Дон Линкольн - старший научный сотрудник Fermilab Министерства энергетики США, крупнейшего в США научно-исследовательского института по изучению Большого адронного коллайдера. Он также пишет о науке для общественности, в том числе о своем недавнем «Большом адронном коллайдере: необычайная история о бозоне Хиггса и других вещах, которые поразят ваш разум» (Johns Hopkins University Press, 2014). Вы можете следить за ним в Facebook. Линкольн предоставил эту статью для Эксперт Голоса Live Science: Op-Ed & Insights.
Многие сведущие в науке люди считают само собой разумеющимся, что вселенная состоит не только из часто цитируемых «миллиардов и миллиардов» галактик Карла Сагана, но и из огромного количества невидимого вещества, называемого темной материей. Считается, что эта странная материя является новым видом субатомной частицы, которая не взаимодействует ни с помощью электромагнетизма, ни с сильными и слабыми ядерными силами. Темная материя также должна быть в пять раз более распространенной во вселенной, чем обычная материя атомов.
Однако реальность такова, что существование темной материи еще не доказано. Темная материя все еще остается гипотезой, хотя и достаточно хорошо обоснованной. Любая научная теория должна делать предсказания, и если она верна, то измерения, которые вы делаете, должны соответствовать предсказаниям. То же самое касается темной материи. Например, теории темной материи предсказывают, как быстро вращаются галактики. Но до сих пор измерения, сделанные для детального распределения темной материи в центре галактик малой массы, не соответствовали этим предсказаниям.
Недавний расчет изменил это. Вычисление помогает решить загадку отношения Талли-Фишера, в котором сравнивается видимое или обычное вещество галактики с ее скоростью вращения. Упрощенно говоря, ученые обнаружили, что чем массивнее (и, следовательно, ярче) спиральная галактика, тем быстрее она вращается.
Но если темная материя существует, то насколько велика галактика, определяется не только ее видимой, но и темной материей. С огромным фрагментом уравнения - количеством темной материи - пропущено, отношение Талли-Фишера не должно сохраняться. И все же это так. Трудно было представить какой-либо способ примирить эти отношения с существующей теорией темной материи. До сих пор.
Происхождение темной материи
Первые предположения, что может возникнуть необходимость в чем-то подобном темной материи, относятся к 1932 году. Голландский астроном Ян Оорт измерил орбитальные скорости звезд в Млечном Пути и обнаружил, что они движутся слишком быстро, чтобы их можно было объяснить наблюдаемой массой галактики.
Звезды вращаются вокруг своей родительской галактики почти по круговым путям, и сила тяжести - это сила, которая удерживает звезды на этих орбитах. Уравнения Ньютона предсказывают, что сила, которая заставляет звезды двигаться по круговой траектории, F (круговая), должна равняться силе гравитации на звезду, F (гравитации), иначе звезда улетит в космос или упадет в центр галактики. Для тех, кто помнит физику в старших классах, F (циркуляр) - это утверждение инерции и просто F = ma Ньютона. F (гравитация) - закон всемирного тяготения Ньютона.
Вблизи центра галактик Рубин и Форд обнаружили, что F (круговая) была примерно равна F (гравитация), как и ожидалось. Но далеко от центра галактик две части уравнения не очень хорошо совпадали. Хотя детали различались от галактики к галактике, их наблюдения были в основном универсальными.
Такое резкое несоответствие требует объяснения. Измерения, проведенные Рубином и Фордом вблизи центра галактик, означали, что теория работала, в то время как расхождение на больших орбитальных расстояниях означало, что происходит нечто, что существующие теории не могут объяснить. Их понимание показало, что либо мы не понимаем, как работает инерция (например, F (круговая)), либо мы не понимаем, как работает гравитация (например, F (гравитация)). Третья возможность состоит в том, что знак равенства неверен, что означает, что есть какая-то другая сила или эффект, который не включает уравнение. Это были единственные возможности.
Объясняя расхождения
За 40 лет, прошедших после первоначальной работы Рубина и Форда, ученые проверили многие теории, пытаясь объяснить обнаруженные ими расхождения в галактическом вращении. Физик Мордехай Милгром предложил модификацию инерции, названную «модифицированной ньютоновской динамикой», или MOND. В своем первоначальном виде он постулировал, что при очень малых ускорениях уравнение Ньютона F = ma не работает.
Другие физики предложили модификации законов гравитации. Общая теория относительности Эйнштейна здесь не помогает, потому что в этой области предсказания Эйнштейна и Ньютона по существу идентичны. И теории квантовой гравитации, которые пытаются описать гравитацию с использованием субатомных частиц, не могут быть объяснением по той же причине. Однако существуют гравитационные теории, которые делают предсказания в галактических или внегалактических масштабах, которые отличаются от ньютоновской гравитации. Итак, это варианты.
Тогда есть предсказания, что существуют новые силы. Эти идеи объединяются под названием «пятая сила», подразумевая силу за пределами гравитации, электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы.
Наконец, существует теория темной материи: тот тип материи, который вообще не взаимодействует со светом, но оказывает гравитационное воздействие, пронизывает вселенную.
Если бы измерения галактического вращения были единственными данными, которые у нас есть, было бы трудно выбирать между этими различными теориями. В конце концов, можно было бы настроить каждую теорию для решения проблемы вращения галактики. Но сейчас есть много наблюдений за многими различными явлениями, которые могут помочь определить наиболее правдоподобную теорию.
Одним из них является скорость галактик в больших скоплениях галактик. Галактики движутся слишком быстро, чтобы скопления оставались связанными вместе. Другое наблюдение - свет от очень далеких галактик. Наблюдения за этими очень далекими древними галактиками показывают, что их свет искажается при прохождении через гравитационные поля более близких скоплений галактик. Есть также исследования небольших неоднородностей космического микроволнового фона, который является криком рождения вселенной. Все эти измерения (и многие другие) также должны быть учтены любой новой теорией, объясняющей скорости вращения галактик.
Неотвеченные вопросы темной материи
Теория темной материи проделала разумную работу по предсказанию многих из этих измерений, поэтому она пользуется уважением в научном сообществе. Но темная материя все еще неподтвержденная модель. Все доказательства его существования пока являются косвенными. Если темная материя существует, мы должны иметь возможность непосредственно наблюдать взаимодействия темной материи, когда она проходит через Землю, и мы могли бы создавать темную материю в ускорителях крупных частиц, таких как Большой адронный коллайдер. И все же ни один подход не был успешным.
Кроме того, темная материя должна согласиться со всеми, а не только со многими астрономическими наблюдениями. Хотя темная материя до сих пор является самой успешной моделью, она не вполне успешна. Модели темной материи предсказывают больше карликовых спутниковых галактик, окружающих большие галактики, такие как Млечный Путь, чем на самом деле обнаружено. Хотя обнаруживается больше галактик-карликов, их все еще слишком мало по сравнению с предсказаниями темной материи.
Другой большой открытый вопрос заключается в том, как темная материя влияет на связь между яркостью галактик и их скоростью вращения. Это соотношение, которое впервые было представлено в 1977 году, называется отношением Талли-Фишера, и оно неоднократно показывало, что видимая масса галактики хорошо коррелирует с ее скоростью вращения.
Трудные испытания для темной материи
Итак, на этом заканчивается история. Что нового?
Отношения Талли-Фишера - сложная задача для моделей темной материи. Вращение галактики определяется общим количеством вещества, которое она содержит. Если темная материя действительно существует, то общее количество материи является суммой как обычной, так и темной материи.
Но существующая теория темной материи предсказывает, что любая случайная галактика может содержать большие или меньшие фракции темной материи. Таким образом, когда вы измеряете видимую массу, вы потенциально можете упустить огромный кусок общей массы. В результате видимая масса должна быть очень плохим предиктором общей массы (и, следовательно, скорости вращения) галактики. Масса галактики может быть аналогична массе видимой (обычной) массы или может быть намного больше.
Таким образом, нет никаких оснований ожидать, что видимая масса должна быть хорошим предиктором скорости вращения галактики. Все же это так.
Фактически, в статье, выпущенной в этом году, скептики темной материи использовали измерения отношения Талли-Фишера для различных галактик, чтобы аргументировать против гипотезы темной материи и для модифицированной версии инерции, такой как MOND.
Лучше подходит для темной материи
Тем не менее, в статье, опубликованной в июне, ученые значительно расширили модели темной материи. Новая работа не только воспроизводит успехи предыдущих предсказаний модели темной материи, но и воспроизводит отношение Тулли-Фишера.
Новая статья представляет собой «полуаналитическую» модель, что означает, что она представляет собой комбинацию аналитических уравнений и симуляции. Он имитирует слипание темной материи в ранней вселенной, которая, возможно, и образовала образование галактики, но также включает взаимодействие обычной материи, включая такие вещи, как падение обычной материи в другое небесное тело из-за ее гравитационного притяжения, звездообразования и нагрева падающего газа при свете звезд и сверхновых. Тщательно настраивая параметры, исследователи могли лучше соответствовать прогнозируемым отношениям Талли-Фишера. Ключ вычисления состоит в том, что предсказанная скорость вращения включает в себя реалистичное значение для отношения барионов к темной материи в галактике.
Новый расчет является важным дополнительным шагом в проверке модели темной материи. Тем не менее, это не последнее слово. Любая успешная теория должна соответствовать всем измерениям. Неспособность согласиться означает, что либо теория, либо данные неверны или, по крайней мере, неполны. Несколько расхождений между предсказанием и измерением все еще остаются (например, число малых спутниковых галактик вокруг больших), но эта новая статья дает нам уверенность, что будущая работа разрешит эти оставшиеся расхождения. Темная материя остается мощной прогностической теорией строения вселенной. Он не завершен и требует проверки путем обнаружения фактической частицы темной материи. Итак, еще есть над чем поработать. Но этот последний расчет - важный шаг к тому дню, когда мы раз и навсегда узнаем, действительно ли во вселенной доминирует темная сторона.
