Don Lincoln er seniorforsker ved U.S. Department of Energys Fermilab, USAs største forskningsinstitusjon Large Hadron Collider. Han skriver også om vitenskap for publikum, inkludert den nylige "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham på Facebook. Lincoln bidro med denne artikkelen til Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Mange vitenskapelige kunnskapsrike mennesker tar det for gitt at universet ikke bare er laget av Carl Sagans ofte siterte "milliarder og milliarder" galakser, men også en enorm mengde av et usynlig stoff som kalles mørk materie. Denne rare saken antas å være en ny type subatomisk partikkel som ikke samvirker via elektromagnetisme, og heller ikke de sterke og svake atomkreftene. Mørk materie er også ment å være fem ganger mer utbredt i universet enn den vanlige saken om atomer.
Realiteten er imidlertid at mørk materie sin eksistens ennå ikke er bevist. Mørk materie er fremdeles en hypotese, om enn en ganske godt støttet. Enhver vitenskapelig teori må komme med spådommer, og hvis det stemmer, bør målingene du gjør stemme overens med spådommene. Det samme gjelder mørk materie. For eksempel gir teorier om mørk materie forutsigelser for hvor raske galakser roterer. Men inntil nå stemte ikke målinger som ble foretatt med den detaljerte fordelingen av mørk materie i sentrum av lavmasse galakser med disse spådommene.
En nyere beregning har endret det. Beregningen hjelper til med å løse conundrum av Tully-Fisher-forholdet, som sammenligner det synlige, eller vanlige, stoffet i en galakse med dens rotasjonshastighet. På veldig forenklet vis har forskere funnet ut at jo mer massiv (og derfor lysere) en spiralgalakse er, desto raskere snurrer den.
Men hvis mørk materie eksisterer, bør hvor "stor" en galakse bestemmes ikke bare av dens synlige materie, men også av dens mørke materie. Med en enorm del av ligningen - mengden mørk materie - mangler, burde ikke Tully-Fisher-forholdet holde. Og likevel gjør det det. Det var vanskelig å forestille seg noen måte å forene dette forholdet med eksisterende teorien om mørk materie. Inntil nå.
Mørk materie opprinnelse
De første antydningene om at det kan være behov for noe som mørk materie, går tilbake til 1932. Den nederlandske astronomen Jan Oort målte orbitalhastighetene til stjerner i Melkeveien og fant at de beveget seg for raskt til å bli forklart av den observerte galaksemassen.
Stjerner går i bane rundt sin foreldregalakse i nesten sirkulære stier, og tyngdekraften er kraften som holder stjernene i disse bane. Newtons ligninger forutsier at kraften som gjør at stjernene beveger seg i en sirkulær bane, F (sirkulær), skal være lik kraften på grunn av tyngdekraften på stjernen, F (tyngdekraften), ellers ville stjernen flydd ut i rommet eller falt inn til sentrum av galaksen. For de som husker fysikk på videregående skole, er F (sirkulær) en treghedserklæring og er bare Newtons F = ma. F (gravitasjon) er Newtons lov om universell gravitasjon.
I nærheten av sentrum av galakser fant Rubin og Ford at F (sirkulær) var omtrent lik F (tyngdekraften), som forventet. Men langt fra sentrum av galaksen, passet ikke de to sidene av likningen veldig bra. Mens detaljer varierte galakse-til-galakse, var observasjonene deres i hovedsak universelle.
Et slikt dramatisk avvik trenger forklaring. I nærheten av sentrum av galakser betydde Rubin og Fords målinger at teorien fungerte, mens avviket ved større banestrekninger betydde at noe skjedde som eksisterende teorier ikke kunne forklare. Deres innsikt avdekket at enten vi ikke forstår hvordan treghet fungerer (f.eks. F (sirkulær)), eller så forstår vi ikke hvordan tyngdekraften fungerer (f.eks. F (tyngdekraft)). En tredje mulighet er at likhetstegnet er feil, noe som betyr at det er en annen kraft eller effekt som ligningen ikke inkluderer. Det var de eneste mulighetene.
Forklare avvikene
I løpet av de 40 årene siden Rubin og Fords opprinnelige arbeid har forskere testet mange teorier for å prøve å forklare de galaktiske rotasjonsavvikene de fant. Fysiker Mordehai Milgrom foreslo en modifisering av treghet, kalt "modifisert Newtonsk dynamikk," eller MOND. I sin opprinnelige form antydet den at ved svært lave akselerasjoner, Newtons ligning F = ma ikke virket.
Andre fysikere har foreslått endringer av tyngdelovene. Einsteins generelle relativitet hjelper ikke her, fordi Einsteins og Newtons forutsigelser er i det vesentlige identiske. Og teorier om kvantetyngdekraft, som prøver å beskrive tyngdekraften ved bruk av subatomære partikler, kan ikke være forklaringen av samme grunn. Imidlertid er det gravitasjonsteorier som gir forutsigelser om galaktiske eller ekstragalaktiske skalaer som skiller seg fra Newtonsk tyngdekraft. Så, dette er alternativer.
Så er det spådommer om at nye krefter eksisterer. Disse ideene er samlet sammen under navnet "den femte styrken", noe som innebærer en styrke utover tyngdekraften, elektromagnetisme og de sterke og svake atomkreftene.
Til slutt er det teorien om mørk materie: At en type materie som ikke samhandler med lys i det hele tatt, men som utøver et gravitasjonstrekk, gjennomsyrer universet.
Var de galaktiske rotasjonsmålingene de eneste dataene vi har, kan det være vanskelig å velge mellom disse forskjellige teoriene. Tross alt kan det være mulig å finpusse hver teori for å løse det galaktiske rotasjonsproblemet. Men det er nå mange observasjoner av mange forskjellige fenomener som kan bidra til å identifisere den mest sannsynlige teorien.
Den ene er hastigheten på galakser innenfor store klynger av galakser. Galaxyene beveger seg for raskt for at klyngene skal holde seg bundet sammen. En annen observasjon er av lys fra veldig fjerne galakser. Observasjoner av disse svært fjerne eldgamle galaksene viser at lyset deres er forvrengt ved å passere gjennom tyngdefeltene til mer nærliggende galakser. Det er også studier av små ikke-uniformiteter av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen som er fødselsgråten til universet. Alle disse målingene (og mange flere) må også adresseres av enhver ny teori for å forklare galaktiske rotasjonshastigheter.
Dark matter er ubesvarte spørsmål
Teorien om mørk materie har gjort en rimelig jobb med å forutsi mange av disse målingene, og det er derfor den respekteres i det vitenskapelige samfunnet. Men mørk materie er fremdeles en ubekreftet modell. Alt bevis på eksistensen så langt er indirekte. Hvis mørk materie eksisterer, bør vi være i stand til å direkte observere interaksjoner av mørk materie når det passerer gjennom jorden, og vi kan være i stand til å lage mørk materie i store partikkelakseleratorer, som Large Hadron Collider. Og likevel har ingen av tilnærmingene vært vellykkede.
I tillegg bør mørk materie stemme overens med alle, ikke bare mange, astronomiske observasjoner. Mens mørk materie er den mest vellykkede modellen så langt, er den ikke helt vellykket. Mørkestoffmodeller forutsier flere dvergssatellitt galakser som omgir store galakser som Melkeveien enn det som faktisk er oppdaget. Selv om flere dverggalakser blir funnet, er det fremdeles for få sammenlignet med mørk materie sine spådommer.
Et annet stort, åpent spørsmål er hvordan mørk materie påvirker forholdet mellom galaksenes lysstyrke og rotasjonshastighetene deres. Dette forholdet, som først ble presentert i 1977, kalles Tully-Fisher-forholdet, og det har vist flere ganger at en galakas synlige masse korrelerer godt med dens rotasjonshastighet.
Tøffe utfordringer for mørk materie
Så, det avslutter bakhistorien. Hva er nytt?
Tully-Fisher-forholdet er en tøff utfordring for mørke materie-modeller. Rotasjonen av en galakse styres av den totale mengden materie den inneholder. Hvis mørk materie virkelig eksisterer, er den totale mengden materie summen av både vanlig og mørk materie.
Men eksisterende teori om mørk materie spår at enhver tilfeldig galakse kan inneholde større eller mindre brøkdeler av mørk materie. Så når man måler den synlige massen, kan du potensielt mangle en enorm del av den totale massen. Som et resultat bør synlig masse være en veldig dårlig prediktor for den totale massen (og dermed rotasjonshastigheten) til galaksen. Galaksens masse kan være lik den for den synlige (vanlige) massen, eller den kan være mye større.
Det er således ingen grunn til å forvente at den synlige massen skal være en god prediktor for galaksens rotasjonshastighet. Likevel er det det.
I et papir som ble utgitt i år, brukte skeptiske skeptikere målinger av Tully-Fisher-forholdet for en rekke galakser for å argumentere mot hypothesen om mørk materie og for en modifisert versjon av treghet, som MOND.
Bedre passform for mørk materie
I et papir som ble utgitt i juni, har forskere imidlertid gitt mørke stoffmodeller et betydelig løft. Ikke bare gjengir det nye verket suksessene til tidligere prediksjoner av den mørke materie-modellen, det gjengir også Tully-Fisher-forholdet.
Den nye artikkelen er en "semi-analytisk" modell, som betyr at den er en kombinasjon av analytiske ligninger og simulering. Den simulerer sammenklumping av mørk materie i det tidlige universet som kan ha frøset galaksedannelse, men inkluderer også samspillet mellom vanlig materie, inkludert ting som innfall av vanlig materie i en annen himmellegeme på grunn av dens gravitasjonstrekk, stjernedannelse og oppvarmingen av infalling gass av stjernelys og supernovaer. Ved å omstille parametrene nøye, var forskerne bedre i stand til å matche det predikerte Tully-Fisher-forholdet. Beregningens nøkkel er at den forutsagte rotasjonshastigheten inkluderer en realistisk verdi for forholdet mellom baryoner og mørk materie i galaksen.
Den nye beregningen er et viktig tilleggstrinn i validering av mørkstoffmodellen. Det er imidlertid ikke det endelige ordet. Enhver vellykket teori bør være enig i alle målinger. Unnlatelse av å bli enige betyr at enten teorien eller dataene er feil, eller i det minste ufullstendige. Det gjenstår fortsatt noen få avvik mellom prediksjon og måling (for eksempel antall små satellittgalakser rundt store), men denne nye artikkelen gir oss tillit til at fremtidig arbeid vil løse disse gjenværende avvikene. Mørk materie er fortsatt en kraftig prediktiv teori for universets struktur. Den er ikke komplett, og den trenger validering ved å oppdage den faktiske mørkstoffpartikkelen. Så det er fortsatt arbeid å gjøre. Men denne siste beregningen er et viktig skritt mot dagen der vi vil vite en gang for alle om universet virkelig er dominert av den mørke siden.
