I en ny era med utbredd forskning av mörk materia, kommer den kontroversiella idén om dess koncentration i tunna skivor ur vetenskaplig glömska
1932 räknade den nederländska astronomen Jan Oort stjärnor i Vintergatan och fann att de saknades. Baserat på det faktum att stjärnor, som rör sig i en cirkel i galaxens plan, hoppar upp och ner som hästar på en karusell, beräknade Oort att saken som utövar en gravitationseffekt på dem och sätter dem i rörelse borde vara dubbelt så mycket som han såg … Oort antydde att bristen består av dold "mörk materia" och föreslog att den är koncentrerad i skivan, vilket förklarar stjärnorna.
Emellertid kallas upptäckten av mörk materia, som osynlig och obestämd materia, som utgör fem sjättedelar av universumets massa, vanligtvis till den schweizisk-amerikanska astronomen Fritz Zwicky, som 1933 härledde sin existens från galaxernas ömsesidiga rörelser. Oort var inte välkänd på grund av att han var på fel väg. År 2000 bestämde författarna till nya studier av Vintergatan med hjälp av Oort-metoden att den "saknade" massan fanns i svaga stjärnor, gas och damm, och behovet av en mörk skiva var inte längre nödvändigt. Vinkar från 80 år sedan indikerar att mörk materia, oavsett vad det är, bildar sfäriska moln runt galaxer, kallade "glorier".
Nåväl, det är åtminstone vad de flesta mörka materiejägare säger. Men även om konceptet för den mörka skivan har tappat sin popularitet, har det aldrig övergivits helt. På senare tid har idén hittat ett stort fan av Lisa Randall, en fysikprofessor vid Harvard University, som har lyft diskteorin ur vetenskaplig glömska och drivit den in i centrum av den galaktiska scenen.
Efter att ha föreslagit sin modell 2013 har Randall och kollegor sedan hävdat att den mörka skivan kunde förklara gammastrålar från det galaktiska centrumet, den plana fördelningen av dvärggalaxier i omloppsbana runt Andromedas nebula och Vintergatan, och till och med periodiska kometträffar och massutrotningar. arter på jorden. Hon skrev om detta i sin populärvetenskapliga bok Dark Matter and the Dinosaurs, som publicerades 2015.
Emellertid har astrofysikerna som inventerar Vintergatan protesterat och hävdat att den totala massan av galaxen och hopparna i stjärnorna matchar för bra och lämnar inget utrymme för en mörk skiva. "Det är mycket tätare än Lisa Randall tror," säger universitetet i Toronto astrofysiker Jo Bovy.
Nu slår Randall, som har utvecklat ett antal stora idéer om kritiska frågor inom grundläggande fysik, tillbaka. I ett papper som publicerades online förra veckan och godkänts för publicering i The Astrophysical Journal, hittade Randall och hennes student Eric Kramer ett skivformat kryphål i sin analys av Vintergatan: "Det finns en viktig detalj som vi fortfarande har har inte varit uppmärksam ännu, skriver de. "Skivan kan skapa utrymme för sig själv."
Om en mörk skiva passerar genom galaxens mittplan, Randall och Kramer argumenterar, drar allvar allvarligt ämnet inåt, vilket leder till en ökning av stjärnor, gas och damm i midplanet. Forskare beräknar vanligtvis den totala synbara massan på Vintergatan genom att extrapolera utåt baserat på mellanplanets densitet. Om det finns en sammandragande effekt kommer denna extrapolering att leda till en överdrivning av den uppenbara massan, och då kommer det att vara en känsla av att massan motsvarar stjärnorna. Av denna anledning har författarna till tidigare studier inte sett bevis på en mörk skiva, säger Kramer. Tillsammans med Randall tror de att en tunn mörk skiva är möjlig och att på vissa sätt dess närvaro är att föredra framför dess frånvaro.
Kampanjvideo:
"Lisas arbete har återupplivat denna verksamhet," säger Chris Flynn från Swinburne University of Technology i Melbourne, Australien. Han, tillsammans med Johan Holmberg (Johan Holmberg) i början av 2000-talet, genomförde flera "inventeringar" av Vintergatan, som tycktes helt förstöra alla möjligheter för existensen av en mörk skiva.
Bowie håller inte med. Även om vi tar hänsyn till den sammandragande effekten kan enligt hans uppskattning inte mer än 2% av den totala mängden mörk materia vara på den mörka skivan, medan resten av saken bör bilda en gloria. "Jag tror att de flesta vill ta reda på vad 98% av mörk materia är, inte 2%," säger han.
Denna debatt, liksom den mörka skivans öde, kan snart lösas. Europeiska rymdbyråns Gaia-satellit teleskoperar för närvarande positionerna och hastigheterna för en miljard stjärnor, och ett slutgiltigt register över Vintergatan skulle kunna slutföras i slutet av nästa sommar.
Unga galaxkluster Abell 2151 i stjärnbilden Hercules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitaliserad Sky Survey 2
Att öppna en mörk skiva i alla storlekar skulle vara extremt avslöjande. Om det existerar, kommer mörk materia att visa sig vara mycket mer komplex än forskare länge har trott. Matter samlas i en skivform endast om det har förmågan att släppa ut energi, och det bästa sättet att släppa ut tillräckligt med energi är att bilda atomer. Förekomsten av mörka atomer skulle innebära att mörka protoner och mörka elektroner, laddade som synliga protoner och elektroner, interagerar med varandra genom den mörka kraften som överförs av mörka fotoner. Även om 98% av mörk materia är inert och bildar en gloria, skulle existensen av den tunnaste mörka skivan innebära närvaron av en "mörk sektor" av okända partiklar, lika varierande som det synliga universum.
”Vanliga frågor är ganska komplicerade; det finns ämne som spelar en roll i atomer, och det är ämne som inte spelar, säger astrofysiker vid University of California, Irvine, James Bullock. "Därför vore det inte galen att föreställa sig att de andra fem-sjättedelarna av saken i universum också är ganska komplicerade, och att det finns en viss del av denna mörka sektor som finns i form av bundna atomer."
Begreppet komplexiteten hos mörk materia har nyligen funnit fler och fler anhängare, hjälpt av astrofysiska avvikelser som inte riktigt passar idén om mörk materia som passiva, långsamma och "svagt samverkande massiva partiklar." Dessa avvikelser, liksom det faktum att under detaljerade experiment i olika länder i världen så tunga svagt samverkande partiklar (WIMP) aldrig upptäcktes, försvagades denna teori och markerade början på en ny era där vem som helst kan spekulera i att det är för ett sådant djur - mörk materia.
Den här eran kom någon gång 2008, då deltagarna i PAMELA-experimentet upptäckte ett överskott av positroner från rymden (jämfört med elektroner). Denna asymmetri har drivit intresset för den nu populära "asymmetriska mörka materien" -modellen som föreslagits av Kathryn Zurek och hennes kollegor. Det fanns få idéer i omlopp då, annat än begreppet wimps. "Det var modellerare som jag som förstod att idén om mörk materia var helt underutvecklad i denna riktning," säger Tsurek, som nu arbetar på National Laboratory. Lawrence Berkeley i Kalifornien. "Så vi dök in i detta arbete huvudlångt."
Densiteten hos dvärg galaxer var en annan stimulans. När forskare försöker simulera sin bildning tenderar dvärggalaxier att vara för täta i sina centra om inte forskare antar att partiklar av mörk materia kan interagera med varandra med hjälp av mörka krafter. Men om vi lägger till för stark interaktion här, förstör vi modellerna för strukturbildning i det tidiga universum.
"Vi försöker ta reda på vad som kan tolereras," säger Bullock, som också designer dessa modeller. De flesta modellerare möjliggör svaga interaktioner som inte påverkar formen på den mörka materiehalogen. "Men det som är anmärkningsvärt är att det finns en klass av mörk materia som låter skivor bildas," säger Bullock. I detta fall kommer bara en liten del av partiklar av mörk materia att interagera, men de kommer att samverka tillräckligt starkt för att sprida energi och sedan bilda skivor.
Randall och hennes kollegor JiJi Fan, Andrey Katz och Matthew Reece kom på idén 2013 på samma sätt som Oort. De försökte förklara mjölkvägens uppenbara avvikelse. Den så kallade Fermi-linjen är ett överskott av gammastrålar med en viss frekvens som kommer från det galaktiska mitten. "Vanlig mörk materia kunde inte förstöra nog för att producera Fermi-linjen," säger Randall, "och så vi tänkte, vad händer om det är mycket tätare?" Så den mörka skivan fick ett nytt liv. Fermi-linjen försvann när mer data kom fram, men diskidén var fortfarande värd att utforska. 2014 föreslog Randall och Rees att det var just på grund av disken att det finns intervall på 30-35 miljoner år mellan den ökande aktiviteten hos kometer och meteorer.som vissa forskare förknippar med periodiska massförlängningar. Varje gång solsystemet studsar upp eller ner på Vintergatens glädje-runda, hävdar de, kan gravitationseffekten av skivan destabilisera asteroider och kometer i Oort-molnet, en dumpning i utkanten av vårt solsystem uppkallad efter en holländsk astronom. Dessa objekt flyger mot den inre delen av solsystemet och några faller till jorden.
Men Randall och hennes team gjorde bara ett flertal, och som det visade sig, är felaktig analys av hur mycket utrymme i mjölkvägens totala massa kvar för den mörka skivan, enligt bedömningen av stjärnorna. "De gjorde några skandalösa uttalanden," sade Bovey.
Randall, känd bland sina kamrater för sin uthållighet (enligt Rhys), tog Kramer in i fallet för att svara på kritik och "stryka ut alla rynkor" i analysen innan Gaias data blev tillgängliga. En ny analys visade att när en mörk disk fanns, den inte kunde vara så tät som hennes team ursprungligen trodde. Men för en tunn mörk skiva hittades fortfarande en plats på grund av dess sammandragande effekt och ytterligare osäkerhet orsakad av den rena drivningen av mjölkstjärnorna, som observeras.
Chris McKee och kollegor vid University of California i Berkeley har identifierat ett nytt problem, som de skrev om i The Astrophysical Journal. McKee tror att en tunn, mörk disk fortfarande kan pressas in i Vintergatan masslagring. Men den här skivan kan vara så tunn att den helt enkelt kollapsar. Med hänvisning till forskning från 1960- och 1970-talet skriver McKee och kollegor att skivorna inte kan vara mycket tunnare än skivan med synlig gas i Vintergatan, eftersom de skulle kollapsa. "Kanske har mörk materia egenskaper som skiljer sig från egenskaperna hos vanlig materia och förhindrar detta, men jag vet inte vad det kan vara," - sa McKee.
Randall har ännu inte avskräckt den senaste attacken och kallade den "en svår fråga som för närvarande studeras." Hon instämde också i den åsikt som Bowie uttryckte - att disken med laddade mörka atomer är obetydlig jämfört med karaktären på 98% av mörk materia. Hon undersöker nu möjligheten att all mörk materia kan laddas med en enda mörk kraft, men på grund av överskottet av mörka protoner över mörka elektroner, är bara en liten bråkdel bunden i atomer och utförs på disken. I det här fallet måste disken och gloria bestå av samma element, "vilket skulle vara mer ekonomiskt", säger hon. "Vi trodde att det kunde uteslutas, men det fungerade inte."
Hittills lever mörkskivan vidare - som en symbol för allt som är okänt om universums mörka sida. "Jag tror att det är mycket, mycket användbart på detta område att olika människor tittar på olika idéer," säger Bullock. "Eftersom vi inte har någon aning om vad det är - mörk materia, och vi måste vara beredda på en mängd olika alternativ."