Don Lincoln je vedoucí vědecký pracovník na americkém ministerstvu energetiky Fermilab, největší americké výzkumné instituci Large Hadron Collider. Píše také o vědě pro veřejnost, včetně svého nedávného „Velkého hadronového srážce: Mimořádný příběh Higgsova bosona a dalších věcí, které vám vyfouknou mysl“ (Johns Hopkins University Press, 2014). Můžete ho sledovat na Facebooku. Lincoln přispěl tímto článkem do expertních hlasů Live Science: Op-Ed & Insights.
Mnoho vědecky důvtipných lidí považuje za samozřejmé, že vesmír není tvořen pouze často uváděnými „miliardami a miliardami“ galaxií Carla Sagana, ale také obrovským množstvím neviditelné látky zvané temná hmota. Tato podivná hmota je považována za nový druh subatomické částice, která neinteraguje prostřednictvím elektromagnetismu ani silných a slabých jaderných sil. Temná hmota má být také ve vesmíru pětkrát převládající než obyčejná hmota atomů.
Skutečností však je, že existence temné hmoty dosud nebyla prokázána. Temná hmota je stále hypotéza, i když spíše podporovaná. Jakákoli vědecká teorie musí vytvářet předpovědi, a pokud je to správné, pak by se měření, která děláte, měla shodovat s předpovědi. Totéž platí pro temnou hmotu. Například teorie temné hmoty předpovídají, jak rychle se galaxie otáčejí. Až dosud však měření podrobného rozložení temné hmoty ve středu nízkohmotných galaxií nebyly v souladu s těmito předpovědi.
Nedávný výpočet to změnil. Výpočet pomáhá vyřešit hádanku vztahu Tully-Fisher, která porovnává viditelnou nebo běžnou hmotu galaxie s její rotační rychlostí. Ve velmi zjednodušených termínech vědci zjistili, že čím masivnější (a tedy jasnější) spirální galaxie je, tím rychleji se točí.
Ale pokud existuje temná hmota, jak velká je galaxie, by měla být určena nejen její viditelnou hmotou, ale také její temnou hmotou. S obrovským kusem rovnice - množství temné hmoty - chybí, Tully-Fisherův vztah by neměl vydržet. A přesto ano. Bylo těžké si představit, jak sladit tento vztah s existující teorií temné hmoty. Do teď.
Původ temné hmoty
První inklings, že by mohla být potřeba něco jako temná hmota, sahají až do roku 1932. Holandský astronom Jan Oort změřil orbitální rychlosti hvězd v Mléčné dráze a zjistil, že se pohybují příliš rychle, než aby bylo vysvětleno pozorovanou hmotností galaxie.
Hvězdy obíhají kolem své mateřské galaxie téměř kruhovými cestami a gravitace je síla, která drží hvězdy na těchto orbitách. Newtonovy rovnice předpovídají, že síla, která způsobuje, že se hvězdy pohybují v kruhové dráze, F (kruhová), by se měla rovnat síle způsobené gravitací na hvězdě, F (gravitace), jinak by hvězda odletěla do vesmíru nebo se dostala do střed galaxie. Pro ty, kteří si pamatují fyziku na střední škole, je F (kruhový) výrazem setrvačnosti a je to Newtonův F = ma. F (gravitace) je Newtonův zákon univerzální gravitace.
V blízkosti středu galaxií Rubin a Ford zjistili, že F (kruhový) byl podle očekávání zhruba stejný jako F (gravitace). Ale daleko od středu galaxií se obě strany rovnice příliš dobře neshodovaly. Zatímco detaily se lišily od galaxie k galaxii, jejich pozorování byla v podstatě univerzální.
Takový dramatický rozpor vyžaduje vysvětlení. Měření Rubina a Forda blízko středu galaxií znamenalo, že teorie fungovala, zatímco rozpor ve větších orbitálních vzdálenostech znamenal něco, co se dělo na základě existujících teorií, které nelze vysvětlit. Jejich poznatky odhalily, že buď nechápeme, jak funguje setrvačnost (např. F (kruhový)), nebo nechápeme, jak funguje gravitace (např. F (gravitace)). Třetí možností je, že znaménko rovnosti je špatné, což znamená, že existuje nějaká jiná síla nebo efekt, který rovnice neobsahuje. To byly jediné možnosti.
Vysvětlení nesrovnalostí
Za 40 let od původní práce Rubina a Forda vědci vyzkoušeli mnoho teorií, aby se pokusili vysvětlit nesrovnalosti galaktické rotace, které našli. Fyzik Mordehai Milgrom navrhl změnu setrvačnosti, zvanou „modifikovaná newtonovská dynamika“ nebo MOND. Ve své počáteční podobě předpokládal, že při velmi nízkých zrychleních nefungovala Newtonova rovnice F = ma.
Jiní fyzici navrhli úpravy zákonů gravitace. Einsteinova obecná relativita zde nepomáhá, protože v této oblasti jsou Einsteinovy a Newtonovy předpovědi v podstatě totožné. A teorie kvantové gravitace, které se pokoušejí popsat gravitaci pomocí subatomických částic, nemohou být vysvětlením ze stejného důvodu. Existují však gravitační teorie, které dělají předpovědi na galaktických nebo extragalaktických měřítkách, které se liší od newtonovské gravitace. To jsou možnosti.
Pak existují předpovědi, že existují nové síly. Tyto myšlenky jsou shlukovány pod názvem „pátá síla“, což znamená sílu nad gravitací, elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly.
Konečně je zde teorie temné hmoty: Ten vesmír, který vůbec neinteraguje se světlem, ale přesto působí gravitačním tahem, prostupuje vesmírem.
Pokud by byla měření galaktické rotace jediná data, která máme, mohlo by být obtížné vybrat mezi těmito různými teoriemi. Nakonec by bylo možné vyladit každou teorii, aby se vyřešil problém galaktické rotace. Nyní však existuje mnoho pozorování mnoha různých jevů, které mohou pomoci určit nejvhodnější teorii.
Jednou je rychlost galaxií ve velkých shlucích galaxií. Galaxie se pohybují příliš rychle na to, aby shluky zůstaly svázány. Další pozorování je světlo z velmi vzdálených galaxií. Pozorování těchto velmi vzdálených starověkých galaxií ukazují, že jejich světlo je zdeformováno průchodem gravitačním polem více blízkých shluků galaxií. Existují také studie malých nejednotností kosmického mikrovlnného pozadí, které je rodným výkřikem vesmíru. Všechna tato měření (a mnoho dalších) musí být oslovena každou novou teorií, která vysvětluje rychlosti galaktické rotace.
Nezodpovězené otázky temné hmoty
Teorie temné hmoty odvedla rozumnou práci při předpovídání mnoha z těchto měření, a proto je ve vědecké komunitě respektována. Ale temná hmota je stále nepotvrzeným modelem. Veškerý důkaz o jeho existenci je nepřímý. Pokud existuje temná hmota, měli bychom být schopni přímo pozorovat interakce temné hmoty, když prochází Zemí, a mohli bychom být schopni vyrobit temnou hmotu ve velkých urychlovačích částic, jako je Velký Hadron Collider. A přesto žádný přístup nebyl úspěšný.
Temná hmota by navíc měla souhlasit se všemi, nejen s mnoha, astronomickými pozorováními. Zatímco temná hmota je dosud nejúspěšnějším modelem, není úplně úspěšná. Modely temné hmoty předpovídají více trpasličích satelitních galaxií obklopujících velké galaxie, jako je Mléčná dráha, než je skutečně detekováno. Ačkoli se nachází více trpasličí galaxie, ve srovnání s předpovědi temné hmoty je jich stále příliš málo.
Další velkou, otevřenou otázkou je, jak temná hmota ovlivňuje vztah mezi jasem galaxií a jejich rotační rychlostí. Tento vztah, který byl poprvé představen v roce 1977, se nazývá Tully-Fisherův vztah a mnohokrát ukázalo, že viditelná hmotnost galaxie dobře koreluje s rychlostí jejího otáčení.
Tvrdé výzvy pro temnou hmotu
Tím se končí zadní příběh. Co je nového?
Vztah Tully-Fisher je pro modely temných hmot těžkou výzvou. Rotace galaxie je řízena celkovým množstvím hmoty, kterou obsahuje. Pokud temná hmota skutečně existuje, pak celkové množství hmoty je součtem obyčejné i temné hmoty.
Existující teorie temné hmoty však předpovídá, že jakákoli náhodná galaxie může obsahovat větší nebo menší zlomky temné hmoty. Takže, když člověk měří viditelnou hmotu, mohl by vám chybět obrovský kus celkové hmoty. V důsledku toho by viditelná hmota měla být velmi špatným prediktorem celkové hmotnosti (a tím i rychlosti otáčení) galaxie. Hmota galaxie by mohla být podobná hmotnosti viditelné (běžné) hmoty nebo by mohla být mnohem větší.
Není tedy důvod očekávat, že viditelná hmota by měla být dobrým prediktorem rychlosti otáčení galaxie. Přesto to je.
Skeptici temné hmoty ve skutečnosti v letošním roce zveřejněném použili měření vztahu Tully-Fisher pro různé galaxie, aby argumentovali proti hypotéze temné hmoty a pro modifikovanou verzi setrvačnosti, jako je MOND.
Lepší pro tmavou hmotu
V červnu zveřejněném článku však vědci výrazně podpořili modely temné hmoty. Nová práce nejenže reprodukuje úspěchy dřívějších předpovědí modelu temné hmoty, ale také reprodukuje vztah Tully-Fisher.
Nový příspěvek je „semi-analytický“ model, což znamená, že se jedná o kombinaci analytických rovnic a simulace. Simuluje shlukování temné hmoty v časném vesmíru, který mohl naočkovat vznik galaxií, ale také zahrnuje interakci obyčejné hmoty, včetně takových věcí, jako je pád obyčejné hmoty do jiného nebeského těla v důsledku gravitačního tahu, formování hvězd a zahřívání. nafouknutí plynu hvězdným světlem a supernovy. Pečlivým vyladěním parametrů vědci lépe dokázali vyrovnat předpokládaný vztah Tully-Fisher. Klíčem výpočtu je to, že předpokládaná rotační rychlost zahrnuje realistickou hodnotu pro poměr baryonů k temné hmotě v galaxii.
Nový výpočet je důležitým dalším krokem při ověřování modelu temné hmoty. Není to však poslední slovo. Jakákoli úspěšná teorie by měla souhlasit se všemi měřeními. Nesouhlas znamená, že buď teorie, nebo data jsou chybná nebo alespoň neúplná. Několik rozporů mezi predikcí a měřením stále přetrvává (například počet malých satelitních galaxií kolem velkých), ale tento nový dokument nám dává jistotu, že budoucí práce tyto zbývající nesrovnalosti vyřeší. Temná hmota zůstává mocně prediktivní teorií pro strukturu vesmíru. Není úplný a vyžaduje ověření objevením skutečné částice temné hmoty. Stále tedy zbývá pracovat. Tento poslední výpočet je však důležitým krokem ke dni, kdy budeme vědět jednou provždy, pokud ve vesmíru skutečně vládne temná strana.
