Дон Лінкольн - старший науковий співробітник американського департаменту енергетики у Фермілабі, найбільшому американському дослідницькому інституті великих адронних колайдерів. Він також пише про науку для громадськості, включаючи свою недавню «Великий адронний колайдер: надзвичайна історія Босса Хіггса та інші речі, які підірвуть ваш розум» (Johns Hopkins University Press, 2014). Ви можете слідкувати за ним у Facebook. Лінкольн долучив цю статтю до голосів експертів Live Science: Op-Ed & Insights.
Багато людей, що знають науку, сприймають це як належне, що Всесвіт складається не лише з часто цитованих Карл Саганом "мільярдів і мільярдів" галактик, а й величезної кількості невидимої речовини, що називається темною речовиною. Ця дивна матерія вважається новим видом субатомних частинок, які не взаємодіють за допомогою електромагнетизму, а також сильних і слабких ядерних сил. Темна матерія також повинна бути в п’ять разів більш поширеною у Всесвіті, ніж звичайна речовина атомів.
Однак реальність така, що існування темної матерії ще не доведено. Темна матерія все ще є гіпотезою, хоча і досить добре підтримуваною. Будь-яка наукова теорія повинна робити передбачення, і якщо це правильно, то вимірювання, які ви робите, повинні відповідати прогнозам. Те саме стосується і темної матерії. Наприклад, теорії темної матерії передбачають прогноз швидкості обертання галактик. Але до цих пір вимірювання, проведені детальним розподілом темної речовини в центрі галактик низької маси, не відповідали цим прогнозам.
Нещодавній розрахунок змінив це. Розрахунок допомагає вирішити головоломку відношення Туллі-Фішера, яка порівнює видиму або звичайну речовину галактики з її швидкістю обертання. Вкрай спрощено, вчені встановили, що чим масивніша (а отже яскравіша) спіральна галактика, тим швидше вона крутиться.
Але якщо існує темна матерія, то наскільки "велика" галактика повинна визначатися не лише її видимою речовиною, а й її темною речовиною. Оскільки величезна частина рівняння - кількість темної речовини - відсутня, співвідношення Туллі-Фішера не повинно відбуватися. І все-таки це робить. Важко було уявити будь-який спосіб узгодити цей зв’язок із існуючою теорією темної матерії. До цих пір.
Походження темної матерії
Перші заголовки, що може виникнути потреба у чомусь подібному до темної матерії, відносяться до 1932 року. Голландський астроном Ян Оорт виміряв орбітальні швидкості зірок у Чумацькому Шляху і виявив, що вони рухаються занадто швидко, щоб пояснити спостережувану масу галактики.
Зірки орбітують свою материнську галактику майже круглими шляхами, а сила тяжіння - це сила, яка утримує зірки на цих орбітах. Рівняння Ньютона передбачають, що сила, яка змушує зірки рухатися по круговому шляху, F (кругова), повинна дорівнювати силі за рахунок сили тяжіння на зірку, F (гравітація), інакше зірка вилетить у космос або впаде в центр галактики. Для тих, хто пам’ятає фізику середньої школи, F (кругова) - це твердження інерції і є лише F = ma Ньютона. F (гравітація) - закон Ньютона про всесвітнє тяжіння.
Поблизу центру галактик Рубін і Форд виявили, що F (кругова) приблизно дорівнює F (сила тяжіння), як і передбачалося. Але далеко від центру галактик дві сторони рівняння не дуже добре співпадали. Хоча деталі змінювались від галактики до галактики, їх спостереження були по суті універсальними.
Таке драматичне розбіжність потребує пояснення. Поблизу центру галактик вимірювання Рубіна та Форда означали, що теорія працює, тоді як розбіжність на великих орбітальних відстанях означала, що щось відбувається, що існуючі теорії не могли пояснити. Їх розуміння виявило, що або ми не розуміємо, як працює інерція (наприклад, F (кругова)), або ми не розуміємо, як працює гравітація (наприклад, F (гравітація)). Третя можливість полягає в тому, що знак рівності є неправильним, це означає, що існує якась інша сила чи ефект, які рівняння не включає. Це були єдині можливості.
Пояснення розбіжностей
За 40 років з часу оригінальної роботи Рубіна та Форда вчені випробували багато теорій, щоб спробувати пояснити виявлені невідповідності обертання галактики. Фізик Мордехай Мілгром запропонував модифікувати інерцію, названу "модифікована ньютонівська динаміка", або MOND. У своїй початковій формі він постулював, що при дуже малих прискореннях рівняння Ньютона F = ma не працює.
Інші фізики запропонували зміни законів сили тяжіння. Загальна відносність Ейнштейна тут не допомагає, оскільки в цій царині прогнози Ейнштейна та Ньютона по суті однакові. І теорії квантової гравітації, які намагаються описати гравітацію за допомогою субатомних частинок, не можуть бути поясненням з тієї ж причини. Однак існують теорії гравітації, які роблять прогнози на галактичних або екстрагалактичних масштабах, які відрізняються від ньютонівської сили тяжіння. Отже, це варіанти.
Тоді є передбачення, що існують нові сили. Ці ідеї поєднуються разом під назвою "п'ята сила", маючи на увазі силу поза гравітацією, електромагнетизм та сильні та слабкі ядерні сили.
Нарешті, існує теорія темної матерії: Той тип матерії, який взагалі не взаємодіє зі світлом, проте має гравітаційний потяг, пронизує всесвіт.
Якщо вимірювання обертання галактики були єдиними даними, можливо, важко вибрати між цими різними теоріями. Зрештою, для вирішення проблеми галактичного обертання може бути підроблена кожна теорія. Але зараз існує безліч спостережень за багатьма різними явищами, які можуть допомогти визначити найбільш правдоподібну теорію.
Один - швидкість галактик в межах великих скупчень галактик. Галактики рухаються занадто швидко, щоб скупчення залишалися зв'язаними разом. Ще одне спостереження - світло від дуже далеких галактик. Спостереження цих дуже далеких давніх галактик показують, що їх світло спотворюється при проходженні через гравітаційні поля більш сусідніх скупчень галактик. Існують також дослідження невеликих нерівномірностей космічного мікрохвильового фону, що є криком народження Всесвіту. Всі ці вимірювання (та багато іншого) також повинні вирішуватися будь-якою новою теорією для пояснення швидкостей обертання галактики.
Питання темної матерії без відповідей
Теорія темної матерії зробила розумну роботу, передбачивши багато цих вимірювань, саме тому її добре поважають у науковій спільноті. Але темна матерія все ще є непідтвердженою моделлю. Усі докази його існування до цього часу є непрямими. Якщо існує темна речовина, ми повинні мати можливість безпосередньо спостерігати взаємодію темної матерії під час її проходження через Землю, і ми могли б зробити темну речовину великими прискорювачами частинок, як Великий адронний колайдер. І все ж жоден підхід не був успішним.
Крім того, темна матерія повинна погоджуватися з усіма, а не лише багатьма, астрономічними спостереженнями. Хоча темна матерія є найбільш успішною моделлю поки що, вона не є повністю успішною. Моделі темної матерії передбачають більше карликових супутникових галактик, що оточують великі галактики, як Чумацький Шлях, ніж насправді виявлено. Хоча все більше галактик-карликів знайдено, проте порівняно з прогнозами темної матерії, все ще занадто мало.
Ще одне велике, відкрите питання - як темна речовина впливає на зв’язок між яскравістю галактик та їх швидкістю обертання. Це співвідношення, яке було вперше представлено у 1977 році, називається відношенням Туллі-Фішера, і воно не раз показало, що видима маса галактики добре корелює зі швидкістю обертання.
Жорсткі виклики для темної матерії
Отже, цим закінчується зворотна історія. Що нового?
Співвідношення Туллі-Фішера є важким викликом для моделей темної матерії. Обертанням галактики регулюється загальна кількість речовини, яку вона містить. Якщо темна речовина справді існує, то загальна кількість речовини - це сума як звичайної, так і темної матерії.
Але існуюча теорія темної матерії передбачає, що будь-яка випадкова галактика може містити більші або менші фракції темної речовини. Отже, коли вимірювати видиму масу, потенційно ви не зможете пропустити величезний шматок загальної маси. Як результат, видима маса повинна бути дуже поганим прогнозувачем загальної маси (і, отже, швидкості обертання) галактики. Маса галактики могла бути схожа на масу видимої (звичайної) маси або бути значно більшою.
Таким чином, немає підстав очікувати, що видима маса повинна бути хорошим прогнозувачем швидкості обертання галактики. І все-таки є.
Насправді, у публікації, опублікованій цього року, темні речовини скептики використовували вимірювання співвідношення Туллі-Фішера для різних галактик, щоб аргументувати гіпотезу темної матерії та модифіковану версію інерції, наприклад MOND.
Краще підходить для темної матерії
Однак у статті, опублікованій у червні, вчені дали моделям темної матерії суттєвий стимул. Нова робота не тільки відтворює успіхи попередніх прогнозів моделі темної матерії, вона також відтворює співвідношення Туллі-Фішера.
Новий документ є «напіваналітичною» моделлю, що означає, що це поєднання аналітичних рівнянь та моделювання. Він імітує скупчення темної матерії в ранньому Всесвіті, яка, можливо, насіла утворення галактик, але також включає взаємодію звичайної матерії, включаючи такі речі, як приплив звичайної речовини в інше небесне тіло завдяки його гравітаційному потягу, утворенню зірок і нагріванню падіння газу від зоряного світла та наднових. Ретельно налаштувавши параметри, дослідники змогли краще порівняти передбачувані відносини Туллі-Фішера. Ключовим моментом розрахунку є те, що передбачувана швидкість обертання включає в себе реалістичне значення відношення баріонів до темної речовини в галактиці.
Новий розрахунок є важливим додатковим кроком у валідації моделі темної матерії. Однак це не остаточне слово. Будь-яка успішна теорія повинна погоджуватися з усіма вимірюваннями. Якщо не домовитись, це означає, що або теорія, або дані неправильні, або принаймні неповні. Декілька розбіжностей між прогнозуванням і вимірюванням все ще залишаються (наприклад, кількість малих супутникових галактик навколо великих), але цей новий документ дає нам впевненість, що майбутня робота вирішить ці залишилися розбіжності. Темна матерія залишається потужною прогностичною теорією для структури Всесвіту. Він не є повним і потребує перевірки шляхом виявлення фактичної частинки темної речовини. Отже, ще є робота. Але цей останній розрахунок є важливим кроком до дня, коли ми раз і назавжди дізнаємось, чи у Всесвіті переважає темна сторона.
