Don Lincoln, ABD Enerji Bakanlığı'nın Amerika'nın en büyük Büyük Hadron Çarpıştırıcısı araştırma kurumu olan Fermilab'da kıdemli bir bilim insanıdır. Ayrıca "Büyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Bozonunun Sıradışı Hikayesi ve Aklınızı Başınızdan Sürecek Diğer Şeyler" de dahil olmak üzere halk için bilim hakkında yazıyor (Johns Hopkins University Press, 2014). Onu Facebook'ta takip edebilirsiniz. Lincoln bu makaleye Live Science'ın Uzman Sesleri: Op-Ed & Insights'a katkıda bulundu.
Bilim meraklısı birçok insan, evrenin sadece Carl Sagan'ın sık sık sözde "milyarlarca ve milyarlarca" galaksisinden değil, aynı zamanda karanlık madde olarak adlandırılan çok sayıda görünmez bir maddeden oluştuğunu kabul ediyor. Bu garip maddenin elektromanyetizma ya da güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerle etkileşime girmeyen yeni bir tür atom altı parçacık olduğu düşünülmektedir. Karanlık madde de evrende sıradan atom maddelerinden beş kat daha yaygındır.
Ancak gerçek şu ki, karanlık maddenin varlığı henüz kanıtlanmamıştır. Karanlık madde hala oldukça iyi desteklenen bir hipotezdir. Herhangi bir bilimsel teori tahminlerde bulunmak zorundadır ve eğer doğruysa, yaptığınız ölçümler tahminlerle örtüşmelidir. Aynı şey karanlık madde için de geçerli. Örneğin, karanlık madde teorileri galaksilerin ne kadar hızlı döndüğünü tahmin ediyor. Ancak, şimdiye kadar, düşük kütle gökadalarının merkezindeki ayrıntılı karanlık madde dağılımından yapılan ölçümler bu tahminlerle örtüşmüyordu.
Yakın zamanda yapılan bir hesaplama bunu değiştirdi. Hesaplama, bir galaksinin görünür veya sıradan maddesini dönme hızıyla karşılaştıran Tully-Fisher ilişkisinin muamelesinin çözülmesine yardımcı olur. Çok basit bir ifadeyle, bilim adamları sarmal bir galaksinin ne kadar büyük (ve dolayısıyla daha parlak) olduğunu, daha hızlı döndüğünü keşfettiler.
Ancak karanlık madde varsa, bir galaksinin ne kadar "büyük" olduğu sadece görünür maddesi ile değil, karanlık maddesi ile de belirlenmelidir. Büyük bir denklem parçası - karanlık madde miktarı - eksik olduğunda, Tully-Fisher ilişkisi devam etmemelidir. Ve yine de öyle. Bu ilişkiyi mevcut karanlık madde teorisi ile uzlaştırmanın herhangi bir yolunu hayal etmek zordu. Şimdiye kadar.
Karanlık madde kökenleri
Karanlık madde gibi bir şeye ihtiyaç duyulabilecek ilk mürekkeplemeler 1932'ye kadar uzanıyor. Hollandalı gökbilimci Jan Oort, Samanyolu'ndaki yıldızların yörünge hızlarını ölçtü ve galaksinin gözlemlenen kütlesi tarafından açıklanmak için çok hızlı hareket ettiklerini buldu.
Yıldızlar ana gökadalarını neredeyse dairesel yollarda yörüngede toplarlar ve yerçekimi yıldızları bu yörüngelerde tutan güçtür. Newton'un denklemleri, yıldızları dairesel bir yolda hareket ettiren kuvvetin F (dairesel), yıldızdaki yerçekimi, F (yerçekimi) nedeniyle kuvvete eşit olması gerektiğini, aksi takdirde yıldızın uzaya uçacağını veya galaksinin merkezi. Lise fiziğini hatırlayanlar için F (dairesel) bir atalet ifadesidir ve sadece Newton'un F = ma'sıdır. F (yerçekimi) Newton'un evrensel yerçekimi yasasıdır.
Gökadaların merkezine yakın olan Rubin ve Ford, F (dairesel) 'nin beklendiği gibi kabaca F (yerçekimi)' ye eşit olduğunu buldular. Ancak galaksilerin merkezinden uzakta, denklemin iki tarafı çok iyi eşleşmedi. Ayrıntılar gökadadan gökadaya değişirken, gözlemleri esasen evrenseldi.
Böyle dramatik bir tutarsızlığın açıklanması gerekiyor. Gökadaların merkezine yakın, Rubin ve Ford'un ölçümleri teorinin işe yaradığı anlamına gelirken, daha büyük yörünge mesafelerindeki tutarsızlık, mevcut teorilerin açıklayamayacağı bir şey olduğu anlamına geliyordu. Onların görüşleri ya ataletin nasıl çalıştığını anlamadığımızı (örneğin, F (dairesel)) ya da yerçekiminin nasıl çalıştığını (örneğin, F (yerçekimi)) anlamadığımızı ortaya koydu. Üçüncü bir olasılık, eşittir işaretinin yanlış olması, yani denklemin içermediği başka bir kuvvet veya etkinin olmasıdır. Tek olasılıklar bunlardı.
Tutarsızlıkları açıklama
Rubin ve Ford'un orijinal çalışmasından bu yana geçen 40 yıl içinde, bilim adamları buldukları galaktik rotasyon tutarsızlıklarını açıklamaya çalışmak için birçok teoriyi test ettiler. Fizikçi Mordehai Milgrom, "değiştirilmiş Newton dinamikleri" veya MOND adı verilen bir atalet değişikliği önerdi. İlk haliyle, çok düşük ivmelerde Newton'un F = ma denkleminin işe yaramadığı varsayıldı.
Diğer fizikçiler yerçekimi yasalarında değişiklik önerdi. Einstein'ın genel göreliliği burada yardımcı olmaz, çünkü bu alanda Einstein ve Newton'un tahminleri esasen aynıdır. Atom altı parçacıklar kullanarak yer çekimini tanımlamaya çalışan kuantum yerçekimi teorileri de aynı nedenin açıklaması olamaz. Bununla birlikte, Newton yerçekiminden farklı galaktik veya ekstragalaktik ölçekler üzerinde tahminler yapan yerçekimi teorileri vardır. Yani, bunlar seçenekler.
Sonra yeni güçlerin var olduğuna dair tahminler var. Bu fikirler, yerçekimi, elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin ötesinde bir kuvvet anlamına gelen "beşinci kuvvet" adı altında toplanmıştır.
Son olarak, karanlık madde teorisi vardır: Işıkla hiç etkileşmeyen, ancak yerçekimi çeken, evrene nüfuz eden bir tür madde.
Galaktik rotasyon ölçümleri sahip olduğumuz tek veriyse, bu farklı teoriler arasında seçim yapmak zor olabilir. Sonuçta, her bir teoriyi galaktik rotasyon problemini çözmek için değiştirmek mümkün olabilir. Ancak şimdi, en makul teoriyi tanımlamaya yardımcı olabilecek birçok farklı fenomene dair birçok gözlem var.
Birincisi, büyük gökada kümelerindeki gökadaların hızıdır. Galaksiler, kümelerin birbirine bağlı kalması için çok hızlı hareket ediyor. Başka bir gözlem çok uzak galaksilerden gelen ışıktır. Bu çok uzak antik galaksilerin gözlemleri, daha yakın gökada kümelerinin yerçekimi alanlarından geçerek ışıklarının bozulduğunu göstermektedir. Ayrıca, evrenin doğuşunu oluşturan kozmik mikrodalga arka planındaki küçük tekdüzeliklerin çalışmaları da vardır. Tüm bu ölçümler (ve daha fazlası) galaktik dönme hızlarını açıklamak için herhangi bir yeni teori ile ele alınmalıdır.
Karanlık maddenin cevaplanmamış soruları
Karanlık madde teorisi, bu ölçümlerin çoğunu tahmin etmede makul bir iş çıkarmıştır, bu yüzden bilim camiasında saygındır. Ancak karanlık madde hala doğrulanmamış bir model. Şimdiye kadar var olduğuna dair tüm kanıtlar dolaylıdır. Karanlık madde varsa, karanlık maddenin Dünya'dan geçerken etkileşimlerini doğrudan gözlemleyebilmeliyiz ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi büyük parçacık hızlandırıcılarında karanlık madde yapabiliriz. Yine de her iki yaklaşım da başarılı olamadı.
Ayrıca, karanlık madde sadece astronomik gözlemlerle değil, hepsiyle aynı fikirde olmalıdır. Karanlık madde şimdiye kadarki en başarılı model olsa da, tamamen başarılı değil. Karanlık madde modelleri, Samanyolu gibi büyük galaksileri çevreleyen gerçekte tespit edilenden daha fazla cüce uydu galaksisini tahmin ediyor. Daha fazla cüce gökada bulunmasına rağmen, karanlık maddenin tahminlerine kıyasla hala çok az şey var.
Bir diğer büyük, açık soru, karanlık maddenin gökadaların parlaklığı ile dönme hızları arasındaki ilişkiyi nasıl etkilediğidir. İlk kez 1977'de sunulan bu ilişkiye Tully-Fisher ilişkisi denir ve bir galaksinin görünür kütlesinin dönme hızı ile iyi korelasyon gösterdiğini defalarca göstermiştir.
Karanlık madde için zorlu zorluklar
Yani, bu arka hikayeyi bitiriyor. Yeni ne var?
Tully-Fisher ilişkisi karanlık madde modelleri için zor bir görevdir. Bir galaksinin dönüşü, içerdiği toplam madde miktarı tarafından yönetilir. Karanlık madde gerçekten varsa, toplam madde miktarı hem sıradan hem de karanlık maddenin toplamıdır.
Ancak mevcut karanlık madde teorisi, herhangi bir rastgele galaksinin daha büyük veya daha küçük karanlık madde parçaları içerebileceğini öngörür. Yani, kişi görünür kütleyi ölçtüğünde, potansiyel olarak toplam kütlenin büyük bir parçasını kaçırmış olabilirsiniz. Sonuç olarak, görünür kütle galaksinin toplam kütlesinin (ve dolayısıyla dönme hızının) çok zayıf bir yordayıcısı olmalıdır. Galaksinin kütlesi, görünür (sıradan) kütleninkine benzer veya çok daha büyük olabilir.
Dolayısıyla, görünür kütlenin galaksinin dönme hızının iyi bir yordayıcısı olmasını beklemek için hiçbir neden yoktur. Yine de öyle.
Aslında, bu yıl yayınlanan bir makalede, karanlık madde şüphecileri, karanlık madde hipotezine karşı tartışmak için çeşitli galaksiler ve MOND gibi değiştirilmiş bir atalet versiyonu için Tully-Fisher ilişkisinin ölçümlerini kullandılar.
Karanlık madde için daha iyi uyum
Bununla birlikte, Haziran ayında yayınlanan bir makalede, bilim adamları karanlık madde modellerine önemli bir destek verdiler. Yeni çalışma sadece karanlık madde modelinin daha önceki tahminlerinin başarılarını değil, aynı zamanda Tully-Fisher ilişkisini de yeniden üretiyor.
Yeni makale "yarı analitik" bir modeldir, yani analitik denklemlerin ve simülasyonun bir kombinasyonu olduğu anlamına gelir. Erken evrende tohumlanmış gökada oluşumuna sahip olabilecek karanlık maddenin kümelenmesini simüle eder, aynı zamanda yerçekimi çekmesi, yıldız oluşumu ve ısınması nedeniyle sıradan maddenin başka bir gök cisimine akması gibi sıradan maddelerin etkileşimini de içerir. yıldız ışığı ve süpernova ile gaz sızması. Parametreleri dikkatlice ayarlayarak, araştırmacılar tahmin edilen Tully-Fisher ilişkisini daha iyi eşleştirebildiler. Hesaplamanın anahtarı, tahmin edilen dönme hızının galaksideki baryonların karanlık maddeye oranı için gerçekçi bir değer içermesidir.
Yeni hesaplama, karanlık madde modelini doğrulamak için önemli bir ek adımdır. Ancak, son söz değil. Başarılı bir teori tüm ölçümlerle uyumlu olmalıdır. Anlaşılamaması, teorinin veya verinin yanlış veya en azından eksik olduğu anlamına gelir. Tahmin ve ölçüm arasındaki birkaç tutarsızlık hala devam etmektedir (büyük olanların etrafındaki küçük uydu gökada sayısı gibi), ancak bu yeni makale, gelecekteki çalışmaların bu kalan tutarsızlıkları çözeceğine dair güven veriyor. Karanlık madde, evrenin yapısı için güçlü bir kestirimci teori olmaya devam etmektedir. Tam değildir ve gerçek karanlık madde parçacığını keşfederek validasyona ihtiyaç duyar. Yani, hala yapılması gereken işler var. Ancak bu en son hesaplama, evrenin gerçekten karanlık tarafın hâkimiyetinde olup olmadığını bir kez ve herkes için bileceğimiz güne doğru önemli bir adımdır.
