Jeg vil være den første til å innrømme at vi ikke forstår mørk materie. Når vi for eksempel ser på en galakse og teller opp alle de varme glødende bitene som stjerner og gass og støv, får vi en viss masse. Når vi i det hele tatt bruker noen annen teknikk for å måle massen, får vi et mye høyere antall. Så den naturlige konklusjonen er at ikke all materien i universet er varm og glødende. Kanskje noen hvis det er, du vet, mørkt.
Men hold på. Først bør vi sjekke matematikken vår. Er vi sikre på at vi ikke bare tar noe fysikk feil?
Dark Matter Details
Et stort stykke av mørk materie-puslespillet (selv om det absolutt ikke er det eneste, og dette vil være viktig senere i artikkelen) kommer i form av såkalte galakse-rotasjonskurver. Når vi ser stjerner rulle rundt i rotasjonen rundt sentrum av galaksen, bør de lenger fra sentrum bevege seg saktere enn de som er nærmere sentrum. Dette er fordi mesteparten av den galaktiske massen er overfylt i kjernen, og de ytterste stjernene er langt borte fra alt det, og ved enkel Newtonsk tyngdekraft skal de følge sakte late baner.
Men det har de ikke.
I stedet går de ytterste stjernene i bane like raskt som søskenbarna til deres by.
Siden dette er et spill av tyngdekraft, er det bare to alternativer. Enten tar vi tyngdekraften feil, eller så er det ekstra usynlige ting som suger hver galakse. Og så vidt vi kan vite, får vi tyngdekraften veldig, veldig rett (det er en annen artikkel), så bom: mørk materie. Noe holder de frittgående stjernene fanget i galaksene sine, ellers ville de kastet seg ut som en ukontrollert glede-runde for millioner av år siden; ergo, det er en hel haug med ting vi ikke kan se direkte, men som vi indirekte kan oppdage.
Bli tung
Men hva hvis dette ikke bare er et tyngdekraft? Det er tross alt fire grunnleggende naturkrefter: sterk kjernefysisk, svak kjernekraft, tyngdekraft og elektromagnetisme. Får noen av dem til å spille i dette greatgalactic spillet?
Sterk kjernefysisk opererer bare i teensy bittesmå subatomære skalaer, så det er rett ut. Og ingen bryr seg om svake atomvåpen, bortsett fra i visse sjeldne forfall og interaksjoner, så vi kan legge det til side også. Og elektromagnetisme ... vel, tydeligvis stråling og magnetiske felt spiller en rolle i galaktisk liv, men stråling skyver alltid utover (så åpenbart ikke kommer til å hjelpe med å holde raske stjerner i hjernen) og galaktiske magnetfelt er utrolig svake (ikke sterkere enn en milliondel jordens eget magnetfelt). Så ... ikke gå, ikke sant?
Som omtrent alt innen fysikk, er det en snedig gjennomkjørsel. Så langt vi kan si, er fotonet - bæreren av selve elektromagnetisk kraft - helt masseløst. Men observasjoner er observasjoner og ingenting i vitenskapen er kjent med sikkerhet, og nåværende estimater plasserer massen av fotonet til ikke mer enn 2 x 10-24 massen til elektronet. Alt i alt er dette i utgangspunktet null for omtrent hva som helst noen bryr seg om. Men hvis fotonet gjørhar masse, selv under denne grensen, kan det gjøre noen ganske morsomme ting for theuniverse.
Med tilstedeværelsen av masse i fotonet, tar Maxwells ligninger, måten vi forstår elektrisitet, magnetisme og stråling på, en modifisert form. Ekstra termer vises i matematikken og nye interaksjoner tar form.
Kan du føle det?
De nye samhandlingene er passende kompliserte og avhenger av det spesifikke scenariet. Når det gjelder galakser, begynner de svake magnetfeltene å føle seg noe spesielt. På grunn av de sammenfiltrede og kronglete upnaturen av magnetfeltene, endrer tilstedeværelsen av massive fotoner Maxwells ligninger i bare med en gang å legge til en ny attraktiv kraft som i noen tilfeller kan være sterkere spenningsevne alene.
Med andre ord, den nye elektromagnetiske kraften kan være i stand til å holde raskt bevegelige stjerner til å rope inn, og gjøre unna behovet for mørk materie helt.
Men det er ikke lett. Magnetfeltene trer gjennom galaksens interstellare gass, ikke stjernene i seg selv. Så denne kraften kan ikke trekke på stjerner direkte. I stedet må styrken gjøre sitt drag kjent for gassen, og på en eller annen måte må gassen gi stjernene vite at det er en ny sheriffby.
Når det gjelder massive, kortreiste stjerner, er dette ganske greit. Selve gassen pisker rundt den galaktiske kjernen i topphastighet, danner en stjerne, stjernen lever, stjernen dør, og restene vender tilbake til å være gass raskt nok til at alle stjerner etter enhver hensikt etterligner gassens bevegelse, og gir oss rotasjonskurvene som vi trenger.
Big Trouble in Little Stars
Men små stjerner med lang levetid er et annet dyr. De kobles fra gassen som dannet dem og lever sine egne liv, og kretser rundt det galaktiske senteret mange ganger før de går ut. Og siden de ikke føler den merkelige nye elektromagnetiske kraften, bør de bare fjerne seg fra galaksen helt, fordi ingenting holder dem i sjakk.
Hvis dette scenariet var nøyaktig og massiv foton kunne erstatte mørk materie, skulle ikke vår egen sol være der den er i dag.
Dessuten har vi veldig god grunn til å tro at fotoner virkelig er masseløse. Visst, Maxwells ligninger bryr seg kanskje ikke så veldig, men spesiell relativitet og kvantefeltteori gjør det sikkert. Du begynner å rote med fotonmassen, og du har mye å forklare å gjøre, herre.
I tillegg, bare fordi alle elsker galaksens rotasjonskurver, betyr ikke det at de er vår eneste vei til mørk materie. Observasjoner av galakse klynger, gravitasjonslinser, veksten av struktur i universet og til og med den kosmiske mikrobølgebakgrunnen peker i retning av en slags usynlig komponent til universet vårt.
Selv om fotonet hadde masse, og på en eller annen måte var i stand til å forklare bevegelsene til alle stjerner i en galakse, ikke bare de massive, de ville ikke være i stand til å forklare mange andre observasjoner (for eksempel hvordan kan en ny elektromagnetisk kraft forklare gravitasjonsbøyningen av lys rundt en galakse-klynge? Det er ikke et retorisk spørsmål - det kan ikke). Med andre ord, selv i et kosmos fylt med enorme fotoner, trenger vi fortsatt mørk materie.
Du kan lese journalartikkelen her.
