Ma tunnistan esimesena, et me ei mõista tumedat ainet. Näiteks kui vaatame galaktikat ja loendame kokku kõik kuumad hõõguvad bitid nagu tähed ning gaasi ja tolmu, saame teatud massi. Kui me kasutame massi mõõtmiseks üldse mõnda muud tehnikat, saame selle palju suurema arvu. Nii et loomulik järeldus on, et mitte kõik universumis olevad asjad pole kõik kuumad ja kumavad. Võib-olla mõni, kui see on, teate, tume.
Aga hoia kinni. Kõigepealt peaksime oma matemaatikat kontrollima. Kas oleme kindlad, et me ei saa lihtsalt füüsikat valesti?
Tumeda materjali üksikasjad
Põhiosa tumeaine mõistatusest (ehkki kindlasti mitte ainus ja see on artiklis hiljem oluline) tuleb nn galaktikate pöördekõverate kujul. Kui me jälgime tähtede ringi pöörlemas nende galaktikate keskpunkti ümber, peaksid keskpunktist kaugemal olevad liikuma kõigi õigustega aeglasemalt kui keskusele lähemal olevad. Selle põhjuseks on asjaolu, et suurem osa galaktilisest massist on tuumasse tungitud ja äärepoolseimad tähed on sellest kõigest kaugel ning lihtsa Newtoni gravitatsiooni järgi peaksid nad järgima aeglaseid laisaid orbiite.
Kuid nad ei tee seda.
Selle asemel tiirlevad äärepoolseimad tähed sama kiiresti kui nende linnade nõod.
Kuna see on gravitatsioonimäng, on ainult kaks võimalust. Kas meil läheb raskusjõud valesti või on igas galaktikas leotatud lisateavet nähtamatuid asju. Ja niipalju kui me võime öelda, on meil gravitatsioon väga-väga õige (see on teine artikkel), nii et buum: tumeaine. Midagi hoiab neid vabalt liikuvaid tähti nende galaktikate lõksus, vastasel juhul oleksid nad miljonite aastate eest laiali lennatud nagu kontrolli alt väljuv ring; ergo, seal on terve hulk asju, mida me otseselt ei näe, kuid suudame kaudselt tuvastada.
Raskeks saamine
Aga mis siis, kui see pole lihtsalt gravitatsioonimäng? Lõppude lõpuks on neli põhilist loodusjõudu: tugev tuum, nõrk tuum, gravitatsioon ja elektromagnetism. Kas keegi neist saab mängida seda suurepärast mängu?
Tugev tuuma töötab ainult kümnendates pisikestes aatomi skaalades, nii et see on õige. Ja kedagi ei huvita nõrk tuumaenergia, välja arvatud teatud haruldased lagunemised ja vastastikmõjud, nii et võime ka selle kõrvale panna. Ja elektromagnetism ... noh, ilmselgelt mängivad kiirguse ja magnetväljad rolli galaktilises elus, kuid kiirgus surub alati väljapoole (nii et ilmselt ei aita see kiiresti liikuvate tähtede tagasi hoidmist) ja galaktilised magnetväljad on uskumatult nõrgad (mitte tugevamad kui miljoni enda Maa magnetväli). Nii et… ei lähe, eks?
Nagu peaaegu kõik füüsikas, on ka siin varjatud tee. Niipalju kui me võime öelda, on footon - elektromagnetilise jõu enda kandja - täiesti massitu. Kuid tähelepanekud on vaatlused ja teaduses pole midagi kindlat teada ning praeguste hinnangute kohaselt on footoni mass mitte suurem kui 2 x 10-24 elektroni mass. Foralli kavatsused ja eesmärgid on põhimõtteliselt null peaaegu kõige jaoks, millest kõik hoolivad. Aga kui footon teebKui teil on mass, isegi alla selle piiri, võib see universumile teha päris naljakaid asju.
Massi olemasolul footonis muutuvad Maxwelli võrrandid - elektrienergia, magnetismi ja kiirguse mõistmise viis - modifitseeritud kujul. Lisamõisted ilmuvad matemaatikasse ja kuju saavad uued koostoimed.
Kas saate seda tunda?
Uued koostoimed on sobivalt keerulised ja sõltuvad konkreetsest stsenaariumist. Galaktikate puhul algab nende nõrk magnetväli, et tunda natuke midagi erilist. Magnetväljade sassis ja keerdunud ülesmähimise tõttu muudab massiivsete footonite olemasolu Maxwelli võrrandit lihtsalt õige tee, et lisada uus atraktiivne jõud, mis mõnel juhul võib olla tugevam kui ainult gravitatsioon.
Teisisõnu, uus elektromagnetiline jõud võib hoida kiirelt liikuvaid tähti köites, kaotades vajaduse tumeda aine järele.
Kuid see pole lihtne. Magnetväljad keerduvad kogu galaktika tähtedevahelises gaasis, mitte tähtedes endas. Nii et see jõud ei saa tähtedele otse peale tõmmata. Selle asemel peab jõud teatama gagasile oma tõmbamise ja kuidagi peab gaas andma tähtedele teada, et siin on uus šerifilinn.
Massiivsete lühiealiste tähtede puhul on see üsna sirgjooneline. Gaas ise piitsutab tippkiirusel ümber galaktilise tuuma, moodustab tähe, täht elab, täht sureb ja jäänused muutuvad gaasiks piisavalt kiiresti, et need tähed jäljendaksid kõigi kavatsuste ja eesmärkide saavutamiseks gaasi liikumist, andes meile vajalikud pöörlemiskõverad.
Suur häda väikestes tähtedes
Kuid väikesed pikaealised tähed on veel üks metsaline. Nad lahutavad neid moodustanud gaasist ja elavad oma elu, tiirlevad mitu korda ümber galaktilise keskuse enne nende aegumist. Ja kuna nad ei tunne uut imelikku elektromagnetilist jõudu, peaksid nad lihtsalt oma galaktikatest täielikult eemalduma, sest miski ei hoia neid kontrolli all.
Tõepoolest, kui see stsenaarium oli täpne ja massilised fotonid võivad tumeda aine asendada, ei tohiks meie enda päike olla praegu seal.
Veelgi enam, meil on väga hea põhjus arvata, et footonid on tõesti massid. Muidugi, Maxwelli võrrandid ei pruugi eriti hoolida, kuid spetsiaalne relatiivsus ja kvantvälja teooria teevad seda kindlasti. Hakkate segama footonimassi ja teil on palju seletada, mister.
Ja see, et kõik armastavad galaktikate pöördekõveraid, ei tähenda veel seda, et nad on ainus tee tumedasse ainesse. Galaktika klastrite vaatlused, gravitatsiooniline lääts, universumi struktuuri kasv ja isegi kosmiline mikrolaine taust näitavad kõik meie universumi mingisuguse nähtamatu komponendi suunas.
Isegi kui footonil oleks mass ja see oleks kuidagi võimeline seletama kõik tähed galaktikas, mitte ainult massiivsed, ei suudaks see seletada hulgaliselt muid vaatlusi (näiteks kuidas uus elektromagnetiline jõud selgitaks valguse gravitatsioonilist paindumist galaktikaparve ümber? see pole retooriline küsimus - ei saa). Teisisõnu, isegi massiivsete footonitega täidetud kosmoses vajaksime ikkagi tumedat ainet.
Ajakirja artiklit saate lugeda siin.
