Med all vår förståelse av fysikens lagar och framgången för standardmodellen och allmän relativitet finns det ett antal observerbara fenomen i universum som inte kan förklaras. Universumet är fullt av mysterier, från stjärnbildning till kosmiska strålar med hög energi. Även om vi gradvis upptäcker utrymme för oss själva, vet vi fortfarande inte allt. Vi vet till exempel att mörk materia existerar, men vi vet inte vad dess egenskaper är. Betyder detta att vi ska tillskriva alla okända effekter till manifestationer av mörk materia?
Det finns lika många mysterier om mörk materia som det finns bevis för dess existens. Men att skylla på mörk materia för alla mystiska manifestationer av rymden är inte bara närsynt, utan också fel. Detta är vad som händer när forskare har slut på bra idéer.
Två ljusa stora galaxer i mitten av Coma Cluster, var och en över en miljon ljusår i storlek. Galaxerna i utkanten indikerar att det finns en stor gloria av mörk materia genom hela klustret.
Mörk materia finns överallt i universum. Det rådfrågades först på 1930-talet för att förklara de snabba rörelserna för enskilda galaxer i galaxkluster. Detta beror på att all vanlig materia - materia som består av protoner, neutroner och elektroner - inte räcker för att förklara den totala tyngdkraften. Detta inkluderar stjärnor, planeter, gas, damm, interstellär och intergalaktisk plasma, svarta hål och allt annat vi kan mäta. Bevislinjerna som stöder mörk materia är många och övertygande, som fysikern Ethan Siegel konstaterade.
Mörk materia behövs för att förklara:
- rotationsegenskaper hos enskilda galaxer, - bildandet av galaxer av olika storlek, från gigantiska elliptiska till - galaxer på samma sätt som Vintergatan och små dvärggalaxer nära oss, Kampanjvideo:
- interaktioner mellan par av galaxer, - egenskaper hos kluster av galaxer och galaxkluster i stor skala, - rymdnätverk, inklusive dess trådiga struktur, - spektrum av fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, - De observerade effekterna av gravitationslinser från avlägsna massor.
- den observerade åtskillnaden mellan effekterna av tyngdkraften och närvaron av vanlig materia vid kollisioner mellan galaktiska kluster.
Och i en liten skala av enskilda galaxer och i en skala av hela universum behövs mörk materia.
Att sätta allt detta i sammanhanget med resten av kosmologin, tror vi att varje galax, inklusive vår egen, innehåller en massiv diffus mörk materiahalo som omger den. Till skillnad från stjärnorna, gasen och dammet i vår galax, som oftast finns i skivan, borde den mörka materiens halo vara sfärisk, till skillnad från vanlig (atombaserad) materia "mörk" materia inte när du pressar den … Dessutom bör mörk materia vara tätare nära det galaktiska centrumet och sträcka sig tio gånger längre än stjärnorna i själva galaxen. Slutligen bör det finnas små klumpar av mörk materia i varje gloria.
För att återge hela uppsättningen observationer som listas ovan, liksom andra, bör mörk materia inte ha några andra egenskaper än följande: den ska ha en massa; det måste interagera gravitationsmässigt; den måste röra sig långsamt relativt ljusets hastighet; det bör inte interagera starkt genom andra krafter. Allt. Alla andra interaktioner är mycket begränsade men utesluts inte.
Varför då närhelst en astrofysisk observation görs med ett överskott av en vanlig partikel av en viss typ - fotoner, positroner, antiprotoner - talar människor först och främst om mörk materia?
Tidigare denna vecka publicerade ett team av forskare som studerade källorna till gammastrålning runt pulsarer sina resultat i Science. I sitt arbete försökte de bättre förstå var överskottet av positroner vi observerade kom ifrån. Positroner, antipoder för elektroner, föds vanligtvis på flera sätt: när vanliga partiklar accelereras till tillräckligt höga energier, när de kolliderar med andra partiklar av materia och med produktion av elektron-positronpar enligt Einsteins formel E = mc2. Vi skapar sådana par under fysiska experiment och kan observera skapandet av en positron astrofysiskt, både direkt, i sökandet efter kosmiska strålar och indirekt, i sökandet efter energisignaturen för elektron-positronförintelse.
Dessa astrofysiska positron-signaturer förekommer nära det galaktiska centrumet och riktar sig mot punktkällor som mikrokvasarer och pulsarer belägna i en mystisk region i vår galax, känd som den stora förintelsen, och i en del av en diffus bakgrund vars ursprung är okänt. En sak är säker: vi ser fler positroner än vi förväntar oss att se. Och detta har varit känt länge. PAMELA mätte det, Fermi mätte det, AMS ombord på ISS mätte det. På senare tid mätte HAWC-observatoriet gammastrålar med extremt hög energi, TeV-nivå och visade att de är mycket accelererade partiklar som kommer från mellannivåpulsarer. Men tyvärr räcker det inte för att förklara det observerade överskottet av positroner.
Av någon anledning, med varje mätning av överskottet av positroner, med varje observation av en astrofysisk källa som inte förklarar det, flyter berättelsen till "vi kan inte förklara det, så mörk materia är skyldig." Och detta är dåligt eftersom det finns många möjliga astrofysiska källor som inte kräver något exotiskt, till exempel:
- sekundär produktion av positroner och gammastrålar av andra partiklar, - mikrokvasars eller något annat som matar svarta hål, - mycket unga eller mycket gamla pulser, magnetar, - supernovarester.
Denna lista är inte definitiv, men ger flera exempel på vad som kan skapa detta överskott.
Många som arbetar inom detta område väljer mörk materia, för det skulle vara ett genombrott om mörk materia förstör och producerar gammastrålar och partiklar av vanlig materia. Detta skulle vara ett drömscenario för astrofysiker som jagar mörk materia. Men önsketänkande har aldrig lett till stora upptäckter. Och medan mörk materia oftast presenteras som en förklaring till positronöverskottet är det inte mer troligt än utomjordingarna som förklarar stjärnan Tabby.
Efter att ha frågat Brenda Dingus, huvudutredare för HAWC, om en förklaring, fick Ethan Siegel följande kommentar:
”Det finns utan tvekan andra källor till positroner. Men positrons avviker inte långt från sina källor, och det finns inte många källor i närheten. De två bästa kandidaterna upptäcktes av HAWC och vi vet nu antalet positroner de producerar. Vi vet också hur dessa positroner skiljer sig från sina källor; långsammare än väntat. Även om vi har bekräftat källorna till positroner i närheten, har vi upptäckt att positroner är mycket långsamma att flytta från sin plats och därför inte skapar ett överskott av positroner på jorden. Genom att eliminera en möjlighet gör vi andra möjligheter mer sannolika. Detta betyder dock inte att positroner MÅSTE kommer från mörk materia. Vi menar det inte."
Det är anmärkningsvärt att positronerna i HAWC-data endast står för 1% av de positroner som observerats i andra experiment, och pekar på något annat som dagens hjälte. När en observation görs som strider mot våra traditionella idéer, som med ett överskott av astrofysiska positroner, bör det inte uteslutas att mörk materia kan vara inblandad. Men det är mycket mer troligt att andra astrofysiska processer förklarar dessa effekter. När ett mysterium dyker upp i vetenskapen vill alla ha en revolution, men oftare än inte får de något vanligt.
Ilya Khel
