Don Lincoln er seniorforsker ved U.S. Department of Energy's Fermilab, USAs største forskningsinstitution for Large Hadron Collider. Han skriver også om videnskab for offentligheden, herunder hans nylige "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham på Facebook. Lincoln bidrog med denne artikel til Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Mange videnskabeligt kyndige mennesker tager det for givet, at universet ikke kun er lavet af Carl Sagans ofte citerede "milliarder og milliarder" galakser, men også en enorm mængde af et usynligt stof kaldet mørk stof. Denne mærkelige sag menes at være en ny type subatomisk partikel, der ikke interagerer via elektromagnetisme, heller ikke de stærke og svage atomkræfter. Mørk stof antages også at være fem gange mere udbredt i universet end det almindelige stof af atomer.
Realiteten er imidlertid, at mørke materies eksistens endnu ikke er bevist. Mørk stof er stadig en hypotese, omend en ret godt understøttet. Enhver videnskabelig teori skal foretage forudsigelser, og hvis det er rigtigt, bør de målinger, du foretager, stemme overens med forudsigelserne. Det samme gælder mørke stoffer. For eksempel forudsiger teorier om mørke stoffer, hvor hurtigt galakser roterer. Men indtil nu var målinger foretaget af den detaljerede fordeling af mørke stoffer i midten af galakser med lav masse ikke på linje med disse forudsigelser.
En nylig beregning har ændret det. Beregningen hjælper med at løse conundrummet i Tully-Fisher-forholdet, der sammenligner det synlige eller almindelige stof i en galakse med dens rotationshastighed. I meget forenklede termer har forskere fundet, at jo mere massiv (og derfor lysere) en spiralgalakse er, desto hurtigere snurrer den.
Men hvis der findes mørkt stof, hvor "stor" en galakse er, skal bestemmes ikke kun af dens synlige stof, men også af dens mørke stof. Med et enormt stykke ligning - mængden af mørkt stof - mangler, bør Tully-Fisher-forholdet ikke holde. Og alligevel gør det det. Det var svært at forestille sig nogen måde at forene dette forhold med den eksisterende teori om mørk materie. Indtil nu.
Mørk materie oprindelse
De første indlæg, der kunne være behov for noget som mørkt stof, går tilbage til 1932. Den hollandske astronom Jan Oort målte orbitalhastighederne for stjernerne i Mælkevejen og fandt, at de bevægede sig for hurtigt til at blive forklaret af den observerede masse af galaksen.
Stjerner kredser om deres modergalakse i næsten cirkulære stier, og tyngdekraften er den kraft, der holder stjernerne i disse kredsløb. Newtons ligninger forudsiger, at den kraft, der får stjernerne til at bevæge sig i en cirkulær bane, F (cirkulær), skal svare til kraften på grund af tyngdekraften på stjernen, F (tyngdekraften), ellers ville stjernen flyve ud i rummet eller falde ind i midten af galaksen. For dem, der husker fysik i gymnasiet, er F (cirkulær) en inertierklæring og er bare Newtons F = ma. F (tyngdekraft) er Newtons lov om universal tyngdekraft.
I nærheden af centrum af galakser fandt Rubin og Ford, at F (cirkulært) var omtrent lig med F (tyngdekraft) som forventet. Men langt fra midten af galakserne matchede de to sider af ligningen ikke særlig godt. Mens detaljer varierede galakse-til-galakse, var deres observationer i det væsentlige universelle.
En sådan dramatisk uoverensstemmelse kræver forklaring. I nærheden af centrum af galakser betød Rubin og Fords målinger, at teorien virkede, mens uoverensstemmelsen ved større orbitalafstande betød, at der foregik noget, som eksisterende teorier ikke kunne forklare. Deres indsigt afslørede, at enten ikke forstår vi, hvordan inerti fungerer (f.eks. F (cirkulær)), eller vi forstår ikke, hvordan tyngdekraft fungerer (f.eks. F (tyngdekraft)). En tredje mulighed er, at lige tegn er forkert, hvilket betyder, at der er en anden kraft eller effekt, som ligningen ikke inkluderer. Det var de eneste muligheder.
Forklaring af uoverensstemmelser
I de 40 år siden Rubin og Fords oprindelige arbejde har forskere testet mange teorier for at forsøge at forklare de galaktiske rotationsafvigelser, de fandt. Fysiker Mordehai Milgrom foreslog en ændring af inerti, kaldet "modificeret Newtonsk dynamik" eller MOND. I sin oprindelige form antydede det, at Newton's ligning F = ma ved meget lave accelerationer ikke virkede.
Andre fysikere har foreslået ændringer af tyngdekraften. Einsteins generelle relativitet hjælper ikke her, for Einsteins og Newtons forudsigelser er i det væsentlige i det væsentlige identiske. Og teorier om kvantetyngdekraft, der forsøger at beskrive tyngdekraften ved hjælp af subatomære partikler, kan ikke være forklaringen af samme grund. Der er dog gravitationsteorier, der forudsiger galaktiske eller ekstragalaktiske skalaer, der adskiller sig fra Newtonsk tyngdekraft. Så det er muligheder.
Så er der forudsigelser om, at der findes nye kræfter. Disse ideer er samlet sammen under navnet "den femte styrke", hvilket indebærer en styrke ud over tyngdekraften, elektromagnetisme og de stærke og svage atomkræfter.
Endelig er der teorien om mørk materie: At en type stof, der overhovedet ikke interagerer med lys, men alligevel udøver et tyngdekraft, gennemsyrer universet.
Var de galaktiske rotationsmålinger de eneste data, vi har, kan det være svært at vælge mellem disse forskellige teorier. Når alt kommer til alt kan det være muligt at finjustere hver teori for at løse det galaktiske rotationsproblem. Men der er nu mange observationer af mange forskellige fænomener, der kan hjælpe med at identificere den mest plausible teori.
Den ene er hastigheden på galakser inden for store klynger af galakser. Galakserne bevæger sig for hurtigt til, at klyngerne forbliver bundet sammen. En anden observation er af lys fra meget fjerne galakser. Observationer af disse meget fjerne gamle galakser viser, at deres lys forvrænges ved at passere gennem tyngdefelterne i mere nærliggende galakser. Der er også undersøgelser af små ikke-ensartetheder af den kosmiske mikrobølgebakgrund, der er universets fødselsskrig. Alle disse målinger (og mange flere) skal også adresseres af enhver ny teori for at forklare galaktiske rotationshastigheder.
Dark matter er ubesvarede spørgsmål
Teorien om mørk materie har gjort et rimeligt stykke arbejde med at forudsige mange af disse målinger, hvorfor det respekteres i det videnskabelige samfund. Men mørk stof er stadig en ubekræftet model. Alt bevis for, at det hidtil eksisterer, er indirekte. Hvis der findes mørkt stof, skal vi være i stand til direkte at observere interaktioner mellem mørkt stof, når det passerer gennem Jorden, og vi kan muligvis fremstille mørkt stof i store partikelacceleratorer, som Large Hadron Collider. Og alligevel har ingen af fremgangsmåderne haft succes.
Derudover bør mørkt stof stemme overens med alle, ikke kun mange, astronomiske observationer. Selvom mørk materie hidtil er den mest succesrige model, er den ikke helt succesrig. Moderne mørke stoffer forudsiger flere dværgssatellitgalakser, der omgiver store galakser som Mælkevejen, end der faktisk er fundet. Selvom der findes flere dværg galakser, er der stadig for få sammenlignet med mørke stofs forudsigelser.
Et andet stort, åbent spørgsmål er, hvordan mørkt stof påvirker forholdet mellem galaksernes lysstyrke og deres rotationshastighed. Dette forhold, der først blev præsenteret i 1977, kaldes Tully-Fisher-forholdet, og det har vist adskillige gange, at en galakas synlige masse korrelerer godt med dens rotationshastighed.
Kæmpe udfordringer til mørk stof
Så det afslutter baghistorien. Hvad er nyt?
Tully-Fisher-forholdet er en hård udfordring for modeller af mørkt stof. Rotationen af en galakse styres af den samlede mængde stof, den indeholder. Hvis mørkt stof virkelig eksisterer, er den samlede mængde materie summen af både almindelig og mørk stof.
Men den eksisterende teori om mørkt stof forudsiger, at enhver tilfældig galakse kan indeholde større eller mindre brøkdele af mørkt stof. Så når man måler den synlige masse, kan man muligvis mangle en enorm del af den samlede masse. Som et resultat bør synlig masse være en meget dårlig forudsigelse af den samlede masse (og derved rotationshastighed) af galaksen. Galaksens masse kan være den samme som den synlige (almindelige) masse, eller den kan være meget større.
Der er således ingen grund til at forvente, at den synlige masse skal være en god forudsigelse af galaksens rotationshastighed. Alligevel er det sådan.
I et papir, der blev udgivet i år, anvendte faktisk mørke stofskeptikere målinger af Tully-Fisher-forholdet til en række galakser for at argumentere imod den mørke materiehypotese og til en modificeret version af inerti, såsom MOND.
Bedre pasform til mørk stof
I et papir, der blev frigivet i juni, har forskere dog givet mørke stofmodeller et betydeligt løft. Ikke kun gengiver det nye værk succeser fra tidligere forudsigelser af modellen med mørke stoffer, det gengiver også Tully-Fisher-forholdet.
Det nye papir er en "semi-analytisk" model, hvilket betyder, at det er en kombination af analytiske ligninger og simulering. Det simulerer sammenklumpningen af mørkt stof i det tidlige univers, der kan have frøet galaksdannelse, men inkluderer også samspillet mellem almindeligt stof, herunder sådanne ting som infall af almindeligt stof i en anden himmellegeme på grund af dens tyngdekrafttræk, stjernedannelse og opvarmningen af infalling gas af stjernelys og supernovas. Ved nøje at indstille parametrene var forskerne bedre i stand til at matche det forudsagte Tully-Fisher-forhold. Beregningens nøgle er, at den forudsagte rotationshastighed inkluderer en realistisk værdi for forholdet mellem baryoner og mørkt stof i galaksen.
Den nye beregning er et vigtigt yderligere trin i validering af den mørke stofmodel. Det er dog ikke det sidste ord. Enhver succesrig teori skal være enig i alle målinger. Manglende aftale betyder, at enten teorien eller dataene er forkerte eller i det mindste ufuldstændige. Der er stadig nogle få uoverensstemmelser mellem forudsigelse og måling (f.eks. Antallet af små satellitgalakser omkring store), men dette nye papir giver os tillid til, at fremtidig arbejde vil løse disse resterende uoverensstemmelser. Mørket stof forbliver en stærkt forudsigelig teori for universets struktur. Det er ikke komplet, og det skal godkendes ved at finde den egentlige mørke stofpartikel. Så der er stadig et arbejde, der skal gøres. Men denne seneste beregning er et vigtigt skridt hen imod dagen, hvor vi vil vide en gang for alle, om universet virkelig domineres af den mørke side.
