Don Lincoln este un om de știință principal la Fermilab, Departamentul de Energie al Statelor Unite, cea mai mare instituție de cercetare a colizorului de Hadroni din America. De asemenea, scrie despre știință pentru public, inclusiv recentul său „The Big Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014). Îl poți urma pe Facebook. Lincoln a contribuit cu acest articol la Live Voice's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Mulți oameni experimentați științific consideră că universul este format nu doar din „miliarde și miliarde” de galaxii, citate de Carl Sagan, ci și o mare cantitate de substanță invizibilă numită materie întunecată. Această materie ciudată este considerată un nou tip de particule subatomice care nu interacționează prin electromagnetism și nici forțele nucleare puternice și slabe. De asemenea, se presupune că materia întunecată este de cinci ori mai răspândită în univers decât materia obișnuită a atomilor.
Cu toate acestea, realitatea este că existența materiei întunecate nu a fost încă dovedită. Materia întunecată este încă o ipoteză, deși una destul de bine susținută. Orice teorie științifică trebuie să facă predicții și, dacă este corect, atunci măsurătorile pe care le faceți ar trebui să se alinieze cu predicțiile. Același lucru este valabil și pentru materia întunecată. De exemplu, teoriile materiei întunecate fac predicții despre rotirea galaxiilor rapide. Dar, până în prezent, măsurătorile făcute cu distribuția detaliată a materiei întunecate în centrul galaxiilor cu masă scăzută nu se potrivesc cu aceste predicții.
Un calcul recent a schimbat asta. Calculul ajută la rezolvarea conundrului relației Tully-Fisher, care compară materia vizibilă sau obișnuită a unei galaxii cu viteza de rotație a acesteia. În termeni foarte simplificați, oamenii de știință au descoperit că cu cât este mai masivă (și, prin urmare, mai strălucitoare) o galaxie spirală, cu atât se învârte mai repede.
Dar, dacă materia întunecată există, cât de „mare” este o galaxie ar trebui să fie determinată nu doar de materia vizibilă, ci și de materia întunecată. Cu o bucată uriașă a ecuației - cantitatea de materie întunecată - lipsește, relația Tully-Fisher nu ar trebui să țină. Și totuși, așa face. Era greu de imaginat vreo modalitate de a reconcilia această relație cu teoria existentă a materiei întunecate. Pana acum.
Originile materiei întunecate
Primele idei că ar putea fi nevoie de ceva asemănător cu materia întunecată se întorc în 1932. Astronomul olandez Jan Oort a măsurat viteza orbitală a stelelor din Calea Lactee și a descoperit că s-au mișcat prea repede pentru a fi explicate de masa observată a galaxiei.
Stelele își orbitează galaxia părintească pe căi aproape circulare, iar gravitația este forța care deține stelele pe aceste orbite. Ecuațiile lui Newton prezic că forța care face ca stelele să se miște pe o cale circulară, F (circular), ar trebui să egaleze forța datorată gravitației pe stea, F (gravitație), altfel steaua ar zbura în spațiu sau ar cădea în centrul galaxiei. Pentru cei care își amintesc fizica liceului, F (circular) este o declarație de inerție și este doar F = ma Newton. F (gravitația) este legea gravitației universale a lui Newton.
Aproape de centrul galaxiilor, Rubin și Ford au descoperit că F (circular) era aproximativ egal cu F (gravitația), așa cum era de așteptat. Dar, departe de centrul galaxiilor, cele două părți ale ecuației nu s-au potrivit prea bine. În timp ce detaliile variau de la galaxia la galaxie, observațiile lor erau în esență universale.
O astfel de discrepanță dramatică are nevoie de explicații. Aproape de centrul galaxiilor, măsurările lui Rubin și Ford au însemnat că teoria funcționează, în timp ce discrepanța la distanțe orbitale mai mari însemna că se întâmplă ceva pe care teoriile existente nu le pot explica. Perspectivele lor au relevat că fie nu înțelegem cum funcționează inerția (de exemplu, F (circular)), fie nu înțelegem cum funcționează gravitația (de exemplu, F (gravitația)). O a treia posibilitate este ca semnul egal să fie greșit, ceea ce înseamnă că există o altă forță sau efect pe care ecuația nu include. Acestea au fost singurele posibilități.
Explicarea discrepanțelor
În cei 40 de ani de la lucrarea inițială a lui Rubin și Ford, oamenii de știință au testat multe teorii pentru a încerca să explice discrepanțele de rotație galactică pe care le-au găsit. Fizicianul Mordehai Milgrom a propus o modificare a inerției, numită „dinamică newtoniană modificată” sau MOND. În forma sa inițială, el a postulat că la accelerații foarte mici, ecuația lui Newton F = ma nu a funcționat.
Alți fizicieni au sugerat modificări ale legilor gravitației. Relativitatea generală a lui Einstein nu ajută aici deoarece, în acest domeniu, prezicerile lui Einstein și Newton sunt esențiale identice. Și teoriile gravitației cuantice, care încearcă să descrie gravitația folosind particule subatomice, nu pot fi explicația din același motiv. Cu toate acestea, există teorii gravitaționale care fac predicții la scala galactică sau extragalactică care diferă de gravitația newtoniană. Deci, acestea sunt opțiuni.
Apoi există previziuni că există noi forțe. Aceste idei sunt grupate sub denumirea de "a cincea forță", implicând o forță dincolo de gravitate, electromagnetism și forțele nucleare puternice și slabe.
În cele din urmă, există teoria materiei întunecate: Că un tip de materie care nu interacționează deloc cu lumina, dar care exercită o atracție gravitațională, pătrunde în univers.
Dacă măsurările de rotație galactică au fost singurele date pe care le avem, s-ar putea să fie greu de selectat între aceste diferite teorii. La urma urmei, s-ar putea să fie posibilă modificarea fiecărei teorii pentru a rezolva problema rotației galactice. Însă acum există numeroase observații ale multor fenomene diferite care pot ajuta la identificarea celei mai plauzibile teorii.
Unul este viteza galaxiilor din grupurile mari de galaxii. Galaxiile se mișcă prea repede pentru ca grupurile să rămână legate între ele. O altă observație este de lumină din galaxii foarte îndepărtate. Observațiile acestor galaxii antice foarte îndepărtate arată că lumina lor este distorsionată prin trecerea prin câmpurile gravitaționale ale mai multor grupări de galaxii din apropiere. Există, de asemenea, studii privind micile neuniformități ale fundalului microundelor cosmice care este strigătul de naștere al universului. Toate aceste măsurători (și multe altele) trebuie, de asemenea, abordate de orice nouă teorie pentru a explica viteza de rotație galactică.
Întrebările fără răspuns ale materiei întunecate
Teoria materiei întunecate a făcut o treabă rezonabilă pentru a prezice multe dintre aceste măsurători, motiv pentru care este bine respectată în comunitatea științifică. Dar materia întunecată este încă un model neconfirmat. Toate dovezile existenței sale până în prezent sunt indirecte. Dacă materia întunecată există, ar trebui să putem observa în mod direct interacțiunile de materie întunecată pe măsură ce trece prin Pământ și am putea fi capabili să facem materie întunecată în acceleratoarele de particule mari, cum ar fi Colizorul de Hadroni Mari. Și totuși, niciuna dintre abordări nu a avut succes.
În plus, materia întunecată ar trebui să fie de acord cu toate, nu doar cu multe, observații astronomice. Deși materia întunecată este cel mai de succes model de până acum, nu este complet reușită. Modelele de materie întunecată prezic mai multe galaxii pitice din satelit care înconjoară galaxii mari precum Calea Lactee decât sunt detectate de fapt. Deși se găsesc mai multe galaxii pitice, există încă prea puține în comparație cu predicțiile materiei întunecate.
O altă mare întrebare deschisă este modul în care materia întunecată afectează relația dintre luminozitatea galaxiilor și viteza de rotație a acestora. Această relație, care a fost prezentată pentru prima dată în 1977, se numește relația Tully-Fisher și a arătat de nenumărate ori că masa vizibilă a unei galaxii se corelează bine cu viteza de rotație.
Provocări dure pentru materia întunecată
Deci, asta încheie povestea din spate. Ce mai e nou?
Relația Tully-Fisher este o provocare dură pentru modelele de materie întunecată. Rotația unei galaxii este guvernată de cantitatea totală de materie pe care o conține. Dacă materia întunecată există cu adevărat, atunci cantitatea totală de materie este suma atât a materiei obișnuite cât și a celei întunecate.
Dar teoria existentă a materiei întunecate prevede că orice galaxie aleatoare poate conține fracții mai mari sau mai mici de materie întunecată. Deci, atunci când se măsoară masa vizibilă, poate lipsiți o bucată imensă din masa totală. Drept urmare, masa vizibilă ar trebui să fie un predictor foarte slab al masei totale (și, prin urmare, a vitezei de rotație) a galaxiei. Masa galaxiei ar putea fi similară cu cea a masei vizibile (obișnuite) sau ar putea fi mult mai mare.
Astfel, nu există niciun motiv să ne așteptăm ca masa vizibilă să fie un bun predictor al vitezei de rotație a galaxiei. Totuși este.
De fapt, într-o lucrare lansată în acest an, scepticii materiei întunecate au utilizat măsurători ale relației Tully-Fisher pentru o varietate de galaxii pentru a argumenta ipoteza materiei întunecate și pentru o versiune modificată a inerției, cum ar fi MOND.
Mai potrivit pentru materii întunecate
Cu toate acestea, într-o lucrare lansată în iunie, oamenii de știință au oferit un impuls semnificativ modelelor de materie întunecată. Nu numai că noua lucrare reproduce succesele predicțiilor anterioare ale modelului de materie întunecată, ci reproduce și relația Tully-Fisher.
Noua lucrare este un model „semi-analitic”, ceea ce înseamnă că este o combinație de ecuații analitice și simulare. Simulează aglomerarea materiei întunecate în universul timpuriu, care poate avea o formare de galaxii însămânțate, dar include și interacțiunea materiei obișnuite, inclusiv lucruri precum infalarea materiei obișnuite într-un alt corp ceresc datorită atracției sale gravitaționale, formării stelelor și încălzirii a gazelor infilmate de lumina stelelor și supernovele. Prin ajustarea atentă a parametrilor, cercetătorii au fost mai capabili să se potrivească relației preconizate Tully-Fisher. Cheia calculului este că viteza de rotație prevăzută include o valoare realistă pentru raportul dintre baroni și materia întunecată din galaxie.
Noul calcul este un pas suplimentar important în validarea modelului de materie întunecată. Cu toate acestea, nu este ultimul cuvânt. Orice teorie de succes ar trebui să fie de acord cu toate măsurătorile. Eșecul de acord înseamnă că fie teoria, fie datele sunt greșite, sau cel puțin incomplete. Mai rămân câteva discrepanțe între predicție și măsurare (cum ar fi numărul de galaxii satelite mici în jurul celor mari), dar această nouă lucrare ne oferă încredere că lucrările viitoare vor rezolva aceste discrepanțe rămase. Materia întunecată rămâne o teorie puternic predictivă pentru structura universului. Nu este completă și are nevoie de validare prin descoperirea particulei reale de materie întunecată. Deci, mai este încă de făcut. Dar acest calcul cel mai recent este un pas important spre ziua în care vom ști o dată pentru totdeauna dacă universul este într-adevăr dominat de partea întunecată.
