Is Dark Matter Real?

{h1}

Hoewel veel mensen het bestaan ​​van donkere materie als vanzelfsprekend beschouwen, is het nog steeds een theorie die nog moet worden bewezen. Maar nieuw bewijs kan de ondersteuning van theorieën over donkere materie ondersteunen.

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het grootste Amerikaanse onderzoekscentrum voor Large Hadron Colliders. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, waaronder zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgen op Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Veel mensen met wetenschappelijke kennis vinden het vanzelfsprekend dat het universum niet alleen wordt gemaakt van Carl Sagans vaak geciteerde "miljarden en miljarden" sterrenstelsels, maar ook een enorme hoeveelheid van een onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd. Van deze vreemde kwestie wordt gedacht dat het een nieuw soort subatomair deeltje is dat geen interactie heeft via elektromagnetisme, noch de sterke en zwakke kernkrachten. Van donkere materie wordt ook verondersteld dat ze vijf keer meer voorkomt in het universum dan de gewone materie van atomen.

De realiteit is echter dat het bestaan ​​van de donkere materie nog niet is bewezen. Donkere materie is nog steeds een hypothese, zij het een nogal goed onderbouwde. Elke wetenschappelijke theorie moet voorspellingen doen, en als het goed is, moeten de metingen die u doet, overeenkomen met de voorspellingen. Hetzelfde geldt voor donkere materie. De theorieën van de donkere materie maken bijvoorbeeld voorspellingen voor hoe snel sterrenstelsels roteren. Maar tot nu toe kwamen de metingen van de gedetailleerde verdeling van donkere materie in het centrum van de massa-melkwegstelsels niet overeen met die voorspellingen.

Een recente berekening heeft dat veranderd. De berekening helpt bij het oplossen van het raadsel van de relatie Tully-Fisher, die de zichtbare of gewone materie van een sterrenstelsel vergelijkt met de rotatiesnelheid. In zeer vereenvoudigde termen hebben wetenschappers ontdekt dat hoe massiever (en dus helderder) een spiraalstelsel is, hoe sneller het draait.

Maar als donkere materie bestaat, moet hoe "groot" een melkwegstelsel is, niet alleen worden bepaald door de zichtbare materie, maar ook door de donkere materie. Met een enorm stuk van de vergelijking - de hoeveelheid donkere materie - die ontbreekt, zou de relatie tussen Tully en Fisher niet moeten bestaan. En toch doet het dat. Het was moeilijk om je een manier voor te stellen om deze relatie te verzoenen met de bestaande theorie van de donkere materie. Tot nu. [Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Oorsprong van de donkere materie

De eerste verklaringen dat er misschien behoefte is aan iets als donkere materie gaan terug tot 1932. De Nederlandse astronoom Jan Oort mat de omloopsnelheden van sterren binnen de Melkweg en merkte dat ze te snel bewogen om verklaard te worden door de waargenomen massa van de Melkweg.

Vera Rubin en Kent Ford ontdekten dat sterren aan de randen van sterrenstelsels, zoals het Andromeda-sterrenstelsel (hier weergegeven), sneller dan verwacht reizen. Donkere materie kan helpen om deze galactische rotatieverschillen te verklaren.

Vera Rubin en Kent Ford ontdekten dat sterren aan de randen van sterrenstelsels, zoals het Andromeda-sterrenstelsel (hier weergegeven), sneller dan verwacht reizen. Donkere materie kan helpen om deze galactische rotatieverschillen te verklaren.

Credit: NASA / Swift / Stefan Immler (GSFC) en Erin Grand (UMCP)
De zoektocht naar donkere materie begon echter bijna een halve eeuw later, toen astronoom Vera Rubin en instrumentmaker Kent Ford aan het eind van de jaren zeventig de rotatiesnelheden van nabije sterrenstelsels meten als een functie van de afstanden van de sterrenstelsels tot de sterrenhemel. centrum. Ze vergeleken de metingen met voorspellingen van de standaard Newtoniaanse zwaartekrachttheorie.

Sterren cirkelen in hun ouderlijke melkweg in bijna cirkelvormige paden en de zwaartekracht is de kracht die de sterren in die banen vasthoudt. Newton's vergelijkingen voorspellen dat de kracht die de sterren doet bewegen in een cirkelvormig pad, F (cirkelvormig), gelijk moet zijn aan de kracht als gevolg van de zwaartekracht op de ster, F (zwaartekracht), anders vliegt de ster de ruimte in of valt erin het centrum van de melkweg. Voor degenen die zich de fysica van de middelbare school herinneren, is F (circulair) een traagheidsverklaring en is het Newton's F = ma. F (zwaartekracht) is de wet van Newton van universele zwaartekracht.

Nabij het midden van sterrenstelsels, vonden Rubin en Ford dat F (cirkelvormig) ongeveer gelijk was aan F (zwaartekracht), zoals verwacht. Maar ver van het centrum van de sterrenstelsels kwamen de twee kanten van de vergelijking niet goed overeen. Hoewel de details melkweg-tot-sterrenstelsel verschilden, waren hun waarnemingen in essentie universeel. [Galerij: Dark Matter Through the Universe]

Zo'n dramatische discrepantie heeft uitleg nodig. Nabij het centrum van sterrenstelsels betekenden de metingen van Rubin en Ford dat de theorie werkte, terwijl het verschil op grotere baanafstanden betekende dat er iets aan de hand was dat bestaande theorieën niet konden verklaren. Hun inzichten onthulden dat we ofwel niet begrijpen hoe traagheid werkt (bijv. F (circulair)), of dat we niet begrijpen hoe de zwaartekracht werkt (bijv. F (zwaartekracht)). Een derde mogelijkheid is dat het gelijkteken verkeerd is, wat betekent dat er een andere kracht of een ander effect is dat de vergelijking niet bevat. Dat waren de enige mogelijkheden.

De discrepanties verklaren

In de 40 jaar na het originele werk van Rubin en Ford, hebben wetenschappers vele theorieën getest om te proberen de galactische rotatieverschillen die ze hebben gevonden te verklaren. Natuurkundige Mordehai Milgrom stelde een wijziging van de traagheid voor, genaamd "modified Newtonian dynamics", of MOND. In zijn oorspronkelijke vorm, postuleerde het dat bij zeer lage versnellingen, Newton's vergelijking F = ma niet werkte.

Andere natuurkundigen hebben wijzigingen in de wetten van de zwaartekracht voorgesteld. Einstein's algemene relativiteitstheorie helpt hier niet omdat, in dit rijk, de voorspellingen van Einstein en Newton in wezen identiek zijn. En theorieën over kwantumzwaartekracht, die proberen de zwaartekracht te beschrijven met behulp van subatomaire deeltjes, kunnen om dezelfde reden niet de verklaring zijn. Er zijn echter gravitatietheorieën die voorspellingen doen over galactische of extragalactische schalen die verschillen van Newtoniaanse zwaartekracht. Dus dat zijn opties. [Wat is dat? Je fysica vragen beantwoord]

Dan zijn er voorspellingen dat er nieuwe krachten bestaan. Deze ideeën worden samengeklonterd onder de naam "de vijfde kracht", wat een kracht betekent die zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten overstijgt.

Ten slotte is er de theorie van donkere materie: dat een soort materie die helemaal geen interactie heeft met licht, maar toch een zwaartekracht uitoefent, het universum doordringt.

Als de galactische rotatiemetingen de enige gegevens zijn die we hebben, is het misschien moeilijk om te kiezen tussen deze verschillende theorieën. Het is immers mogelijk om elke theorie te tweaken om het galactische rotatieprobleem op te lossen. Maar er zijn nu veel waarnemingen van veel verschillende verschijnselen die kunnen helpen de meest plausibele theorie te identificeren.

Een daarvan is de snelheid van sterrenstelsels in grote clusters van sterrenstelsels. De sterrenstelsels bewegen te snel om de trossen aan elkaar te laten blijven. Een andere waarneming is van licht van verre melkwegstelsels. Waarnemingen van deze zeer verre oude sterrenstelsels tonen aan dat hun licht wordt vervormd door het passeren van de zwaartekrachtvelden van meer nabijgelegen clusters van sterrenstelsels. Er zijn ook studies van kleine niet-uniformiteiten van de kosmische microgolfachtergrond die de geboorte-schreeuw van het universum is. Al deze metingen (en nog veel meer) moeten ook door elke nieuwe theorie worden aangepakt om de galactische rotatiesnelheden te verklaren.

De onbeantwoorde vragen van de donkere materie

De theorie van de donkere materie heeft redelijk veel werk verzet bij het voorspellen van veel van deze metingen, en daarom wordt het in de wetenschappelijke gemeenschap gerespecteerd. Maar donkere materie is nog steeds een onbevestigd model. Alle bewijzen van zijn bestaan ​​tot nu toe zijn indirect. Als er donkere materie bestaat, zouden we in staat moeten zijn om interacties van donkere materie direct te observeren terwijl deze door de aarde passeert en we zouden in staat zijn om donkere materie te maken in grote deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider. En toch is geen enkele van beide succesvol geweest.

Bovendien moet donkere materie het eens zijn met iedereen, niet alleen met veel, astronomische observaties. Hoewel donkere materie tot nu toe het meest succesvolle model is, is het niet helemaal succesvol. Donkere materiemodellen voorspellen meer dwerg-satellietstelsels rondom grote sterrenstelsels zoals de Melkweg dan ze daadwerkelijk worden gedetecteerd. Hoewel er meer dwergstelsels worden gevonden, zijn er nog steeds te weinig vergeleken met de voorspellingen van de donkere materie.

Een andere grote, open vraag is hoe donkere materie de relatie tussen de helderheid van sterrenstelsels en hun rotatiesnelheden beïnvloedt. Deze relatie, die voor het eerst werd gepresenteerd in 1977, wordt de Tully-Fisher-relatie genoemd en het heeft talloze malen aangetoond dat de zichtbare massa van een sterrenstelsel goed correleert met de rotatiesnelheid.

Moeilijke uitdagingen voor donkere materie

Dus dat beëindigt het achtergrondverhaal. Wat is nieuw?

De Tully-Fisher-relatie is een zware uitdaging voor modellen met donkere materie. De rotatie van een melkweg wordt bepaald door de totale hoeveelheid materie die het bevat. Als donkere materie echt bestaat, dan is de totale hoeveelheid materie de som van zowel gewone als donkere materie.

Maar de bestaande theorie van de donkere materie voorspelt dat elke willekeurige melkweg grotere of kleinere delen van donkere materie kan bevatten. Dus als je de zichtbare massa meet, zou je mogelijk een groot deel van de totale massa kunnen missen. Dientengevolge zou de zichtbare massa een zeer slechte voorspeller moeten zijn van de totale massa (en daarmee de rotatiesnelheid) van de melkweg. De massa van het sterrenstelsel zou vergelijkbaar kunnen zijn met die van de zichtbare (gewone) massa of het zou veel groter kunnen zijn.

Er is dus geen reden om te verwachten dat de zichtbare massa een goede voorspeller van de rotatiesnelheid van de melkweg zou zijn. Toch is het.

In een paper dat dit jaar werd vrijgegeven, gebruikten skaters van donkere materie metingen van de Tully-Fisher-relatie voor verschillende sterrenstelsels om te argumenteren tegen de hypothese van de donkere materie en voor een aangepaste versie van traagheid, zoals MOND.

Beter geschikt voor donkere materie

In een paper dat in juni werd uitgebracht, hebben wetenschappers de modellen voor donkere stoffen echter een belangrijke impuls gegeven. Niet alleen reproduceert het nieuwe werk de successen van eerdere voorspellingen van het donkere materiemodel, het reproduceert ook de Tully-Fisher-relatie.

Het nieuwe papier is een "semi-analytisch" model, wat betekent dat het een combinatie is van analytische vergelijkingen en simulatie. Het simuleert het klonteren van donkere materie in het vroege universum dat de vorming van sterrenstelsels mogelijk heeft gemaakt, maar omvat ook de wisselwerking van gewone materie, inclusief dingen zoals de binnenvalling van gewone materie in een ander hemellichaam vanwege de zwaartekracht, stervorming en de verwarming van het invallende gas door sterrenlicht en supernova's. Door zorgvuldig af te stemmen op de parameters, waren de onderzoekers beter in staat om de voorspelde Tully-Fisher-relatie te evenaren. De sleutel van de berekening is dat de voorspelde rotatiesnelheid een realistische waarde voor de verhouding van baryonen tot donkere materie in de melkweg omvat.

De nieuwe berekening is een belangrijke aanvullende stap in het valideren van het donkere materiemodel. Het is echter niet het laatste woord. Elke geslaagde theorie moet overeenkomen met alle metingen. Nalaten overeenstemming te bereiken betekent dat de theorie of de gegevens verkeerd zijn, of op zijn minst onvolledig. Er zijn nog steeds een aantal verschillen tussen voorspelling en meting (zoals het aantal kleine satellietstelsels rond grote), maar deze nieuwe paper geeft ons vertrouwen dat toekomstige werkzaamheden deze resterende discrepanties zullen oplossen.
Donkere materie blijft een krachtig voorspellende theorie voor de structuur van het universum. Het is niet compleet en moet worden gevalideerd door het eigenlijke donkere materiedeeltje te ontdekken. Er is dus nog steeds werk aan de winkel.Maar deze meest recente berekening is een belangrijke stap richting de dag dat we voor eens en voor altijd zullen weten of het universum echt wordt gedomineerd door de duistere kant.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: What is Dark Matter and Dark Energy?.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com