Med al vores forståelse af fysikens love og succesen med standardmodellen og generel relativitet er der en række observerbare fænomener i universet, der ikke kan forklares. Universet er fyldt med mysterier, fra stjernedannelse til højenergiske kosmiske stråler. Selvom vi gradvist opdager plads for os selv, ved vi stadig ikke alt. For eksempel ved vi, at der findes mørkt stof, men vi ved ikke, hvad dets egenskaber er. Betyder dette, at vi skal tilskrive alle ukendte effekter til manifestationer af mørkt stof?
Der er lige så mange mysterier om mørkt stof, som der er bevis for dets eksistens. Men at bebrejde mørkt stof for alle de mystiske manifestationer af rummet er ikke kun nærsynet, men også forkert. Dette er, hvad der sker, når forskere løber tør for gode ideer.
To lyse store galakser i centrum af Coma Cluster, hver over en million lysår i størrelse. Galakserne i udkanten indikerer eksistensen af en stor glorie af mørkt stof i hele klyngen.
Mørkt stof findes overalt i universet. Det blev først hørt i 1930'erne for at forklare den hurtige bevægelse af individuelle galakser i galaksehob. Dette skete, fordi alt almindeligt stof - stof, der består af protoner, neutroner og elektroner - ikke er nok til at forklare den samlede tyngdekraft. Dette inkluderer stjerner, planeter, gas, støv, interstellar og intergalaktisk plasma, sorte huller og alt andet, vi kan måle. Bevislinjerne, der understøtter mørkt stof, er talrige og overbevisende, som fysikeren Ethan Siegel bemærkede.
Mørkt stof er nødvendigt for at forklare:
- rotationsegenskaber for individuelle galakser
- dannelsen af galakser i forskellige størrelser, fra kæmpe elliptiske til - galakser på størrelse med Mælkevejen og små dværgalakser i nærheden af os
Salgsfremmende video:
- samspil mellem par galakser
- egenskaber ved klynger af galakser og galaksehobe i stor skala
- rumnetværk, herunder dets trådformede struktur
- spektrum af kosmiske mikrobølges baggrundsudsving
- de observerede virkninger af gravitationslinser fra fjerne masser
- den observerede adskillelse mellem virkningerne af tyngdekraften og tilstedeværelsen af almindeligt stof i kollisioner med galaktiske klynger.
Og i en lille skala af individuelle galakser og på en skala fra hele universet er det nødvendigt med mørkt stof.
Når vi sætter alt dette i sammenhæng med resten af kosmologien, tror vi, at enhver galakse, inklusive vores egen, indeholder en massiv diffus mørk stof-glorie, der omgiver den. I modsætning til stjernerne, gas og støv i vores galakse, som for det meste befinder sig på disken, skal det mørke stof halo være kugleformet, i modsætning til almindeligt (atombaseret) stof "mørkt stof" ikke "flader", når du klemmer det … Også mørkt stof skal være tættere i det galaktiske centrum og strække sig ti gange længere end stjernerne i selve galaksen. Endelig skal der være små klumper af mørkt stof i hver glorie.
For at gengive det fulde sæt af observationer, der er anført ovenfor, såvel som andre, bør mørkt stof ikke have andre egenskaber end følgende: det skal have en masse; det skal interagere gravitationsmæssigt; den skal bevæge sig langsomt i forhold til lysets hastighed; det skal ikke interagere stærkt gennem andre kræfter. Alle. Andre interaktioner er meget begrænsede, men ikke udelukket.
Hvorfor så når der foretages en astrofysisk observation med et overskud af en almindelig partikel af en bestemt type - fotoner, positroner, antiprotoner - taler folk først og fremmest om mørkt stof?
Tidligere på ugen offentliggjorde et team af forskere, der studerede gamma-strålekilder omkring pulsarer, deres fund i Science. I deres arbejde forsøgte de bedre at forstå, hvor overskuddet af positroner, vi observerede, kom fra. Positoner, antipoder for elektroner, fødes normalt på flere måder: når almindelige partikler accelereres til tilstrækkelig høje energier, når de kolliderer med andre stofpartikler og med produktionen af elektron-positronpar i henhold til Einstein-formlen E = mc2. Vi skaber sådanne par i løbet af fysiske eksperimenter og kan observere skabelsen af en positron astrofysisk, både direkte i søgen efter kosmiske stråler og indirekte i søgen efter energisignaturen ved elektron-positron-udslettelse.
Disse astrofysiske positron-signaturer forekommer nær det galaktiske centrum og målretter mod punktkilder såsom mikrokvasarer og pulsarer placeret i en mystisk region i vores galakse kendt som den store udsletter og i en del af en diffus baggrund, hvis oprindelse ikke er kendt. En ting er sikkert: vi ser flere positroner, end vi forventer at se. Og dette har været kendt i lang tid. PAMELA målte det, Fermi målte det, AMS ombord på ISS målte det. For nylig målte HAWC-observatoriet gammastråler med ekstremt høj energi, TeV-niveau og viste, at de er stærkt accelererede partikler, der kommer fra mid-level-pulser. Men desværre er dette ikke nok til at forklare det observerede overskud af positroner.
Af en eller anden grund, med hver måling af overskuddet af positroner, med enhver observation af en astrofysisk kilde, der ikke forklarer det, strømmer fortællingen ind i "vi kan ikke forklare det, så mørkt stof er skylden." Og dette er dårligt, fordi der er mange mulige astrofysiske kilder, der ikke kræver noget eksotisk, for eksempel:
- sekundær produktion af positroner og gammastråler fra andre partikler
- mikrokvasarer eller andet, der fodrer sorte huller
- meget unge eller meget gamle pulsarer, magnetarer, - supernova rester.
Denne liste er ikke endelig, men giver flere eksempler på, hvad der kan skabe dette overskud.
Mange mennesker, der arbejder inden for dette felt, vælger mørkt stof, fordi det ville være et gennembrud, hvis mørkt stof ødelægger og producerer gammastråler og partikler af almindeligt stof. Dette ville være et drømmescenarie for astrofysikere, der jager efter mørkt stof. Men ønsketænkning har aldrig ført til store opdagelser. Og mens mørkt stof oftest præsenteres som en forklaring på positronoverskuddet, er det ikke mere sandsynligt end udlændinge, der forklarer stjernen Tabby.
Efter at have bedt Brenda Dingus, hovedforsker for HAWC, om en forklaring, modtog Ethan Siegel følgende kommentar:
”Der er utvivlsomt andre kilder til positroner. Men positroner afviger ikke langt fra deres kilder, og der er ikke mange kilder i nærheden. De to bedste kandidater blev opdaget af HAWC, og vi kender nu antallet af positroner, de producerer. Vi ved også, hvordan disse positroner diffunderer fra deres kilder; langsommere end forventet. Selvom vi har bekræftet kilderne til positroner i nærheden, har vi opdaget, at positroner er meget langsomme til at bevæge sig væk fra deres oprindelsessted og derfor ikke skaber et overskud af positroner på jorden. Ved at eliminere en mulighed gør vi andre muligheder mere sandsynlige. Dette betyder dog ikke, at positroner SKAL komme fra mørkt stof. Vi mener det ikke."
Bemærkelsesværdigt udgør positronerne i HAWC-data kun 1% af de positroner, der er observeret i andre eksperimenter, og peger på noget andet som dagens helt. Når der foretages en observation, der er i strid med vores traditionelle ideer, som med et overskud af astrofysiske positroner, bør det ikke udelukkes, at mørkt stof kan være involveret. Men det er meget mere sandsynligt, at andre astrofysiske processer forklarer disse effekter. Når et mysterium dukker op i videnskaben, ønsker alle en revolution, men oftere end ikke får de noget almindeligt.
Ilya Khel