Dons Linkolns ir vecākais zinātnieks ASV Enerģētikas departamenta Fermilab, Amerikas lielākajā Large Hadron Collider pētniecības institūcijā. Viņš arī raksta par zinātni sabiedrībai, ieskaitot savu neseno darbu "Lielais hadronu sadursme: Ārkārtas stāsts par Higsa Bosonu un citas lietas, kas pūta jūsu prātā" (Johns Hopkins University Press, 2014). Jūs varat viņam sekot Facebook. Linkolns pievienoja šo rakstu Live Science ekspertu balsīm: Op-Ed & Insights.
Daudzi zinātniski izglītoti cilvēki uzskata par pašsaprotamu, ka Visumu veido ne tikai Karla Sagāna bieži citētie galaktiku "miljardi un miljardi", bet arī milzīgs daudzums neredzamas vielas, ko sauc par tumšo vielu. Tiek uzskatīts, ka šī nepāra viela ir jauna veida subatomiskās daļiņas, kas nedarbojas mijiedarbībā ar elektromagnētismu, ne spēcīgiem un vājiem kodolieročiem. Domājams, ka tumšajā matērijā ir piecas reizes vairāk izplatīta Visumā nekā parastajā atomu jautājumā.
Tomēr patiesībā tumšās matērijas esamība vēl nav pierādīta. Tumšā matērija joprojām ir hipotēze, kaut arī diezgan labi atbalstīta. Jebkurai zinātniskajai teorijai ir jāizdara prognozes, un, ja tā ir pareiza, tad jūsu veiktie mērījumi jāsaskaņo ar prognozēm. Tas pats attiecas uz tumšo vielu. Piemēram, tumšās vielas teorijas ļauj prognozēt, cik ātri galaktikas griežas. Bet līdz šim mērījumi, kas veikti, lai sīki sadalītu tumšās vielas sadalījumu zemas masas galaktiku centrā, neatbilda šīm prognozēm.
Nesenais aprēķins to ir mainījis. Aprēķins palīdz atrisināt Tulija-Fišera sakarības saikni, kas salīdzina galaktikas redzamo vai parasto lietu ar tās rotācijas ātrumu. Ļoti vienkāršoti izsakoties, zinātnieki ir noskaidrojuši, ka jo masīvāka (un tāpēc gaišāka) ir spirālveida galaktika, jo ātrāk tā griežas.
Bet, ja tumšā matērija pastāv, tad cik liela ir galaktika, to nosaka ne tikai redzamā matērija, bet arī tumšā matērija. Tā kā trūkst milzīga vienādojuma - tumšās vielas daudzuma -, Tully-Fisher attiecībai nevajadzētu saglabāties. Un tomēr tas notiek. Bija grūti iedomāties veidu, kā saskaņot šīs attiecības ar esošo tumšās matērijas teoriju. Līdz šim brīdim.
Tumšās matērijas izcelsme
Pirmās ieskates, ka varētu būt nepieciešams kaut kas līdzīgs tumšajai matērijai, meklējamas 1932. gadā. Holandiešu astronoms Jans Oorts izmērīja Zvaigžņu orbītas ātrumu Piena Ceļā un konstatēja, ka tie pārvietojas pārāk ātri, lai izskaidrotu ar novēroto galaktikas masu.
Zvaigznes riņķo ap mātes galaktiku gandrīz apļveida ceļos, un smagums ir spēks, kas tur zvaigznes šajās orbītās. Ņūtona vienādojumi paredz, ka spēkam, kas liek zvaigznēm pārvietoties apļveida ceļā, F (apļveida), jābūt vienādam ar spēku, kas rodas smaguma dēļ uz zvaigzni, F (gravitācija), pretējā gadījumā zvaigzne izlidotu kosmosā vai iekristu galaktikas centrs. Tiem, kas atceras vidusskolas fiziku, F (apļveida) ir inerces paziņojums un ir tikai Ņūtona F = ma. F (gravitācija) ir ņūtona universālās gravitācijas likums.
Netālu no galaktiku centra Rubins un Fords atklāja, ka F (apļveida) ir aptuveni vienāds ar F (smaguma spēks), kā paredzēts. Bet tālu no galaktiku centra vienādojuma abas puses nesakrita ļoti labi. Lai arī detaļas atšķīrās no galaktikām līdz galaktikām, to novērojumi būtībā bija universāli.
Šāda dramatiska neatbilstība ir jāpaskaidro. Netālu no galaktiku centra Rubina un Forda mērījumi nozīmēja, ka teorija darbojas, savukārt neatbilstība lielākos orbitālajos attālumos nozīmē, ka notiek kaut kas tāds, ko esošās teorijas nevarēja izskaidrot. Viņu atziņas atklāja, ka vai nu mēs nesaprotam, kā darbojas inerce (piemēram, F (apļveida)), vai arī mēs nesaprotam, kā darbojas gravitācija (piemēram, F (gravitācija)). Trešā iespēja ir tāda, ka vienādības zīme ir nepareiza, kas nozīmē, ka ir kāds cits spēks vai efekts, ko vienādojums neietver. Tās bija vienīgās iespējas.
Neatbilstību skaidrošana
40 gadu laikā kopš Rubina un Forda oriģināldarba zinātnieki ir pārbaudījuši daudzas teorijas, lai mēģinātu izskaidrot atrastās galaktiskās rotācijas neatbilstības. Fiziķis Mordehai Milgroms ierosināja inerces modifikāciju, ko sauca par "modificētu Ņūtona dinamiku" vai MOND. Sākotnējā formā tas postulēja, ka ar ļoti zemiem paātrinājumiem Ņūtona vienādojums F = ma nedarbojās.
Citi fiziķi ir ierosinājuši gravitācijas likumu modifikācijas. Einšteina vispārējā relativitāte šeit nepalīdz, jo šajā jomā Einšteina un Ņūtona prognozes būtībā ir identiskas. Un kvantu gravitācijas teorijas, kas mēģina aprakstīt gravitāciju, izmantojot subatomiskās daļiņas, nevar būt izskaidrojums tā paša iemesla dēļ. Tomēr ir gravitācijas teorijas, kas paredz prognozes galaktikas vai ekstragalaktiskajos mērogos, kas atšķiras no Ņūtona gravitācijas. Tātad, šīs ir iespējas.
Tad tiek prognozēts, ka pastāv jauni spēki. Šīs idejas ir saliktas kopā ar nosaukumu "piektais spēks", kas nozīmē spēku, kas pārsniedz gravitācijas spēku, elektromagnētismu un spēcīgus un vājus kodolieročus.
Visbeidzot, ir tumšās matērijas teorija: Tas matērijas veids, kas vispār nedarbojas mijiedarbībā ar gaismu, tomēr rada gravitācijas spēku, caurvij Visumu.
Ja galaktiskās rotācijas mērījumi būtu vienīgie mūsu rīcībā esošie dati, varētu būt grūti izvēlēties starp šīm dažādajām teorijām. Galu galā varētu būt iespējams pielāgot katru teoriju, lai atrisinātu galaktikas rotācijas problēmu. Bet tagad ir daudz dažādu parādību novērojumu, kas var palīdzēt noteikt ticamāko teoriju.
Viens no tiem ir galaktiku ātrums lielos galaktiku kopās. Galaktikas pārvietojas pārāk ātri, lai kopas paliktu savstarpēji saistītas. Vēl viens novērojums attiecas uz gaismu no ļoti tālām galaktikām. Šo ļoti tālu seno galaktiku novērojumi liecina, ka to gaisma tiek izkropļota, izejot cauri tuvāk esošo galaktiku kopu gravitācijas laukiem. Ir arī pētījumi par nelielu kosmiskā mikroviļņu fona nevienmērīgumu, kas ir Visuma dzimšanas sauciens. Visiem šiem mērījumiem (un daudziem citiem) ir jāpievēršas arī jebkurai jaunai teorijai, lai izskaidrotu galaktikas rotācijas ātrumu.
Tumšās matērijas neatbildētie jautājumi
Tumšās matērijas teorija ir izdarījusi saprātīgu darbu, paredzot daudzus no šiem mērījumiem, tāpēc zinātnieku aprindās to labi ievēro. Bet tumšā matērija joprojām ir neapstiprināts paraugs. Visi pierādījumi par tā esamību līdz šim ir netieši. Ja pastāv tumšā matērija, mums vajadzētu spēt tieši novērot tumšās matērijas mijiedarbību, kad tā iet cauri Zemei, un mēs, iespējams, varētu veidot tumšo vielu lielos daļiņu paātrinātājos, piemēram, lielajā hadronu sadursmē. Un tomēr neviena pieeja nav bijusi veiksmīga.
Turklāt tumšajai matērijai vajadzētu piekrist visiem, ne tikai daudziem, astronomiskajiem novērojumiem. Lai arī tumšā matērija ir līdz šim veiksmīgākais modelis, tā nav pilnībā veiksmīga. Tumšās matērijas modeļi prognozē vairāk punduru satelītu galaktiku, kas ieskauj lielas galaktikas, piemēram, Piena Ceļu, nekā faktiski tiek atklāts. Lai arī tiek atrasta vairāk punduru galaktiku, to joprojām ir par maz, salīdzinot ar tumšās matērijas prognozēm.
Vēl viens liels, atklāts jautājums ir par to, kā tumšā matērija ietekmē attiecības starp galaktiku spilgtumu un to rotācijas ātrumu. Šīs attiecības, kuras pirmo reizi tika uzrādītas 1977. gadā, sauc par Tully-Fišera attiecībām, un tas daudzkārt ir parādījis, ka galaktikas redzamā masa labi korelē ar tās rotācijas ātrumu.
Smagi izaicinājumi attiecībā uz tumšo vielu
Tātad ar to beidzas sižets. Kas jauns?
Tully-Fisher attiecības ir grūts izaicinājums tumšās vielas modeļiem. Galaktikas rotāciju nosaka kopējais matēriju daudzums, ko tā satur. Ja tumšā matērija patiešām pastāv, tad kopējais matērijas daudzums ir gan parastās, gan tumšās matērijas summa.
Bet esošā tumšās matērijas teorija paredz, ka jebkura nejauša galaktika var saturēt lielākas vai mazākas tumšās vielas frakcijas. Tātad, kad mēra redzamo masu, jums, iespējams, varētu pietrūkt milzīgas daļas no kopējās masas. Tā rezultātā redzamajai masai vajadzētu būt ļoti sliktam galaktikas kopējās masas (un tādējādi arī rotācijas ātruma) prognozētājam. Galaktikas masa varētu būt līdzīga redzamās (parastās) masai vai arī būt daudz lielāka.
Tādējādi nav pamata gaidīt, ka redzamajai masai vajadzētu būt labam galaktikas rotācijas ātruma prognozētājam. Tomēr tā ir.
Faktiski dokumentā, kas tika izlaists šogad, tumšās vielas skeptiķi izmantoja Tully-Fišera attiecību mērījumus dažādām galaktikām, lai argumentētu pret tumšās vielas hipotēzi un inerces modificētu versiju, piemēram, MOND.
Labāk piemērots tumšajai vielai
Tomēr jūnijā publicētajā dokumentā zinātnieki ir devuši nozīmīgu stimulu tumšās vielas modeļiem. Jaunais darbs ne tikai atkārto iepriekšējo tumšās matērijas modeļa pareģojumu panākumus, bet arī atveido Tully-Fisher attiecības.
Jaunais raksts ir "daļēji analītisks" modelis, kas nozīmē, ka tas ir analītisko vienādojumu un simulācijas apvienojums. Tas imitē tumšās matērijas salipšanu agrīnajā Visumā, kas, iespējams, ir iesējis galaktiku veidošanos, bet ietver arī parastās matērijas mijiedarbību, ieskaitot tādas lietas kā parastās matērijas ieplūšana citā debess ķermenī tās gravitācijas vilkmes, zvaigžņu veidošanās un sildīšanas dēļ. piepildošās gāzes daudzums zvaigžņu un supernovu ietekmē. Rūpīgi noregulējot parametrus, pētnieki varēja labāk saskaņot paredzētās Tully-Fisher attiecības. Aprēķina galvenais ir tas, ka paredzamais griešanās ātrums ietver reālistisku baronu un tumšās vielas attiecības attiecību galaktikā.
Jaunais aprēķins ir svarīgs papildu solis tumšās vielas modeļa validācijā. Tomēr tas nav galavārds. Jebkurai veiksmīgai teorijai jāpiekrīt visiem mērījumiem. Nespēja vienoties nozīmē, ka teorija vai dati ir nepareizi vai vismaz nepilnīgi. Joprojām saglabājas dažas neatbilstības starp prognozēšanu un mērījumiem (piemēram, mazu satelītu galaktiku skaits ap lielajām), taču šis jaunais dokuments dod mums pārliecību, ka turpmākais darbs atrisinās šīs atlikušās neatbilstības. Tumšā matērija joprojām ir spēcīgi pareģojoša Visuma struktūras teorija. Tas nav pilnīgs, un tas ir jāpārbauda, atklājot faktisko tumšās vielas daļiņu. Tātad vēl ir paveicams darbs. Bet šis pēdējais aprēķins ir svarīgs solis pretī dienai, kurā mēs reizi par visām reizēm uzzināsim, vai Visumā patiešām dominē tumšā puse.
