksije ureja celotna količina snovi, ki jo vsebuje. Če temna snov resnično obstaja, potem je skupna količina snovi vsota navadne in temne snovi.
Vendar obstoječa teorija temne snovi predvideva, da lahko vsaka naključna galaksija vsebuje večje ali manjše dele temne snovi. Torej, ko nekdo meri vidno maso, vam lahko potencialno manjka velik kos skupne mase. Zato mora biti vidna masa zelo slab napovedovalec skupne mase (in s tem hitrosti vrtenja) galaksije. Masa galaksije je lahko podobna masi vidne (navadne) mase ali pa bi lahko bila veliko večja.
Tako ni razloga, da bi pričakovali, da mora biti vidna masa dober napovedovalec vrtilne hitrosti galaksije. Pa vendar je.
Dejansko so v tem letu objavljeni skeptiki temne snovi meritve razmerja Tully-Fisher za različne galaksije nasprotovali hipotezi o temni snovi in za spremenjeno različico vztrajnosti, kot je MOND.
Bolje primeren za temno snov
Vendar pa so znanstveni prispevki znanstvenikom v prispevku, ki je bil objavljen junija, dali močne spodbude. Novo delo ne samo da reproducira uspehe prejšnjih napovedi modela temne snovi, ampak tudi razmerje Tully-Fisher.
Novi prispevek je "semianalitični" model, kar pomeni, da gre za kombinacijo analitičnih enačb in simulacije. Simulira kopanje temne snovi v zgodnjem vesolju, ki je morda sejalo galaksijsko tvorbo, vključuje pa tudi interakcijo navadne snovi, vključno s tistimi, kot je priliv navadne snovi v drugo nebesno telo zaradi gravitacijskega vleka, nastajanja zvezd in segrevanja padajočega plina zaradi zvezdne svetlobe in supernov. S skrbnim nastavljanjem parametrov so se raziskovalci lažje ujemali s predvidenim razmerjem Tully-Fisher. Ključ izračuna je, da predvidena hitrost vrtenja vključuje realno vrednost za razmerje barionov in temne snovi v galaksiji.
Nov izračun je pomemben dodaten korak pri potrjevanju modela temne snovi. Vendar pa ni zadnja beseda. Vsaka uspešna teorija se mora strinjati z vsemi meritvami. Če se ne strinjate, pomeni, da so bodisi teorija bodisi podatki napačni ali vsaj nepopolni. Še vedno ostaja nekaj razhajanj med napovedjo in merjenjem (na primer število majhnih satelitskih galaksij okoli velikih), vendar ta nov dokument daje zaupanje, da bodo prihodnja dela odpravila ta preostala neskladja. Temna snov ostaja močno napovedna teorija za strukturo vesolja. Ni popolna in potrebuje potrditev z odkrivanjem dejanskega delca temne snovi. Torej, dela je še treba opraviti. Toda ta najnovejši izračun je pomemben korak v smeri dneva, ko bomo enkrat za vselej vedeli, ali v vesolju resnično vlada temna stran.
