I en ny æra med udbredt forskning af mørkt stof kommer den kontroversielle idé om dens koncentration i tynde diske ud af videnskabelig glemsel
I 1932 tællede den hollandske astronom Jan Oort stjerner i Mælkevejen og fandt, at de var savnet. Baseret på det faktum, at stjerner, der bevæger sig i en cirkel i galakseplanet, hopper op og ned som heste på en karrusel, beregnet Oort, at sagen, der udøver en gravitationseffekt på dem og sætter dem i bevægelse, skal være dobbelt så meget, som han så … Oort antydede, at manglen er opbygget af skjult "mørk materie" og foreslog, at den er koncentreret i disken, hvilket forklarer bevægelsen af stjernerne.
Imidlertid kaldes opdagelsen af mørk stof, som usynlig og ubestemmelig materie, der udgør fem seksedele af universets masse, normalt til den schweizisk-amerikanske astronom Fritz Zwicky, der i 1933 afledte sin eksistens fra de gensidige bevægelser af galakser. Oort var ikke kendt med den begrundelse, at han var på det forkerte spor. I 2000 bestemte forfatterne af nye undersøgelser af Mælkevejen ved hjælp af Oort-metoden, at den "manglende" masse var indeholdt i svage stjerner, gas og støv, og behovet for en mørk disk var ikke længere nødvendigt. Tip fra 80 år siden indikerer, at mørkt stof, uanset hvad det er, danner sfæriske skyer omkring galakser, kaldet "haloer".
Nå, det er i det mindste hvad de fleste mørke stofjægere siger. Men selvom konceptet med den mørke disk har mistet sin popularitet, er det aldrig helt blevet forladt. For nylig har ideen fundet en stor fan af Lisa Randall, en fysikprofessor ved Harvard University, der har løftet diskteorien ud af videnskabelig glemsomhed og skubbet den ind i midten af den galaktiske scene.
Efter at have foreslået deres model i 2013 har Randall og kolleger siden hævdet, at den mørke disk kunne forklare gammastråler fra det galaktiske centrum, den flade fordeling af dværggalakser i bane rundt Andromeda-tågen og Mælkevejen og endda periodiske komet hits og masseudryddelser. arter på jorden. Hun skrev om dette i sin populære videnskabelige bog Dark Matter and the Dinosaurs, der blev udgivet i 2015.
Imidlertid har astrofysikere, der fortæller Mælkevejen, protesteret og argumenteret for, at den samlede masse af galaksen og hoppene fra dens stjerner stemmer for godt og ikke giver plads til en mørk disk. "Det er meget strammere end Lisa Randall tror," siger astrofysiker Jo Bovy fra University of Toronto.
Nu slår Randall, der har udviklet en række store ideer om kritiske spørgsmål i grundlæggende fysik, tilbage. I et papir, der blev sendt online i sidste uge og accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal, fandt Randall og hendes studerende Eric Kramer et diskformet smuthul i deres analyse af Mælkevejen:”Der er en vigtig detalje, som vi stadig har har ikke været opmærksom endnu, skriver de. "Disken kan skabe plads for sig selv."
Hvis en mørk disk passerer gennem galakseens midplan, Randall og Kramer argumenterer, trækker tyngdekraften resten af sagen indad, hvilket fører til en stigning i tætheden af stjerner, gas og støv i midtplanen. Forskere beregner normalt den totale tilsyneladende masse af Mælkevejen ved at ekstrapolere udad baseret på massefladens densitet. Hvis der er en indskrænkende virkning, vil denne ekstrapolering føre til en overdrivelse af den tilsyneladende masse, og så vil der være en følelse af, at massen svarer til stjernenes bevægelse. Af denne grund har forfatterne af tidligere undersøgelser ikke set tegn på en mørk disk, siger Kramer. Sammen med Randall mener de, at en tynd mørk disk er mulig, og at dens tilstedeværelse på nogle måder foretrækkes frem for dens fravær.
Salgsfremmende video:
”Lisas arbejde har genoplivet denne forretning,” siger Chris Flynn fra Swinburne University of Technology i Melbourne, Australien. Han sammen med Johan Holmberg (Johan Holmberg) i de tidlige 2000'ere gennemførte adskillige "inventar" af Mælkevejen, som syntes at ødelægge alle mulighederne for en mørk disk fuldstændigt.
Bowie er uenig. Selv hvis vi tager højde for den indskrænkende virkning, kan ifølge hans skøn højst 2% af den samlede mængde mørkt stof være på den mørke disk, mens resten af sagen skal danne en glorie.”Jeg tror, at de fleste mennesker vil finde ud af, hvad 98% af mørk stof er, ikke 2%,” siger han.
Denne debat, ligesom den mørke skives skæbne, kan snart blive løst. Det europæiske rumfartsagenturs Gaia-satellit teleskoperer i øjeblikket positionerne og hastighederne for en milliard stjerner, og et endeligt register over Mælkevejen kunne være afsluttet ved udgangen af næste sommer.
Ung galakse klynge Abell 2151 i stjernebilledet Hercules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / digitaliseret himmelundersøgelse 2
Åbning af en mørk disk i alle størrelser ville være yderst afslørende. Hvis det findes, vil mørk stof vise sig at være meget mere kompleks, end forskere længe har troet. Materiale samles kun i en diskform, hvis det har evnen til at udsende energi, og den bedste måde at udsende nok energi på er at danne atomer. Eksistensen af mørke atomer ville betyde, at mørke protoner og mørke elektroner, ladet som synlige protoner og elektroner, interagerer med hinanden gennem den mørke kraft, der overføres af mørke fotoner. Selv hvis 98% af mørkt stof er inert og danner en glorie, ville eksistensen af den tyndeste mørke disk betyde tilstedeværelsen af en "mørk sektor" af ukendte partikler, så forskellige som det synlige univers.
”Almindelige anliggender er ret komplicerede; der er stof, der spiller en rolle i atomer, og der er stof, der ikke spiller, siger astrofysikeren ved University of California, Irvine, James Bullock. "Derfor ville det ikke være skørt at forestille sig, at de andre fem-seksendedele af sagen i Universet også er ret komplicerede, og at der er en bestemt del af denne mørke sektor, der findes i form af bundne atomer."
Begrebet kompleksitet af mørkt stof har for nylig fundet flere og flere tilhængere, hjulpet af astrofysiske afvigelser, som ikke rigtig passer til ideen om mørk stof som passive, langsomme og "svagt interagerende massive partikler." Disse afvigelser såvel som det faktum, at der i løbet af detaljerede eksperimenter i forskellige lande i verden aldrig blev fundet så tunge svagt interagerende partikler (WIMP'er), svækkede denne teori og markerede begyndelsen på en ny æra, hvor alle kan spekulere i, at det er for et sådant dyr - mørkt stof.
Denne æra kom engang i 2008, hvor deltagerne i PAMELA-eksperimentet opdagede et overskud af positroner, der kom fra rummet (sammenlignet med elektroner). Denne asymmetri har skabt interesse for den nu populære "asymmetriske mørke stof" -model foreslået af Kathryn Zurek og hendes kolleger. Der var få ideer i omløb på det tidspunkt, bortset fra begrebet wimps.”Der var modeller som mig, der forstod, at ideen om mørk stof var fuldstændig underudviklet i denne retning,” siger Tsurek, der nu arbejder på National Laboratory. Lawrence Berkeley i Californien.”Så vi dykkede dybt ind i dette arbejde.”
Densiteten af dværg galakser var en anden stimulans. Når forskere forsøger at simulere deres dannelse, har dværg galakser en tendens til at være for tæt på deres centre, medmindre forskere antager, at mørke stofpartikler kan interagere med hinanden ved hjælp af mørke kræfter. Men hvis vi tilføjer for stærk interaktion her, ødelægger vi modellerne for strukturdannelse i det tidlige univers.
”Vi prøver at finde ud af, hvad der kan tolereres,” siger Bullock, der også designer disse modeller. De fleste modellerere giver mulighed for svage interaktioner, der ikke påvirker formen på mørke stof-glorie.”Men det, der er bemærkelsesværdigt, er, at der er en klasse af mørkt stof, der giver plader mulighed for at dannes,” siger Bullock. I dette tilfælde interagerer kun en lille brøkdel af partikler med mørkt stof, men de interagerer stærkt nok til at sprede energi og derefter danne skiver.
Randall og hendes kolleger JiJi Fan, Andrey Katz og Matthew Reece i 2013 kom med denne idé på samme måde som Oort. De forsøgte at forklare den tilsyneladende afvigelse fra Mælkevejen. Den såkaldte Fermi-linje er et overskud af gammastråler med en bestemt frekvens, der kommer fra det galaktiske centrum. "Almindelig mørkt stof kunne ikke ødelægge nok til at fremstille Fermi-linjen," siger Randall, "og så vi tænkte, hvad nu hvis det er meget tættere?" Så den mørke disk fik et nyt liv. Fermi-linjen forsvandt, efterhånden som der kom flere data, men diskideen var stadig værd at udforske. I 2014 foreslog Randall og Rees, at det netop var på grund af disken, at der er intervaller på 30-35 millioner år mellem den stigende aktivitet af kometer og meteorer.som nogle forskere forbinder med periodiske masseudryddelser. Hver gang solsystemet springer op eller ned på Mælkevejens glædelige runde, hævder de, kunne gravitationseffekten af disken destabilisere asteroider og kometer i Oort-skyen, et skraldespand i udkanten af vores solsystem opkaldt efter en hollandsk astronom. Disse genstande flyver mod den indre del af solsystemet, og nogle falder til Jorden.
Men Randall og hendes team gjorde kun en forbandelse, og som det viste sig, forkert analyse af, hvor meget plads i den samlede masse af Mælkevejen tilbage for den mørke disk, bedømt af stjernernes bevægelse.”De fremsatte nogle skandaløse udsagn,” sagde Bovey.
Randall, der er kendt blandt sine kammerater for sin vedholdenhed (ifølge Rees), bragte Kramer ind i sagen for at reagere på kritik og”udjævne alle rynker” i analysen, inden Gaias data blev tilgængelige. En ny analyse viste, at når en mørk disk først eksisterede, kunne den ikke være så tæt som hendes team oprindeligt troede. Men der var stadig plads til en tynd mørk disk på grund af dens indskrænkende virkning og den ekstra usikkerhed, der blev forårsaget af stjernernes rene drift i Mælkevejen, der blev observeret.
Chris McKee og kolleger ved University of California i Berkeley har identificeret et nyt problem, som de skrev om i The Astrophysical Journal. McKee mener, at en tynd, mørk disk stadig kunne klemme ind i Mælkevejens masselager. Men denne disk kan være så tynd, at den ganske enkelt kollapser. Med henvisning til forskning fra 1960'erne og 1970'erne skriver McKee og hans kolleger, at diske ikke kan være meget tyndere end disken med synlig gas i Mælkevejen, da de ville kollapse. "Måske har mørkt stof egenskaber, der er forskellige fra egenskaberne ved almindeligt stof og forhindrer dette, men jeg ved ikke, hvad det kunne være," - sagde McKee.
Randall har endnu ikke afværget dette seneste angreb og kalder det "et besværligt spørgsmål, der i øjeblikket undersøges." Hun var også enig i Bowie 'synspunkt - at disken med ladede mørke atomer er ubetydelig sammenlignet med arten af 98% af mørkt stof. Hun undersøger nu muligheden for, at alt mørkt stof kan lades med en enkelt mørk kraft, men på grund af overskydningen af mørke protoner over mørke elektroner, er kun en lille brøkdel bundet i atomer og udført på disken. I dette tilfælde skal disken og glorie være sammensat af de samme elementer, "hvilket ville være mere økonomisk," siger hun. "Vi troede, det kunne udelukkes, men det virkede ikke."
Indtil videre lever den mørke disk videre - som et symbol på alt, hvad der er ukendt om universets mørke side.”Jeg synes, det er meget, meget nyttigt på dette område, at forskellige mennesker ser på forskellige ideer,” siger Bullock. "Fordi vi ikke har nogen idé om, hvad det er - mørk stof, og vi skal være forberedt på en række forskellige muligheder."