I opfølgende album fra 1978 til "Born to Run, "Bruce Springsteen bruger mørket på kanten af byen som en metafor for det øde ukendte, vi alle står over for, når vi vokser op og forsøger at forstå verden.
Kosmologer, der arbejder på at dechifrere universets oprindelse og skæbne, må fuldstændigt identificere sig med chefens følelse af tragisk længsel. Disse stjernekiggende forskere har længe stået over for deres eget mørke på kanten af byen (eller på kanten af galakser), mens de forsøger at forklare et af astronomiens største mysterier. Det er kendt som mørkt stof , som i sig selv er en pladsholder - som x eller y brugt i algebra klasse - for noget ukendt og hidtil uset. En dag, det vil nyde et nyt navn, men i dag sidder vi fast med den midlertidige etiket og dens konnotationer af skyggefuld usikkerhed.
Bare fordi forskere ikke ved, hvad de skal kalde mørkt stof, betyder det ikke, at de ikke ved noget om det. De ved, for eksempel, at mørkt stof opfører sig anderledes end "normalt" stof, såsom galakser, stjerner, planeter, asteroider og alle de levende og ikke -levende ting på Jorden. Astronomer klassificerer alt dette som baryonisk stof , og de ved, at dens mest grundlæggende enhed er atomet, som selv er sammensat af endnu mindre subatomære partikler, såsom protoner, neutroner og elektroner.
I modsætning til baryonisk stof, mørkt stof hverken udsender eller absorberer lys eller andre former for elektromagnetisk energi. Astronomer ved, at det eksisterer, fordi noget i universet udøver betydelige tyngdekræfter på ting, vi kan se. Når de måler virkningerne af denne tyngdekraft, forskere vurderer, at mørkt stof tilføjer op til 23 procent af universet. Baryonisk stof tegner sig for kun 4,6 procent. Og et andet kosmisk mysterium kendt som mørk energi udgør resten - hele 72 procent [kilde:NASA/WMAP]!
Så hvad er mørkt stof? Hvor kom det fra? Hvor er det nu? Hvordan studerer forskere tingene, når de ikke kan se det? Og hvad håber de at få ved at løse gåden? Er mørkt stof hemmeligheden bag at størkne standardmodellen for partikelfysik, eller vil det fundamentalt ændre vores opfattelse og forståelse af verden omkring os? Så mange spørgsmål der skal besvares. Vi starter ved begyndelsen - næste.
Indhold
Astronomer har været fascineret af galakser i århundreder. Først kom erkendelsen af, at vores solsystem lå indsvøbt i armene på en massiv masse stjerner. Derefter kom bevis for, at der eksisterede andre galakser ud over Mælkevejen. I 1920'erne, forskere som Edwin Hubble katalogiserede tusinder af "ø -universer" og registrerede oplysninger om deres størrelser, rotationer og afstande fra Jorden.
Et centralt aspekt astronomer håbede at måle var massen af en galakse. Men du kan ikke bare veje noget på størrelse med en galakse - du skal finde dens masse ved andre metoder. En metode er at måle lysintensiteten, eller lysstyrke. Jo mere lysende en galakse, jo mere masse den besidder (se Sådan fungerer stjerner). En anden tilgang er at beregne rotationen af en galakses krop, eller disk, ved at spore, hvor hurtigt stjerner inden for galaksen bevæger sig rundt om dens centrum. Variationer i rotationshastighed bør angive områder med varierende tyngdekraft og derfor masse.
Da astronomer begyndte at måle rotationen af spiralgalakser i 1950'erne og 60'erne, de gjorde en forvirrende opdagelse. De forventede at se stjerner nær en galakses centrum, hvor det synlige stof er mere koncentreret, bevæge sig hurtigere end stjerner ved kanten. Hvad de i stedet så, var, at stjerner ved kanten af en galakse havde samme rotationshastighed som stjerner nær midten. Astronomer observerede dette først med Mælkevejen, og så, i 1970'erne, Vera Rubin bekræftede fænomenet, da hun foretog detaljerede kvantitative målinger af stjerner i flere andre galakser, herunder Andromeda (M31).
Implikationen af alle disse resultater pegede på to muligheder:Noget var fundamentalt galt med vores forståelse af tyngdekraft og rotation, hvilket virkede usandsynligt i betragtning af at Newtons love havde modstået mange test i århundreder. Eller, mere sandsynligt, galakser og galaktiske klynger skal indeholde en usynlig form for stof - hej, mørkt stof - ansvarlig for de observerede tyngdekraftseffekter. Da astronomer fokuserede deres opmærksomhed på mørkt stof, de begyndte at indsamle yderligere bevis for dens eksistens.
Dark Matter PioneersBegrebet mørkt stof stammer ikke fra Vera Rubin. I 1932, den hollandske astronom Jan Hendrik Oort observerede, at stjerner i vores galaktiske kvarter bevægede sig hurtigere end beregninger forudsagde. Han brugte udtrykket "mørkt stof" til at beskrive den uidentificerede masse, der kræves for at forårsage denne stigning i hastighed. Et år senere, Fritz Zwicky begyndte at studere galakser i koma -klyngen. Ved hjælp af lysmålinger, han bestemte, hvor meget masse der skulle være i klyngen, og derefter, fordi masse og tyngdekraft hænger sammen, beregnet, hvor hurtigt galakserne skulle bevæge sig. Da han målte deres faktiske hastigheder, imidlertid, han fandt ud af, at galakserne bevægede sig meget, meget hurtigere end han forventede. For at forklare uoverensstemmelsen, Zwicky foreslog, at mere masse - to størrelsesordener mere - lå skjult blandt det synlige stof. Ligesom Oort, Zwicky kaldte dette usynlige stof for mørkt stof [kilde:SuperCDMS ved Queen's University].
Astronomer fortsatte med at finde forvirrende information, da de studerede universets fjerne galakser. Et par uforfærdede stjernekigere vendte deres opmærksomhed mod galaktiske klynger - knaster af galakser (så få som 50 og så mange som tusinder) bundet sammen af tyngdekraften - i håb om at finde puljer af varm gas, der tidligere var gået uopdaget, og som muligvis kan forklare, at massen tilskrives mørkt stof.
Da de drejede røntgenteleskoper, såsom Chandra røntgenobservatorium, mod disse klynger, de fandt faktisk enorme skyer af overophedet gas. Ikke nok, imidlertid, at tage højde for uoverensstemmelser i masse. Målingen af varmt gastryk i galaktiske klynger har vist, at der skal være omkring fem til seks gange så meget mørkt stof som alle de stjerner og gas, vi observerer [kilde:Chandra X-ray Observatory]. Ellers, der ville ikke være tilstrækkelig tyngdekraft i klyngen til at forhindre den varme gas i at slippe ud.
Galaktiske klynger har givet andre spor om mørkt stof. Lån fra Albert Einsteins generelle relativitetsteori, astronomer har vist, at klynger og superklynger kan forvrænge rum-tid med deres enorme masse. Lysstråler, der kommer fra et fjernt objekt bag en klynge, passerer gennem den forvrængede rumtid, som får strålerne til at bøje og konvergere, når de bevæger sig mod en observatør. Derfor, klyngen fungerer som en stor gravitationslinse, meget gerne en optisk linse (se Sådan fungerer lyset).
Det forvrængede billede af det fjerne objekt kan vises på tre mulige måder afhængigt af objektivets form:
Ved at måle bøjningsvinklen, astronomer kan beregne gravitationslinsens masse (jo større bøjning, jo mere massiv linsen). Ved hjælp af denne metode, astronomer har bekræftet, at galaktiske klynger faktisk har høje masser, der overstiger dem, der måles af lysstof og, som resultat, har givet yderligere bevis for mørkt stof.
Chandra til undsætningI 2000, Chandra observerede en gigantisk sky af varm gas, der omsluttede galaksehoben Abell 2029, får astronomer til at anslå, at klyngen skal indeholde en mængde mørkt stof svarende til mere end hundrede billioner soler! Hvis andre klynger har lignende egenskaber, derefter kunne 70 til 90 procent af universets masse tilskrives mørkt stof [kilde:Chandra X-ray Observatory].
Da astronomer samlede spor om eksistensen - og svimlende mængde - af mørkt stof, de henvendte sig til computeren for at skabe modeller for, hvordan de mærkelige ting kan organiseres. De lavede veluddannede gæt om, hvor meget baryonisk og mørkt stof der kunne eksistere i universet, lad derefter computeren tegne et kort baseret på oplysningerne. Simuleringerne viste mørkt stof som et weblignende materiale sammenvævet med almindeligt synligt stof. Nogle steder, det mørke stof samledes til klumper. Andre steder, den strakte sig ud til at blive lang, snorede filamenter, hvorpå galakser ser viklet ind, som insekter fanget i edderkoppesilke. Ifølge computeren, mørkt stof kunne være overalt, binder universet sammen som en slags usynlig bindevæv.
Siden da, astronomer har arbejdet ihærdigt med at lave et lignende kort over mørkt stof baseret på direkte observation. Og de har brugt et af de samme værktøjer - gravitationel linse - der hjalp med at bevise eksistensen af mørkt stof i første omgang. Ved at studere lysbøjningseffekter af galaksehobe og kombinere data med optiske målinger, de har kunnet "se" det usynlige materiale og er begyndt at samle præcise kort.
I nogle tilfælde, astronomer kortlægger enkelte klynger. For eksempel, i 2011, to hold brugte data fra Chandras røntgenobservatorium og andre instrumenter såsom Hubble-rumteleskopet til at kortlægge fordelingen af mørkt stof i en galaksehob, kendt som Abell 383, som ligger omkring 2,3 milliarder lysår fra Jorden. Begge hold kom til den samme konklusion:Det mørke stof i klyngen er ikke sfærisk, men ægformet, som amerikansk fodbold, orienteret med den ene ende pegende på observatørerne. Forskerne var uenige, imidlertid, om det mørke stofs tæthed på tværs af Abell 383. Et hold beregnede, at det mørke stof steg mod midten af klyngen, mens den anden målte mindre mørkt stof i midten. Selv med disse uoverensstemmelser, den uafhængige indsats viste, at mørkt stof kunne opdages og kortlægges med succes.
I januar 2012, et internationalt team af forskere offentliggjorde resultater fra et endnu mere ambitiøst projekt. Brug af kameraet på 340 megapixel på Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) på Mauna Kea Mountain på Hawaii, forskere studerede tyngdekraftens linseffekter af 10 millioner galakser i fire forskellige områder af himlen over en periode på fem år. Når de syede alt sammen, de havde et billede af mørkt stof, der kiggede over 1 milliard lysår i rummet-det største kort over de usynlige ting, der er produceret til dato. Deres færdige produkt lignede de tidligere computersimuleringer og afslørede et stort væv af mørkt stof, der strakte sig over rummet og blandede sig med det normale stof, vi har kendt til i århundreder.
Baseret på beviserne, de fleste astronomer er enige om, at der findes mørkt stof. Udover det, de har flere spørgsmål end svar. Det største spørgsmål, tør vi sige en af de største i hele kosmologi, fokuserer på den nøjagtige karakter af mørkt stof. Er det en eksotisk, uopdaget type stof, eller er det almindeligt, at vi har svært ved at observere?
Sidstnævnte mulighed synes usandsynlig, men astronomer har overvejet et par kandidater, som de omtaler som MACHO'er , eller massive kompakte glorieobjekter . MACHO'er er store objekter, der opholder sig i galakernes haloer, men undgår detektion, fordi de har så lave lysstyrker. Sådanne genstande omfatter brune dværge, overordentlig svage hvide dværge, neutronstjerner og endda sorte huller. MACHO'er bidrager sandsynligvis noget til mysteriet om det mørke stof, men der er simpelthen ikke nok af dem til at redegøre for alt det mørke stof i en enkelt galakse eller klynge af galakser.
Astronomer mener, at det er mere sandsynligt, at mørkt stof består af en helt ny type stof bygget af en ny slags elementarpartikel. I starten de overvejede neutrinoer , grundlæggende partikler først postuleret i 1930'erne og derefter opdaget i 1950'erne, men fordi de har så lidt masse, forskere er i tvivl om, at de udgør meget mørkt stof. Andre kandidater er figurer af videnskabelig fantasi. De er kendt som WIMP'er (til svagt interagerende massive partikler ), og hvis de findes, disse partikler har masser titusinder eller hundredvis af gange større end en proton, men interagerer så svagt med almindeligt stof, at de er svære at opdage. WIMP'er kan indeholde et vilkårligt antal mærkelige partikler, såsom:
Forskere rundt om i verden fortsætter med at jage aggressivt efter disse partikler. Et af deres vigtigste laboratorier, Large Hadron Collider (LHC), ligger dybt under jorden i en 16,5 kilometer lang cirkulær tunnel, der krydser den fransk-schweiziske grænse. Inde i tunnelen, elektriske felter fremskynder to protonpakkede stråler til absurde hastigheder og tillader dem derefter at kollidere, som frigiver en kompleks spray af partikler. Målet med LHC -eksperimenter er ikke at producere WIMP'er direkte, men for at producere andre partikler, der kan forfalde til mørkt stof. Denne forfaldsproces, selvom det er næsten øjeblikkeligt, ville give forskere mulighed for at spore momentum og energiforandringer, der ville give indirekte beviser for en helt ny partikel.
Andre eksperimenter involverer underjordiske detektorer i håb om at registrere mørke stofpartikler, der zipper af og gennem Jorden (se sidebjælke).
Begravet i MinnesotaHvis fjerne galakser typisk ligger inden for et svøb af mørkt stof, så kan Mælkevejen, også. Og hvis det er sådan, så må Jorden passere gennem et hav af mørke stofpartikler, når den kredser om solen, og solen bevæger sig rundt om galaksen. For at opdage disse partikler, Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) -holdet begravede en række germaniumceller dybt under jorden i Soudan, Minn. Hvis der findes partikler af mørkt stof, de skulle passere gennem fast jord og ramme kernerne i germaniumatomerne, som vil rekylere og producere små mængder varme og energi. I 2010, teamet rapporterede, at det havde opdaget to kandidat -WIMP'er, der ramte rækken af celler. Ultimativt, forskerne besluttede, at resultaterne ikke var statistisk signifikante, men det var endnu et pirrende spor i jagten på det mest mystiske stof i universet.
Ikke alle sælges på mørkt stof, ikke med et langt skud. Nogle få astronomer mener, at lovene om bevægelse og tyngdekraft, formuleret af Newton og udvidet af Einstein, kan endelig have mødt deres kamp. Hvis det er tilfældet, derefter en ændring af tyngdekraften, ikke en usynlig partikel, kunne forklare de effekter, der tilskrives mørkt stof.
I 1980'erne, fysiker Mordehai Milgrom foreslog, at Newtons anden bevægelseslov (kraft =masse x acceleration, f =ma) bør undersøges igen i tilfælde af galaktiske bevægelser. Hans grundtanke var, at ved meget lave accelerationer, svarende til store afstande, den anden lov brød sammen. For at få det til at fungere bedre, han tilføjede en ny matematisk konstant til Newtons berømte lov, kalder ændringen MÅNED , eller Ændret Newtonsk dynamik . Fordi Milgrom udviklede MOND som en løsning på et specifikt problem, ikke som et grundlæggende fysikprincip, mange astronomer og fysikere har grædt grimt.
Også, MOND kan ikke redegøre for bevis for mørkt stof opdaget ved andre teknikker, der ikke involverer Newtons anden lov, såsom røntgenastronomi og gravitationslinser. En revision fra 2004 til MOND, kendt som TeVeS ( Tensor-Vector-Skalær tyngdekraft ), introducerer tre forskellige felter i rumtid for at erstatte det ene tyngdefelt. Fordi TeVeS inkorporerer relativitet, det kan rumme fænomener som linse. Men det afgjorde ikke debatten. I 2007, fysikere testede Newtons anden lov ned til accelerationer helt ned til 5 x 10 -14 Frk 2 og rapporterede, at f =ma er sandt uden nødvendige ændringer (se American Institute of Physics News Update:"Newtons anden lov om bevægelse, "11. april, 2007), får MOND til at virke endnu mindre attraktiv.
Stadig andre alternativer betragter mørkt stof som en illusion, der stammer fra kvantefysik. I 2011, Dragan Hajdukovic ved European Organization for Nuclear Research (CERN) foreslog, at tomt rum er fyldt med partikler af stof og antimateriale, der ikke kun er elektriske modsætninger, men også gravitationelle modsætninger. Med forskellige gravitationsladninger, sagen og antimateriale partikler ville danne gravitation dipoler i rummet. Hvis disse dipoler dannede sig nær en galakse - et objekt med et massivt tyngdefelt - ville gravitationsdipolerne blive polariseret og styrke galaksens gravitationsfelt. Dette ville forklare gravitationsvirkningerne af mørkt stof uden at kræve nye eller eksotiske former for stof.
Hvis mørkt stof virker som kosmisk lim, astronomer skal være i stand til at forklare dens eksistens ud fra den fremherskende teori om universaldannelse. Big bang -teorien siger, at det tidlige univers gennemgik en enorm ekspansion og stadig udvides i dag. For tyngdekraften at klumpe galakser sammen til vægge eller filamenter, der skal være store mængder masse tilbage fra big bang, især usynlig masse i form af mørkt stof. Faktisk, supercomputersimuleringer af universets dannelse viser, at galakser, galaktiske klynger og større strukturer kan til sidst dannes fra sammenlægninger af mørkt stof i det tidlige univers.
Udover at give universet struktur, mørkt stof kan spille en rolle i dens skæbne. Universet udvider sig, men vil det udvide sig for evigt? Tyngdekraften vil i sidste ende bestemme ekspansionens skæbne, og tyngdekraften er afhængig af universets masse; specifikt, der er en kritisk massefylde i universet på 10 -29 g/cm 3 (svarer til et par brintatomer i en telefonboks), der bestemmer, hvad der kan ske.
Målinger af massetæthed skal omfatte både lys og mørkt stof. Så, det er vigtigt at vide, hvor meget mørkt stof der findes i universet.
Nylige observationer af bevægelser fra fjerne supernovaer tyder på, at universets ekspansionshastighed faktisk accelererer. Dette åbner op for en fjerde mulighed, et accelererende univers, hvor alle galakser vil bevæge sig væk fra hinanden relativt hurtigt, og universet bliver koldt og mørkt (hurtigere end i det åbne univers, men stadig i størrelsesordenen titusinder af milliarder af år). Hvad der forårsager denne acceleration er ukendt, men det er blevet kaldt mørk energi. Mørk energi er endnu mere mystisk end mørkt stof - og bare endnu et eksempel på astronomiens mørke i udkanten af byen. Måske universet, som Springsteen foreslår, vil bære sine hemmeligheder i lang tid, lang tid:
Alle har en hemmelighed, Sonny, Noget, de bare ikke kan klare, Nogle mennesker bruger hele deres liv på at prøve at beholde det, De har det med sig hvert skridt, de tager.
Oprindeligt udgivet:4. sep. 2007
Sidste artikelEr der et hul i universet?
Næste artikelSådan fungerer galakser