Don Lincoln je vedecký pracovník na americkom ministerstve energetiky Fermilab, najväčšej americkej výskumnej inštitúcii Large Hadron Collider. Píše tiež o vede pre verejnosť vrátane svojho nedávneho dokumentu „Veľký Hadron Collider: Mimoriadny príbeh Higgsovho bosona a ďalších vecí, ktoré vám vyfúknu myseľ“ (Johns Hopkins University Press, 2014). Môžete ho sledovať na Facebooku. Lincoln prispel týmto článkom do Hlasov expertov spoločnosti Live Science: Op-Ed & Insights.
Mnoho vedecky zdatných ľudí považuje za samozrejmé, že vesmír je vyrobený nielen z často uvádzaných „miliárd a miliárd“ galaxií Carla Sagana, ale aj z obrovského množstva neviditeľnej látky zvanej temná hmota. Táto podivná hmota sa považuje za nový druh subatomickej častice, ktorá neinteraguje prostredníctvom elektromagnetizmu, ani silné a slabé jadrové sily. Temná hmota má byť vo vesmíre päťkrát väčšia ako obyčajná hmota atómov.
Realita je však taká, že existencia temnej hmoty ešte nebola dokázaná. Temná hmota je stále hypotézou, hoci dosť podporovanou. Akákoľvek vedecká teória musí urobiť predpovede, a ak je to správne, potom by sa merania, ktoré robíte, mali zhodovať s predpovedami. To isté platí pre temnú hmotu. Napríklad teórie temných hmôt predpovedajú, ako rýchlo sa otáčajú galaxie. Doteraz sa však merania podrobného rozloženia temnej hmoty v centre galaxií s nízkou hmotnosťou nezhodovali s týmito predpoveďami.
Nedávny výpočet to zmenil. Výpočet pomáha vyriešiť hádanku vzťahu Tully-Fisher, ktorý porovnáva viditeľnú alebo bežnú hmotu galaxie s jej rotačnou rýchlosťou. Vedci veľmi zjednodušene zistili, že čím masívnejšia (a teda jasnejšia) je špirálová galaxia, tým rýchlejšie sa točí.
Ak však existuje temná hmota, ako veľká je galaxia, by mala byť určená nielen jej viditeľnou hmotou, ale aj jej temnou hmotou. S obrovským kúskom rovnice - množstvom temnej hmoty - chýba, vzťah Tully-Fisher by sa nemal držať. A napriek tomu áno. Bolo ťažké predstaviť si akýkoľvek spôsob, ako zladiť tento vzťah s existujúcou teóriou temnej hmoty. Do teraz.
Pôvod temnej hmoty
Prvé inklings, ktoré by mohli potrebovať niečo ako temná hmota, sa datujú do roku 1932. Holandský astronóm Jan Oort meral orbitálne rýchlosti hviezd v Mliečnej dráhe a zistil, že sa pohybujú príliš rýchlo, aby ich bolo možné vysvetliť pozorovanou hmotnosťou galaxie.
Hviezdy obiehajú svoju materskú galaxiu takmer v kruhových dráhach a gravitácia je sila, ktorá drží hviezdy na týchto obežných dráhach. Newtonove rovnice predpovedajú, že sila, ktorá spôsobuje, že hviezdy sa pohybujú v kruhovej dráhe, F (kruhová), by sa mala rovnať sile v dôsledku gravitácie na hviezde, F (gravitácia), inak by hviezda odletela do vesmíru alebo by padla do v strede galaxie. Pre tých, ktorí si pamätajú fyziku na strednej škole, F (obežník) je vyjadrením zotrvačnosti a je to Newtonov F = ma. F (gravitácia) je Newtonov zákon univerzálnej gravitácie.
Blízko stredu galaxií Rubin a Ford zistili, že F (kruhový) sa podľa očakávania zhruba rovnal F (gravitácia). Ale ďaleko od stredu galaxií sa obe strany rovnice veľmi nezhodovali. Zatiaľ čo podrobnosti sa líšili od galaxie k galaxii, ich pozorovania boli v podstate univerzálne.
Takáto dramatická nezrovnalosť si vyžaduje vysvetlenie. Meranie Rubina a Forda bolo blízko stredu galaxií, čo znamenalo, že teória funguje, zatiaľ čo rozdiel vo väčších obežných vzdialenostiach znamenal niečo, čo sa nedalo vysvetliť existujúcimi teóriami. Ich poznatky odhalili, že buď nechápeme, ako funguje zotrvačnosť (napr. F (kruhový)), alebo nerozumieme, ako funguje gravitácia (napr. F (gravitácia)). Treťou možnosťou je, že znamienko rovnosti je nesprávne, čo znamená, že existuje nejaká iná sila alebo efekt, ktorý rovnica neobsahuje. To boli jediné možnosti.
Vysvetlite nezrovnalosti
V priebehu 40 rokov od pôvodnej práce Rubina a Forda vedci vyskúšali mnoho teórií, aby sa pokúsili vysvetliť nezrovnalosti galaktickej rotácie, ktoré našli. Fyzik Mordehai Milgrom navrhol modifikáciu zotrvačnosti nazývanú „modifikovaná newtonovská dynamika“ alebo MOND. Vo svojej počiatočnej podobe predpokladal, že pri veľmi nízkych zrýchleniach Newtonova rovnica F = ma nefunguje.
Iní fyzici navrhli zmeny zákonov gravitácie. Einsteinova všeobecná relativita tu nepomáha, pretože v tejto oblasti sú Einsteinove a Newtonove predpovede v podstate rovnaké. A teórie kvantovej gravitácie, ktoré sa snažia opísať gravitáciu pomocou subatomárnych častíc, nemôžu byť z rovnakého dôvodu vysvetlením. Existujú však gravitačné teórie, ktoré robia predpovede na galaktických alebo extragalaktických mierkach, ktoré sa líšia od newtonovskej gravitácie. To sú možnosti.
Potom existujú predpovede, že existujú nové sily. Tieto myšlienky sú zhlukované pod názvom „piata sila“, čo znamená silu bez gravitácie, elektromagnetizmu a silné a slabé jadrové sily.
Nakoniec je tu teória temnej hmoty: Ten vesmír, ktorý vôbec nereaguje so svetlom, ale napriek tomu vyvoláva gravitačný ťah, preniká do vesmíru.
Keby boli merania galaktickej rotácie jediné údaje, ktoré máme, mohlo by byť ťažké vybrať si medzi týmito rôznymi teóriami. Nakoniec by bolo možné vyladiť každú teóriu, aby sa vyriešil problém galaktickej rotácie. Teraz však existuje mnoho pozorovaní mnohých rôznych javov, ktoré môžu pomôcť identifikovať najpravdepodobnejšiu teóriu.
Jednou je rýchlosť galaxií vo veľkých zhlukoch galaxií. Galaxie sa pohybujú príliš rýchlo na to, aby zhluky zostali zviazané. Ďalším pozorovaním je svetlo z veľmi vzdialených galaxií. Pozorovania týchto veľmi vzdialených starovekých galaxií ukazujú, že ich svetlo je skreslené prechodom cez gravitačné polia viacerých blízkych zhlukov galaxií. Existujú tiež štúdie malých nejednotností kozmického mikrovlnného pozadia, ktoré sú počiatkom vesmíru. Všetky tieto merania (a mnohé ďalšie) musia byť predmetom každej novej teórie na vysvetlenie rýchlosti galaktickej rotácie.
Neodpovedané otázky temnej hmoty
Teória temnej hmoty odviedla rozumnú prácu pri predpovedaní mnohých z týchto meraní, a preto je vo vedeckej komunite dobre rešpektovaná. Temná hmota je však stále nepotvrdeným modelom. Všetky dôkazy o jeho existencii sú zatiaľ nepriame. Ak existuje temná hmota, mali by sme byť schopní priamo pozorovať interakcie temnej hmoty, keď prechádza Zemou, a mohli by sme byť schopní vytvoriť temnú hmotu vo veľkých urýchľovačoch častíc, ako je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač. A predsa žiadny prístup nebol úspešný.
Temná hmota by okrem toho mala súhlasiť so všetkými, nielen s mnohými, astronomickými pozorovaniami. Zatiaľ čo temná hmota je doteraz najúspešnejším modelom, nie je úplne úspešná. Modely temnej hmoty predpovedajú viac trpasličích satelitných galaxií obklopujúcich veľké galaxie, ako je Mliečna dráha, ako sa skutočne detegujú. Aj keď sa nachádza viac trpasličích galaxií, v porovnaní s predpoveďami temnej hmoty je ich stále príliš málo.
Ďalšou veľkou otvorenou otázkou je, ako temná hmota ovplyvňuje vzťah medzi jasom galaxií a ich rýchlosťou rotácie. Tento vzťah, ktorý sa prvýkrát predstavil v roku 1977, sa nazýva vzťah Tully-Fisher a mnohokrát ukázal, že viditeľná hmotnosť galaxie dobre koreluje s jej rýchlosťou rotácie.
Tvrdé výzvy pre temnú hmotu
Tým sa končí príbeh. Čo je nové?
Vzťah Tully-Fisher je pre modely tmavej hmoty ťažkou výzvou. Rotácia galaxie sa riadi celkovým množstvom hmoty, ktorú obsahuje. Ak temná hmota skutočne existuje, potom celkové množstvo hmoty je súčtom obyčajnej aj tmavej hmoty.
Existujúca teória temnej hmoty však predpovedá, že akákoľvek náhodná galaxia môže obsahovať väčšie alebo menšie frakcie temnej hmoty. Keď teda človek zmeria viditeľnú hmotu, pravdepodobne by vám mohol chýbať obrovský kus celkovej hmotnosti. Výsledkom je, že viditeľná hmota by mala byť veľmi zlým prediktorom celkovej hmotnosti (a tým aj rýchlosti otáčania) galaxie. Hmotnosť galaxie by mohla byť podobná hmotnosti viditeľnej (bežnej) hmoty alebo by mohla byť oveľa väčšia.
Nie je teda dôvod očakávať, že viditeľná hmota by mala byť dobrým prediktorom rýchlosti otáčania galaxie. Napriek tomu je.
V skutočnosti, v novinách vydaných tento rok, skeptici temnej hmoty použili merania vzťahu Tully-Fisher pre rôzne galaxie, aby argumentovali proti hypotéze temnej hmoty a pre modifikovanú verziu zotrvačnosti, ako napríklad MOND.
Lepšie padne na tmavú hmotu
Vedci však v novinách vydanom v júni výrazne posilnili modely temnej hmoty. Nové dielo nielen reprodukuje úspechy predchádzajúcich predpovedí modelu temnej hmoty, ale reprodukuje aj vzťah Tully-Fisher.
Nový príspevok je „semi-analytický“ model, čo znamená, že ide o kombináciu analytických rovníc a simulácie. Simuluje zhlukovanie temnej hmoty v počiatočnom vesmíre, ktorý mohol naočkovať vznik galaxií, ale zahŕňa tiež interakciu obyčajnej hmoty vrátane takých vecí, ako je vniknutie obyčajnej hmoty do iného nebeského tela v dôsledku gravitačného ťahu, formovania hviezd a zahrievania. nafúknutia plynu hviezdnym svetlom a supernovy. Starostlivým vyladením parametrov vedci dokázali lepšie prispôsobiť predpokladaný vzťah Tully-Fisher. Kľúčom výpočtu je to, že predpokladaná rýchlosť rotácie obsahuje realistickú hodnotu pre pomer baryónov k temnej hmote v galaxii.
Nový výpočet je dôležitým ďalším krokom pri overovaní modelu tmavej hmoty. Nie je to však posledné slovo. Akákoľvek úspešná teória by mala súhlasiť so všetkými meraniami. Nesúhlasenie znamená, že buď teória alebo údaje sú nesprávne alebo aspoň neúplné. Stále existuje niekoľko rozdielov medzi predikciou a meraním (napríklad počet malých satelitných galaxií okolo veľkých), ale tento nový dokument nám dáva istotu, že budúca práca vyrieši tieto zostávajúce nezrovnalosti. Temná hmota zostáva silne prediktívnou teóriou štruktúry vesmíru. Nie je úplný a vyžaduje si overenie objavením skutočnej častice tmavej hmoty. Stále teda treba urobiť veľa práce. Tento posledný výpočet je však dôležitým krokom ku dňu, keď budeme vedieť raz a navždy, či vesmír skutočne dominuje temná strana.
