Donas Linkolnas yra vyresnysis mokslininkas JAV Energetikos departamento „Fermilab“ - didžiausioje Amerikoje - „Large Hadron Collider“ tyrimų įstaigoje. Jis taip pat rašo apie mokslą visuomenei, įskaitant jo neseniai išleistą „Didįjį hadronų susidūrėją: nepaprastą Higso Bosono istoriją ir kitus dalykus, kurie užpūs jūsų mintis“ (Johns Hopkins University Press, 2014). Galite sekti juo „Facebook“. Linkolnas pateikė šį straipsnį „Live Science“ ekspertų balsams: „Op-Ed & Insights“.
Daugelis moksliškai nusiteikusių žmonių laiko savaime suprantamu dalyku, kad visata yra sudaryta ne tik iš Carlo Sagano dažnai cituojamų „milijardų ir milijardų“ galaktikų, bet ir iš daugybės nematomos medžiagos, vadinamos tamsiąja materija. Manoma, kad ši keista materija yra naujos rūšies subatominė dalelė, nesąveikaujanti per elektromagnetizmą, nei stiprios ir silpnos branduolinės jėgos. Taip pat manoma, kad tamsiosios materijos yra penkis kartus labiau paplitusios visatoje nei įprasta atomų materija.
Tačiau realybė yra tokia, kad tamsiosios medžiagos egzistavimas dar neįrodytas. Tamsi materija vis dar yra hipotezė, nors ir gana palaikoma. Bet kuri mokslinė teorija turi daryti prognozes, o jei ji teisinga, tada jūsų atlikti matavimai turėtų atitikti prognozes. Tas pats pasakytina apie tamsiąją medžiagą. Pavyzdžiui, tamsiosios medžiagos teorijos numato, kaip greitai sukasi galaktikos. Tačiau iki šiol matavimai, atlikti atliekant išsamų tamsiosios medžiagos pasiskirstymą mažos masės galaktikų centre, neatitiko tų prognozių.
Neseniai atlikti skaičiavimai tai pakeitė. Skaičiavimas padeda išsiaiškinti Tulio ir Fišerio santykio, kuris palygina matomą ar įprastą galaktikos materiją su jos sukimosi greičiu, problemą. Paprasčiau tariant, mokslininkai nustatė, kad kuo masyvesnė (taigi ir ryškesnė) spiralinė galaktika, tuo greičiau ji sukasi.
Bet jei tamsiosios materijos egzistuoja, tai, kokia „didelė“ galaktika yra, turėtų būti nulemta ne tik pagal matomą materiją, bet ir pagal tamsiąją materiją. Trūkstant didžiulės lygties dalies - tamsiosios medžiagos kiekio -, Tully-Fisher santykis neturėtų išlikti. Ir vis dėlto tai daro. Sunku buvo įsivaizduoti bet kokį būdą suderinti šį santykį su esama tamsiosios materijos teorija. Iki dabar.
Tamsiosios materijos kilmė
Pirmieji intarpai, kad gali prireikti kažkokių daiktų, pavyzdžiui, tamsiosios medžiagos, yra 1932 m. Olandijos astronomas Janas Oortas išmatavo žvaigždžių orbitalinį greitį Paukščių Take ir nustatė, kad jie judėjo per greitai, kad būtų paaiškinta stebima galaktikos mase.
Žvaigždės orbituoja savo motininę galaktiką beveik apskritimo keliais, o gravitacija yra jėga, sulaiko žvaigždes tose orbitose. Niutono lygtys numato, kad jėga, verčianti žvaigždes judėti apskritimu, F (apskritas), turėtų būti lygi jėgai, atsirandančiai dėl žvaigždės sunkio jėgos, F (gravitacijos), kitaip žvaigždė nuskristų į kosmosą arba patektų į galaktikos centras. Tiems, kurie prisimena vidurinės mokyklos fiziką, F (apskritas) yra inercijos teiginys ir yra tik Niutono F = ma. F (gravitacija) yra Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis.
Netoli galaktikų centro Rubinas ir Fordas nustatė, kad F (apskritas) buvo maždaug lygus F (sunkio jėgai), kaip ir tikėtasi. Tačiau toli nuo galaktikų centro abi lygties pusės nebuvo labai gerai suderintos. Nors detalės skyrėsi nuo galaktikos iki galaktikos, jų stebėjimai iš esmės buvo universalūs.
Tokį dramatišką neatitikimą reikia paaiškinti. Netoli galaktikų centro Rubino ir Fordo matavimai reiškė, kad teorija veikė, o neatitikimas didesniais orbitos atstumais reiškė, kad kažkas vyksta, ko esamos teorijos negalėjo paaiškinti. Jų įžvalgos atskleidė, kad arba mes nesuprantame, kaip veikia inercija (pvz., F (apskritas)), arba nesuprantame, kaip veikia gravitacija (pvz., F (gravitacija)). Trečia galimybė yra ta, kad lygybės ženklas yra neteisingas, reiškiantis, kad yra kokia nors kita jėga ar poveikis, kurio lygtis neįtraukia. Tai buvo vienintelės galimybės.
Neatitikimų paaiškinimas
Per 40 metų nuo pradinio Rubino ir Fordo darbo mokslininkai išbandė daugybę teorijų, siekdami paaiškinti jų atrastus galaktikos sukimosi neatitikimus. Fizikas Mordehai Milgromas pasiūlė inercijos modifikaciją, vadinamą „modifikuota Niutono dinamika“ arba MOND. Pradinėje formoje jis teigė, kad esant labai mažiems pagreičiams Niutono lygtis F = ma neveikia.
Kiti fizikai pasiūlė gravitacijos dėsnių modifikacijas. Einšteino bendrasis reliatyvumas čia nepadeda, nes šioje srityje Einšteino ir Niutono prognozės iš esmės yra tapačios. Kvantinės gravitacijos teorijos, kuriomis bandoma apibūdinti gravitaciją naudojant subatomines daleles, negali būti paaiškinimas dėl tos pačios priežasties. Tačiau yra gravitacinių teorijų, kurios daro galaktikos ar ekstragalaktinės skalės prognozes, kurios skiriasi nuo Niutono gravitacijos. Taigi, tai yra variantai.
Tada yra prognozės, kad egzistuoja naujos jėgos. Šios idėjos yra sujungtos pavadinimu „penktoji jėga“, reiškiančios jėgą, esančią už gravitacijos, elektromagnetizmo ir stiprią bei silpną branduolinę jėgą.
Galiausiai yra tamsiosios materijos teorija: Tai tokios rūšies materija, kuri visiškai nesąveikauja su šviesa, tačiau vis dar veikia gravitaciniu tempimu, persmelkia visatą.
Jei galaktikos sukimosi matavimai būtų vieninteliai mūsų turimi duomenys, gali būti sunku pasirinkti vieną iš šių skirtingų teorijų. Galų gale gali būti įmanoma pritaikyti kiekvieną teoriją, kad būtų galima išspręsti galaktikos sukimosi problemą. Tačiau dabar yra daugybė įvairių reiškinių stebėjimų, kurie gali padėti nustatyti patikimiausią teoriją.
Vienas iš jų yra galaktikų greitis dideliuose galaktikų klasteriuose. Galaktikos juda per greitai, kad klasteriai liktų susieti. Kitas stebėjimas yra labai tolimų galaktikų šviesos. Šių labai tolimų senovės galaktikų stebėjimai rodo, kad jų šviesa yra iškreipta, einant pro artimesnių galaktikų klasterių gravitacinius laukus. Taip pat yra tyrimų dėl kosminio mikrobangų fono, kuris yra visatos gimimo verksmas, mažų netolygumų. Visus šiuos matavimus (ir daugelį kitų) taip pat reikia nagrinėti pagal bet kokią naują teoriją, paaiškinančią galaktikos sukimosi greitį.
Neatsakyti tamsiosios materijos klausimai
Tamsiosios materijos teorija padarė pagrįstą darbą numatydama daugelį šių matavimų, todėl mokslo bendruomenėje ji yra gerai gerbiama. Tačiau tamsiosios materijos vis dar yra nepatvirtintas modelis. Visi jo egzistavimo įrodymai iki šiol yra netiesioginiai. Jei egzistuoja tamsiosios materijos, mes turėtume sugebėti tiesiogiai stebėti tamsiosios medžiagos sąveiką, kai ji praeina per Žemę, ir galbūt galime sudaryti tamsiąją medžiagą dideliuose dalelių greitintuvuose, pavyzdžiui, dideliame hadronų susidūrime. Ir vis dėlto nė vienas iš būdų nebuvo sėkmingas.
Be to, tamsiosios medžiagos turėtų sutapti su visais, ne tik daugeliu, astronominių stebėjimų. Nors tamsiosios materijos yra sėkmingiausias modelis iki šiol, jis nėra visiškai sėkmingas. Tamsiosios materijos modeliai prognozuoja daugiau nykštukinių palydovinių galaktikų, supančių dideles galaktikas, tokias kaip Pieno kelias, nei iš tikrųjų aptinkama. Nors randama daugiau nykštukinių galaktikų, jų, palyginti su tamsiosios medžiagos prognozėmis, vis dar yra per mažai.
Kitas didelis, atviras klausimas yra, kaip tamsiosios medžiagos veikia galaktikų ryškumo ir jų sukimosi greičio ryšį. Šis ryšys, pirmą kartą pristatytas 1977 m., Vadinamas Tulio-Fišerio santykiu ir daugybę kartų parodė, kad matoma galaktikos masė gerai koreliuoja su jos sukimosi greičiu.
Sunkūs iššūkiai tamsiajai medžiagai
Taigi, tuo baigiasi galutinis pasakojimas. Kas naujo?
Tulio ir Fišerio santykis yra sunkus iššūkis tamsiųjų medžiagų modeliams. Galaktikos sukimąsi lemia bendras joje esančių medžiagų kiekis. Jei tamsioji materija iš tikrųjų egzistuoja, tada bendras materijos kiekis yra įprastos ir tamsiosios materijos suma.
Tačiau esama tamsiosios materijos teorija prognozuoja, kad bet kurioje atsitiktinėje galaktikoje gali būti didesnių ar mažesnių tamsiosios medžiagos frakcijų. Taigi, matuojant matomą masę, jums gali trūkti didžiulio visos masės gabalo. Dėl to matoma masė turėtų būti labai blogas bendros galaktikos masės (taigi ir sukimosi greičio) numatytojas. Galaktikos masė gali būti panaši į matomos (paprastos) masę arba ji gali būti daug didesnė.
Taigi nėra jokios priežasties tikėtis, kad matoma masė turėtų būti geras galaktikos sukimosi greičio prognozuotojas. Vis dėlto taip yra.
Iš tikrųjų šiais metais išleistame dokumente tamsiosios materijos skeptikai įvairioms galaktikoms naudojo Tulio ir Fišerio santykio matavimus, kad ginčytųsi su tamsiosios medžiagos hipoteze ir modifikuota inercijos versija, pavyzdžiui, MOND.
Geriau tinka tamsioms medžiagoms
Tačiau birželį išleistame dokumente mokslininkai davė reikšmingą impulsą tamsiosios medžiagos modeliams. Naujasis kūrinys ne tik atkartoja ankstesnių tamsiosios medžiagos modelio spėjimų sėkmes, bet ir atkuria Tully-Fisher santykį.
Naujasis darbas yra „pusiau analitinis“ modelis, o tai reiškia, kad tai yra analitinių lygčių ir modeliavimo derinys. Jis imituoja tamsiosios medžiagos susikaupimą ankstyvojoje visatoje, kurioje galbūt buvo galaktikų susidarymas, bet taip pat apima paprastosios materijos sąveiką, įskaitant tokius dalykus kaip paprastosios medžiagos patekimas į kitą dangaus kūną dėl gravitacinio traukos, žvaigždžių susidarymo ir kaitinimo. į orą patenkančių dujų, žvelgiant į žvaigždes ir supernovas. Kruopščiai sureguliavę parametrus, tyrėjai sugebėjo geriau suderinti numatytą Tully ir Fisher santykį. Skaičiavimo pagrindas yra tas, kad į numatomą sukimosi greitį įeina reali barijonų ir tamsiųjų medžiagų santykio galaktikoje reikšmė.
Naujas skaičiavimas yra svarbus papildomas žingsnis patvirtinant tamsiosios medžiagos modelį. Tačiau tai nėra galutinis žodis. Bet kuri sėkminga teorija turėtų sutapti su visais matavimais. Nesusitarimas reiškia, kad teorija arba duomenys yra klaidingi arba bent jau neišsamūs. Lieka keletas neatitikimų tarp prognozavimo ir matavimo (pvz., Mažų palydovinių galaktikų skaičius aplink dideles), tačiau šis naujas dokumentas suteikia mums pasitikėjimo, kad ateityje atlikdami šiuos darbus pašalinsime šiuos likusius neatitikimus. Tamsioji materija išlieka galingai nuspėjama visatos struktūros teorija. Ji nėra išsami ir ją reikia patvirtinti atradus tikrąją tamsiosios medžiagos dalelę. Taigi dar reikia dar daug ką nuveikti. Bet šis paskutinis skaičiavimas yra svarbus žingsnis link dienos, kai mes visam laikui sužinosime, ar visatoje iš tikrųjų dominuoja tamsioji pusė.
