Don Lincoln je stariji znanstvenik na američkom Odjelu za energetiku Fermilab, najvećoj američkoj istraživačkoj instituciji za velike hadronske sudare. Piše i o znanosti za javnost, uključujući nedavni "Veliki hadronski sudarač: izvanredna priča o Higgsovu Bosonu i druge stvari koje će vam raznijeti duh" (Johns Hopkins University Press, 2014). Možete ga pratiti na Facebooku. Lincoln je ovaj članak pridodao stručnim glasovima Live Science-a: Op-Ed & Insights.
Mnogi znanstveno sposobni ljudi uzimaju zdravo za gotovo da su svemir sačinjeni ne samo od mnogobrojnih galaksija koje su citirali Carl Sagan, već i goleme količine nevidljive tvari zvane tamna materija. Smatra se da je ova neobična materija nova vrsta subatomskih čestica koje ne stupaju u interakciju putem elektromagnetizma, niti jakih i slabih nuklearnih sila. Također bi trebala postojati tamna materija pet puta veća u svemiru od obične materije atoma.
Međutim, realnost je da postojanje tamne materije još nije dokazano. Tamna je materija i dalje hipoteza, iako prilično dobro podržana. Bilo koja znanstvena teorija mora predvidjeti, i ako je to ispravno, mjerenja koja provodite trebaju se uskladiti s predviđanjima. Isto vrijedi i za tamnu tvar. Na primjer, teorije tamne materije predviđaju brzinu rotacije galaksija. No, dosad se mjerenja provedena detaljnom raspodjelom tamne materije u središtu galaksija male mase nisu u skladu s tim predviđanjima.
Nedavni izračun je to promijenio. Proračun pomaže razriješiti zagonetku relacije Tully-Fisher, koja uspoređuje vidljivu ili običnu materiju galaksije s njenom rotacijskom brzinom. Znači vrlo pojednostavljeno, znanstvenici su otkrili da što je masivnija spiralna galaksija (a time i svjetlija), to se brže vrti.
Ali ako postoji tamna tvar, koliko je "velika" galaksija trebala bi se odrediti ne samo njenom vidljivom materijom, već i njenom tamnom materijom. Sa ogromnim dijelom jednadžbe - količinom tamne materije - nedostaje, odnos Tully-Fisher se ne bi trebao održati. A ipak to čini. Bilo je teško zamisliti bilo koji način da se taj odnos uskladi s postojećom teorijom tamne materije. Do sada.
Podrijetlo tamne materije
Prvi crteži da bi mogla postojati potreba za nešto poput tamne materije sežu u 1932. Nizozemski astronom Jan Oort izmjerio je orbitalne brzine zvijezda u Mliječnom putu i otkrio da su se prebrzo kretale da bi se objasnilo promatranom masom galaksije.
Zvijezde kruže oko svoje matične galaksije gotovo kružnim putanjama, a gravitacija je sila koja drži zvijezde u tim orbitama. Newtonove jednadžbe predviđaju da bi sila zbog koje se zvijezde kreću u kružnom putu, F (kružna), trebala biti jednaka sili zbog gravitacije na zvijezdu, F (gravitacija), inače bi zvijezda odletela u svemir ili pala središte galaksije. Za one koji pamte srednjoškolsku fiziku, F (kružna) je izjava inercije i samo je Newtonova F = ma. F (gravitacija) je Newtonov zakon univerzalne gravitacije.
U blizini središta galaksija Rubin i Ford su ustanovili da je F (kružna) približno jednaka F (gravitacija), kao što se očekivalo. Ali daleko od središta galaksija, dvije strane jednadžbe nisu se dobro slagale. Iako su detalji varirali od galaksije do galaksije, njihova su zapažanja u osnovi bila univerzalna.
Takva dramatična neusklađenost treba objasniti. U blizini središta galaksija, Rubinova i Fordova mjerenja značila su da teorija funkcionira, dok je odstupanje na većim orbitalnim daljinama značilo da se nešto događa što postojeće teorije ne mogu objasniti. Njihovi su uvidi otkrili da ili ne razumijemo kako djeluje inercija (npr., F (kružno)), ili ne razumijemo kako gravitacija djeluje (npr., F (gravitacija)). Treća mogućnost je da je znak jednakosti pogrešan, što znači da postoji neka druga sila ili učinak koji jednadžba ne uključuje. To su bile jedine mogućnosti.
Objašnjenje razlika
U 40 godina od originalnog rada Rubina i Forda, znanstvenici su testirali mnoge teorije kako bi pokušali objasniti nepodudarnosti rotacije u galaktikama. Fizičar Mordehai Milgrom predložio je modifikaciju inercije, nazvanu "modificirana newtonska dinamika", ili MOND. U svom je početnom obliku postulirao da pri vrlo malim ubrzanjima Newtonova jednadžba F = ma ne funkcionira.
Drugi su fizičari predložili izmjene zakona gravitacije. Einsteinova opća relativnost ovdje ne pomaže, jer su u ovom području Einsteinova i Newtonova predviđanja u osnovi identična. A teorije kvantne gravitacije, koje pokušavaju opisati gravitaciju subatomskim česticama, ne mogu biti objašnjenje iz istog razloga. Međutim, postoje teorije gravitacije koje predviđaju galaktičke ili ekstragalaktičke skale koje se razlikuju od gravitacije Newtona. To su opcije.
Zatim postoje predviđanja da postoje nove snage. Ove ideje su sjedinjene pod nazivom "peta sila", podrazumijevajući silu koja prelazi gravitaciju, elektromagnetizam i jake i slabe nuklearne sile.
Konačno, postoji teorija tamne materije: Da vrsta materije koja uopće ne djeluje na svjetlost, ali ima gravitacijsko povlačenje, prožima svemir.
Jesu li mjerenja galaktičke rotacije jedini podaci koje imamo, možda će biti teško odabrati između tih različitih teorija. Uostalom, svaka bi teorija mogla prilagoditi rješenje problema galaktičke rotacije. Ali sada postoji mnogo promatranja mnogih različitih fenomena koji mogu pomoći identificirati najpouzdaniju teoriju.
Jedna je brzina galaksija unutar velikih nakupina galaksija. Galaksije se kreću prebrzo da bi klasteri ostali vezani zajedno. Drugo je promatranje svjetla iz vrlo udaljenih galaksija. Promatranja ovih vrlo udaljenih drevnih galaksija pokazuju da se njihova svjetlost iskrivljava prolazeći kroz gravitaciona polja bližih nakupina galaksija. Postoje i studije o malim neravnomjernostima kozmičke mikrovalne pozadine koja je vapaj iz svemira. Sva ta mjerenja (i mnoštvo drugih) također se moraju pozabaviti bilo kojom novom teorijom kako bi se objasnile galaktičke brzine rotacije.
Mračna materija je neodgovorena
Teorija tamne materije učinila je razuman posao predviđajući mnoga od tih mjerenja, zbog čega je u znanstvenoj zajednici dobro uvažena. No, tamna je materija još uvijek nepotvrđeni model. Svi dokazi o njegovom dosadašnjem postojanju su neizravni. Ako tamna tvar postoji, trebali bismo biti u mogućnosti izravno promatrati interakcije tamne materije kako prolazi kroz Zemlju i možda bismo mogli napraviti tamnu tvar u velikim akceleratorima čestica, poput Velikog hadronskog sudarača. Pa ipak, niti jedan pristup nije bio uspješan.
Uz to bi se tamna tvar trebala slagati sa svim, ne samo mnogim, astronomskim opažanjima. Iako je tamna tvar do sada najuspješniji model, nije u potpunosti uspješan. Modeli tamne materije predviđaju više patuljastih satelitskih galaksija koje okružuju velike galaksije poput Mliječnog puta nego što je zapravo otkriveno. Iako se pronalazi još patuljastih galaksija, još je premalo u odnosu na predviđanja tamne materije.
Drugo veliko, otvoreno pitanje je kako tamna materija utječe na odnos svjetline galaksija i njihovih rotacijskih brzina. Taj odnos, koji je prvi put predstavljen 1977, naziva se odnosom Tully-Fisher, a mnogo je puta pokazao da vidljiva masa galaksije dobro korelira sa brzinom vrtnje.
Teški izazovi za tamnu tvar
Time se završava zadnja priča. Što je novo?
Odnos Tully-Fisher težak je izazov za modele s tamnom tvari. Rotacijom galaksije upravlja se ukupnom količinom materije koju sadrži. Ako tamna materija zaista postoji, tada je ukupna količina materije zbroj obične i tamne materije.
Ali postojeća teorija tamne materije predviđa da svaka slučajna galaksija može sadržavati veće ili manje frakcije tamne materije. Dakle, kad netko mjeri vidljivu masu, potencijalno bi vam mogao promašiti ogroman komad ukupne mase. Kao posljedica toga, vidljiva masa trebala bi biti vrlo loš predskazivač ukupne mase (a time i brzine rotacije) galaksije. Masa galaksije mogla bi biti slična masi vidljive (obične) mase ili bi mogla biti puno veća.
Stoga nema razloga očekivati da bi vidljiva masa trebala biti dobar prediktor brzine rotacije galaksije. Ipak jest.
Zapravo, u časopisu objavljenom ove godine skeptici tamne materije koristili su mjerenja odnosa Tully-Fisher za razne galaksije kako bi se suprotstavili hipotezi o tamnoj materiji i za modificiranu verziju inercije, poput MOND.
Bolje odgovara tamnoj materiji
Međutim, u radu objavljenom u lipnju, znanstvenici su modelima tamne materije dali značajan poticaj. Novi posao ne samo da reproducira uspjehe ranijih predviđanja modela tamne materije, već reproducira i odnos Tully-Fisher.
Novi rad je "poluanalitički" model, što znači da je kombinacija analitičkih jednadžbi i simulacije. Simulira nakupljanje tamne materije u ranom svemiru koja je možda zasijala formacijom galaksija, ali također uključuje interakciju obične materije, uključujući takve stvari kao što je pad obične materije u drugo nebesko tijelo zbog njegovog gravitacijskog povlačenja, stvaranja zvijezda i zagrijavanja padajućeg plina od strane zvijezde i supernova. Pažljivim podešavanjem parametara, istraživači su mogli bolje uskladiti predviđeni odnos Tully-Fisher. Ključ proračuna je da predviđena brzina rotacije uključuje realnu vrijednost za omjer bariona i tamne materije u galaksiji.
Novi izračun važan je dodatni korak u provjeri modela tamne materije. Međutim, to nije posljednja riječ. Svaka uspješna teorija trebala bi se složiti sa svim mjerenjima. Ako se ne slažete, znači da su ili teorija ili podaci pogrešni ili barem nepotpuni. Još uvijek postoji nekoliko razlika između predviđanja i mjerenja (poput broja malih satelitskih galaksija oko velikih), ali ovaj novi rad daje nam sigurnost da će budući rad riješiti ove preostale razlike. Tamna materija ostaje snažno prediktivna teorija za strukturu svemira. Nije cjelovit i treba ga provjeriti otkrivanjem stvarne čestice tamne materije. Dakle, preostaje još posla. Ali ovaj najnoviji izračun važan je korak prema danu kad ćemo jednom zauvijek znati hoće li svemirom vladati tamna strana.
