Jeg vil være den første til at indrømme, at vi ikke forstår mørk stof. Når vi for eksempel ser på en galakse og tæller alle de varme glødende stykker som stjerner og gas og støv, får vi en bestemt masse. Når vi overhovedet bruger nogen anden teknik til at måle massen, får vi et meget højere antal. Så den naturlige konklusion er, at ikke alt stof i universet er varmt og glødende. Måske nogle, hvis det er, du ved, mørkt.
Men hold på. Først skal vi tjekke vores matematik. Er vi sikre på, at vi ikke bare får noget fysik forkert?
Dark Matter Details
Et større stykke af den mørke materie-puslespil (dog bestemt ikke den eneste, og dette vil være vigtig senere i artiklen) kommer i form af såkaldte galakse-rotationskurver. Når vi ser stjerner dreje rundt i rotation rundt i midten af deres galakser, bør de, der er længere væk fra midten, bevæge sig langsommere af dem end de tættere på midten. Dette skyldes, at det meste af den galaktiske masse er overfyldt ind i kernen, og de yderste stjerner er langt væk fra alt det, og ved simpel Newtonsk tyngdekraft skal de følge langsomme dovne baner.
Men det gør de ikke.
I stedet kredser de yderste stjerner lige så hurtigt som deres kusiner til deres by.
Da dette er et tyngdekraft, er der kun to muligheder. Enten får vi tyngdekraften forkert, eller så er der ekstra usynlige ting, der blødgør hver galakse. Og så vidt vi kan fortælle, får vi tyngdekraften meget, meget ret (det er en anden artikel), så boom: mørk stof. Noget holder disse freewheeling-stjerner fanget inde i deres galakser, ellers ville de have kastet sig ud som en ukontrolleret glædelig runde for millioner af år siden; ergo, der er en hel masse ting, som vi ikke direkte kan se, men som vi indirekte kan opdage.
Bliv tung
Men hvad nu hvis dette ikke kun er et tyngdekraft? Der er trods alt fire grundlæggende naturkræfter: stærk atomkraft, svagt atomkraft, tyngdekraft og elektromagnetisme. Får nogen af dem til at spille i dette greatgalactic spil?
Stærke nukleare arbejder kun i teensy små subatomære skalaer, så det er lige ud. Og ingen er interesseret i svage nukleare undtagen i visse sjældne forfald og interaktioner, så vi kan også sætte det på siden. Og elektromagnetisme… ja, selvfølgelig spiller stråling og magnetiske felter en rolle i det galaktiske liv, men stråling skubber altid udad (så åbenbart vil ikke hjælpe med at holde hurtige bevægelser i hjerne) og galaktiske magnetfelter er utroligt svage (ikke stærkere end en million. jordens eget magnetfelt). Så ... ikke gå, ikke?
Ligesom næsten alt i fysik, er der en lusket afvejning. Så vidt vi kan sige, er fotonen - bæreren af selve den elektromagnetiske styrke - fuldstændig masseløs. Men observationer er observationer og intet i videnskaben er kendt med sikkerhed, og aktuelle skøn placerer massen af fotonen på højst 2 x 10-24 elektronens masse. Alt i alt er dette stort set nul for næsten alt det, som nogen interesserer sig for. Men hvis fotonen gørhar masse, selv under denne grænse, kan det gøre nogle ret sjove ting for theuniverse.
Med tilstedeværelsen af masse i fotonen, antages Maxwells ligninger, den måde, vi forstår elektricitet, magnetisme og stråling på, en ændret form. Ekstra termer vises i matematikken, og nye interaktioner tager form.
Kan du føle det?
De nye interaktioner er passende komplicerede og afhænger af det specifikke scenarie. I tilfælde af galakser starter deres svage magnetfelter for at føle sig noget specielt. På grund af de sammenfiltrede og snoede opnatur af magnetfelterne ændrer tilstedeværelsen af massive fotonerMaxwells ligninger i lige den rette vej til at tilføje en ny attraktiv kraft, der i nogle tilfælde alene kan være stærkere spænding.
Med andre ord kan den nye elektromagnetiske kraft muligvis holde hurtige bevægende stjerner tilsejlet ind og fjerne alt behovet for mørkt stof.
Men det er ikke let. De magnetiske felter trækker gennem galaksens interstellare gas, ikke selve stjernene. Så denne kraft kan ikke trække direkte på stjerner. I stedet skal styrken gøre sit træk kendt for gassen, og på en eller anden måde skal gassen lade stjernerne vide, at der er en ny sheriffinby.
I tilfælde af massive, kortvarige stjerner er dette temmelig ligetil. Selve gassen pisker rundt i den galaktiske kerne i tophastighed, danner en stjerne, stjernen lever, stjernen dør, og resterne vender tilbage til at være gas hurtigt nok til, at alle stjerner efter alt at dømme efterligner gasens bevægelse, hvilket giver os de rotationskurver, vi har brug for.
Big Trouble in Little Stars
Men små, langlevede stjerner er et andet udyr. De kobles fra den gas, der dannede dem, og lever deres eget liv og kredser rundt om det galaktiske centrum mange gange, før de udløber. Og da de ikke føler den mærkelige nye elektromagnetiske kraft, skulle de bare køre væk fra deres galakser helt, fordi intet holder dem i kontrol.
Hvis dette scenarie var præcist og massiv foton kunne erstatte mørkt stof, skulle vores egen sol ikke være, hvor den er i dag.
Hvad mere er, vi har meget god grund til at tro, at fotoner virkelig er masseløse. Javisst, Maxwells ligninger er måske ikke meget ligegyldige, men speciel relativitet og kvantefeltteori gør det bestemt. Du begynder at rod med fotonmassen, og du har en masse forklaring på, mister.
Plus, bare fordi alle elsker galakse-rotationskurver betyder ikke, at de er vores eneste rute til mørk stof. Observationer af galakse klynger, gravitationslinsering, væksten af struktur i universet og endda den kosmiske mikrobølgebakgrund peger alle i retning af en slags usynlig komponent til vores univers.
Selv hvis fotonen havde masse, og på en eller anden måde var i stand til at forklare bevægelserne fra alle stjerner i en galakse, ikke kun de massive, de ville ikke være i stand til at forklare en række andre observationer (for eksempel, hvordan kunne en ny elektromagnetisk kraft forklare gravitationsbøjningen af lys omkring en galakse-klynge? Det er ikke et retorisk spørgsmål - det kan ikke). Med andre ord, selv i et kosmos fyldt med massive fotoner, har vi stadig brug for mørkt stof.
Du kan læse tidsskriftartiklen her.
