Eksotiske teorier om mørk materie. Hvis du er fan af alle de vemmeste ting i universet, er denne artikel noget for dig.
Det meste af indholdet i vores univers er af en form, der er helt ukendt for fysik. Det er bare en rå kendsgerning, som vi alle er nødt til at vænne os til. Hvis du bliver fristet til at tro, at det bare er en slagskosmologiske problem, et problem, der kun opstår på de allerbedste skalaer, ja, så har jeg dårlige nyheder til dig. En af disse mystiske komponenter til kosmos er - så vidt vi kan fortælle - en form for stof.
Men ikke bare nogen form for stof, ellers ville vi have set det nu. Nej, vi synes, det er en slagsmørk stof; sag, der simpelthen ikke interagerer med lys. Ingen emission. Ingen absorption. Ingen spredning. Ikke noget. Og det faktum, at mørk stof findes, burde ikke væreat overraskende, skal det? Når alt kommer til alt, hvem dikterede, at alt i universetskal interagere med lys?
Ingen gjorde det, og her er vi. Hvis du ser på en tilfældig galakse, repræsenterer de ting, der lyser op - stjerner, tåge osv. - kun en lille brøkdel af den samlede masse af masse i den galakse. Det nøjagtige forhold mellem "normal" stof og de mørke ting afhænger af mange faktorer, som galakens dannelseshistorie. Men generelt, jo mindre galaksen er, jo mere domineres den af mørkt stof.
De mindste galakser, kendt som dværg galakser, kunne give et praktisk laboratorium til undersøgelse af mørkt stof. I disse galakser er mørkt stof frit at gøre, hvad mørkt stof gør uden noget af det irriterende lys-interagerende stof for virkelig at komplicere tingene. Hvis mørkt stof gør noget mærkeligt (godt, fremmed end simpelthen eksisterende), som at interagere med sig selv via den svage atomkraft, eller være sammensat af flere slags eksotiske partikler, vil eventuelle effekter gøre sig mere udtalt i en dværggalakse end noget lignende Mælkevejen.
Dette er alt sammen godt og godt, bortset fra det lille advarsel, at selvom al denne interessante fysik sker under hætten, er det svært for os at se det. Fordi det er mørkt.
En ting af de mange ting, som vi ikke forstår om mørk stof, er, hvordan det opfører sig i galakernes kerner. Enkle simuleringer af galakseudviklingen forudsiger noget, der kaldes en "cusp" - en hård nød af utroligt høj densitet, der sidder i det ellers kremede centrum af en galakse. Men iagttagelser udelukker ikke dette: Der burde være en masse stjerner, der følger gravitationspåvirkningen fra alt det mørke stof. Og der er helt sikkert en masse stjerner i midten af en galakse, men ikkeat mange.
Noget skal udjævne den centrale mørke stof. Det kunne være eksotiske interaktioner i selve den mørke stof. Det kan være mere jordlige årsager som supernovaevinde, der sprænger gassen ud. Det kan være begge dele eller hverken.
Astronomer er meget, meget interesseret i kerne i galakser og især dværg galakser, fordi det er der, de potentielt kan lære meget om mørk stof. Og på trods af deres komplicerede, rodede fysik, har vi stadig brug for stjerner og gas til at observere, undersøge og studere dværg galakserne i håb om, at vi kan spore opførelsen af den underliggende mørke stof. Men dværg galakser er langt væk, svage og små - og deres kerner endnu mere.
Hvordan kunne vi muligvis kikke inde i dem?
Heldigvis har galakser mere end stjernernes borgere. De har også sorte huller. Kæmpe supermassive i deres kerner og millioner af mindre flyder inden i dem. Og det faktum, at kæmpe sorte huller har tendens til at samles i kerne i deres værtsgalakser, kan være nyttigt. Så måske - arbejde med mig her - hvis vi på en eller anden måde kunne studere opførslen af de sorte huller inde i dværg galakser, kan vi få nogle ledetråde til arten af mørkt stof.
Men sorte huller er også sorte og svære at se. Og lille. Og langt væk. Heldigvis behøver vi ikke se sorte huller - vi kan høre dem.
Når sorte huller kolliderer, ryster de og forvrænger stoffet i rumtiden så meget, at de forårsager bølger, som krusninger, der spreder sig ud fra en tung sten, der falder ned i vandet. Disse tyngdebølger spredte sig gennem rummet med lysets hastighed, som altid er så let at strække og klemme på mellemliggende ting, mens de vasker forbi. Faktisk bliver din krop, når du læser dette, trukket og presset som et stykke kitt fra de utallige tyngdekraftsbølger, der passerer gennem Jorden.
Disse tyngdekrave er sindssygt svære at opdage, og det er grunden til, at de første mennesker, der målte dem, fik nogle Nobelpriser for deres årtier lange indsats for at bruge forstyrrende lysstråler til at fange det subtile signal.
Men vores tre gravitationsbølgerobservatorier på jordoverfladen kan ikke hjælpe os med vores sort-hul-inden-dværg-galakse-til-undersøgelse-mørk-stof-problem. De sorte huller - kendt sommellemhuller i sorte huller - er for små til at skabe et detekterbart signal herover i Mælkevejen, når de smelter sammen.
Men et gravitationsbølgeobservatorium i rummet kunne. Den foreslåede LISA-mission (som står for, som du måske har gætt, Laserinterferometer Space Antenna) kan have den rigtige følsomhed til at se signalet om at fusionere mellemstore sorte huller, ligesom dem, der findes i hjertet af dværg galakser.
Og ifølge en ny artikel, der for nylig blev accepteret af Astrophysical Journal Letters ledet af Tomas Tomfal fra University of Zürich, kan forskellige modeller af mørk stof (og dets mulige interaktion med den normale lyselskende slags stof) påvirke, hvor ofte og hvor hurtigt de sorte huller i dværg galakser smelter sammen, hvilket er noget, som LISA muligvis kan plukke fra hinanden.
Det er en rundkørsel til forståelse af mørk stof, men i et problem så irriterende som dette er det lovende.
Læs mere: “Dannelse af LISA Black Hole Binaries i fusionering af dværggalakser: aftrykket af Dark Matter”
