Eksotiske teorier om mørk materie. Hvis du er tilhenger av alle de vakreste tingene i universet, er denne artikkelen noe for deg.
Det meste av innholdet i vårt univers er av en form som er helt ukjent for fysikken. Det er bare et rå faktum som vi alle må venne oss til. Hvis du blir fristet til å tenke at det bare er en slagskosmologiske problem, et problem som bare oppstår på de aller største skalaene, vel, da har jeg dårlige nyheter for deg. En av disse mystiske komponentene til kosmos er - så langt vi kan si - en form for materie.
Men ikke bare noen form for materie, ellers ville vi sett det nå. Nei, vi tror det er en slagsmørk saken; materie som ganske enkelt ikke samhandler med lys. Ingen utslipp. Ingen absorpsjon. Ingen spredning. Ingenting. Og det at mørk materie eksisterer, burde ikke være detat overraskende, skal det? Tross alt, som dikterte at alt i universetmå samhandle med lys?
Det gjorde ingen, og her er vi. Hvis du ser på en tilfeldig galakse, representerer de tingene som lyser opp - stjerner, tåker osv. - bare en liten brøkdel av den totale mengden masse i den galaksen. Det nøyaktige forholdet mellom "normal" materie og de mørke tingene avhenger av mange faktorer, som galaksens dannelseshistorie. Men generelt, jo mindre galaksen, jo mer er den dominert av mørk materie.
De minste galaksene, kjent som dverggalakser, kunne gi et praktisk laboratorium for å studere mørk materie. I disse galaksene er mørk materie fritt til å gjøre det som mørk materie gjør uten at noe av det irriterende lyssamspillende stoffet virkelig kan komplisere ting. Hvis mørk materie gjør noe rart (vel, merkeligere enn bare eksisterende), som å samhandle med seg selv via den svake atomkraften, eller være sammensatt av flere slags eksotiske partikler, vil eventuelle effekter gjøre seg mer uttalt i en dverggalakse enn noe sånt som Melkeveien.
Dette er helt supert og bra, bortsett fra det lille forbeholdet at mens all denne interessante fysikken skjer under panseret, er det vanskelig for oss å se det. Fordi det er mørkt.
En ting av de mange tingene vi ikke forstår om mørk materie, er hvordan det oppfører seg i kjernene til galakser. Enkle simuleringer av galakseutviklingen forutsier noe som kalles en "cusp" - en hard nøtt med utrolig høy tetthet som sitter i det ellers kremete sentrum av en galakse. Men observasjoner avslører ikke dette: det burde være mange stjerner som følger gravitasjonspåvirkningen fra all den mørke materien. Og det er sikkert mange stjerner i sentrum av en galakse, men ikkeat mange.
Noe må glatte ut den sentrale mørke saken. Det kan være eksotiske interaksjoner i selve den mørke saken. Det kan være mer jordlige årsaker som supernovaevind som sprenger ut gassen. Det kan være begge deler, eller verken.
Astronomer er veldig, veldig interessert i kjernene til galakser, og spesielt dverggalakser, fordi det er der de potensielt kan lære mye om mørk materie. Til tross for deres kompliserte, rotete fysikk, trenger vi fremdeles stjerner og gass for å observere, undersøke og studere dverggalaksenes, i håp om at vi kan spore oppførselen til den underliggende mørke materien. Men dverggalakser er langt borte, svake og små - og kjernene deres enda mer.
Hvordan kunne vi muligens kikke inni dem?
Heldigvis har galakser mer enn fantastiske borgere. De har også sorte hull. Kjempesupermassive i kjernene og millioner av mindre flyter i dem. Og det faktum at gigantiske sorte hull har en tendens til å samles i kjernene i vertsgalaksen, kan være nyttig. Så kanskje - arbeid med meg her - hvis vi på en eller annen måte kunne studere oppførselen til de svarte hullene i dverggalakser, kan vi få noen ledetråder til mørk materie.
Men sorte hull er også svarte og vanskelig å se. Og liten. Og langt borte. Heldigvis trenger vi ikke se sorte hull - vi kan høre dem.
Når sorte hull kolliderer, skjelver de og forvrenger stoffet i romtiden så mye at de forårsaker bølger, som krusninger som sprer seg ut fra en tung stein som er falt ned i vannet. Disse tyngdekraftene spredte seg utover i rommet med lysets hastighet, og strekker seg så lett og presser inn noen mellomliggende ting mens de vasker forbi. Faktisk blir kroppen din, mens du leser dette, trukket og presset som et stykke kitt fra de utallige gravitasjonsbølger som går gjennom jorden.
Disse tyngdekraftene er sinnsykt vanskelige å oppdage, og det er grunnen til at de første menneskene som målte dem, fikk noen nobelpriser for deres tiårelange innsats for å bruke forstyrrende lysstråler for å fange det subtile signalet.
Men våre tre gravitasjonsbølgeobservatorier på overflaten av jorden kan ikke hjelpe oss med vårt svart-hull-inne-dverg-galakse-til-studie-mørk-materie-problem. De sorte hullene - kjent sommellomliggende masse sorte hull - er for små til å lage et påviselig signal langt over her i Melkeveien når de smelter sammen.
Men et gravitasjonsbølgebehov i rommet kunne. Det foreslåtte LISA-oppdraget (som står for, som du kanskje har trodd, Laserinterferometer Space Antenna) kan ha den rette følsomheten for å se signalet om sammenslåing av mellomstore sorte hull, akkurat som de som finnes i hjertene til dverggalakser.
Og i følge en ny artikkel som nylig ble akseptert av Astrophysical Journal Letters ledet av Tomas Tomfal fra University of Zurich, kan forskjellige modeller av mørk materie (og dens mulige interaksjoner med den normale lyselskende typen materie) påvirke hvor ofte og hvor raskt de sorte hullene i dverggalakser smelter sammen, noe som LISA kan plukke fra hverandre.
Det er en rundkjøringsvei for å forstå mørk materie, men i et problem som er så irriterende som dette, er det lovende.
Les mer: “Dannelse av LISA Black Hole Binaries in Fusioning Dwarf Galaxies: the Imprint of Dark Matter”
