Hvorfor tror astronomer på mørkt stof?

Mørkt stof, i sagens natur, er uset. Vi kan ikke observere det med teleskoper, og partikelfysikere har heller ikke haft held med at opdage det via eksperimenter.

Så hvorfor tror jeg og tusindvis af mine kolleger, at det meste af universets masse består af mørkt stof, snarere end det konventionelle stof, der omfatter stjerner, planeter, og alle de andre synlige genstande på vores himmel?

For at besvare det spørgsmål skal du forstå, hvad mørkt stof kan og ikke kan, forstå, hvor i universet det lurer, og indse, at "mørke" kun er begyndelsen på puslespillet.

Usynlig indflydelse

Vores historie om mørkt stof starter med hastighed og tyngdekraft. Gennem hele kosmos ser vi objekter, der bevæger sig i baner under påvirkning af tyngdekraften. Ligesom Jorden kredser om Solen, Solen kredser om midten af ​​vores galakse.

Den hastighed, der kræves for at holde et himmellegeme i kredsløb, er en funktion af masse og afstand. For eksempel, i vores solsystem, Jorden bevæger sig med 30 km i sekundet, hvorimod de fjerneste planeter suser med flere kilometer i sekundet.

Vores galakse er utrolig massiv, så Solen kredser med 230 km i sekundet på trods af at den er 26, 700 lysår væk fra vores galakse centrum. Imidlertid, når vi bevæger os længere fra centrum af galaksen, stjernernes omløbshastighed forbliver nogenlunde konstant. Hvorfor?

I modsætning til vores solsystem, hvis masse er domineret af solen, massen i vores galakse er spredt over tusinder af lysår. Når man bevæger sig til større afstande fra det galaktiske centrum, stjerner og gas indesluttet inden for denne radius øges. Kan denne ekstra masse forklare de enorme hastigheder af de fjerneste stjerner i vores galakse? Ikke helt.

I 1960'erne, den banebrydende amerikanske astronom Vera Rubin målte kredsløbshastighederne i Andromeda-galaksen (galaksen ved siden af ​​Mælkevejen) til afstande på 70, 000 lysår fra galaksens kerne. Bemærkelsesværdigt, på trods af at denne afstand er langt ud over hovedparten af ​​Andromedas stjerner og gas, omløbshastigheden forblev tæt på 250 km/s.

Dette fænomen er heller ikke unikt for individuelle galakser. Tilbage i 1930'erne, Den schweizisk-amerikanske astronom Fritz Zwicky fandt ud af, at galakser, der kredsede i galaksehobe, bevægede sig langt hurtigere end forventet.

Hvad sker der? En mulighed er, at en enorm mængde uset masse strækker sig ud over stjernerne og gassen. Dette er mørkt stof.

Ja, Zwickys værk, Rubin og efterfølgende generationer af astronomer indikerer, at der er mere mørkt stof i universet end konventionelt stof. (Med hensyn til mørk energi, det er en helt anden historie.)

Bemærkelsesværdigt, vores manglende evne til at se eller opdage mørkt stof giver fingerpeg om, hvordan det opfører sig. Det må have få vekselvirkninger med sig selv og konventionelt stof bortset fra tyngdekraften - ellers ville vi have opdaget, at det udsender lys og interagerer med andre partikler.

Da mørkt stof for det meste interagerer via tyngdekraften alene, det har nogle mærkelige egenskaber. En sky af varm gas i rummet kan miste energi ved at udsende lys, og dermed køle ned. En tilstrækkelig massiv og kold gassky kan kollapse under sin egen tyngdekraft og danne stjerner.

Derimod mørkt stof kan ikke miste energi ved at udsende lys. Dermed, mens konventionelt stof kan kollapse til tætte objekter som stjerner og planeter, mørkt stof forbliver mere diffust.

Dette forklarer en tilsyneladende modsætning. Mens mørkt stof kan dominere universets masse, vi tror ikke, der er meget af det i vores solsystem.

Simuleringssucces

Da mørkt stofs bevægelse udelukkende er domineret af tyngdekraften, det er også forholdsvis nemt at modellere analytisk og i simuleringer.

Siden 1970'erne har vi haft formler for antallet af mørkt stofstrukturer, som også tilfældigvis forudsiger antallet af massive galakser og galaksehobe. Desuden, simuleringer kan modellere opbygningen af ​​strukturer gennem universets historie. Mørkt stof-paradigmet passer ikke kun til data, den har forudsigelseskraft.

Er der et alternativ til mørkt stof? Vi udleder dens tilstedeværelse ved hjælp af tyngdekraften, men hvad nu hvis vores forståelse af tyngdekraften er forkert? Måske er tyngdekraften stærkere på store afstande, end vi tror.

Der er flere alternative gravitationsteorier, med Mordehai Milgroms Modified Newtonian Dynamics (MoND) som det bedst kendte eksempel.

Hvordan skelner vi mørkt stof fra modificeret tyngdekraft? Godt, i de fleste teorier trækker tyngdekraften mod massen. Dermed, hvis der ikke er mørkt stof, tyngdekraften trækker mod det konventionelle stof, hvorimod hvis mørkt stof dominerer, så vil tyngdekraften overvejende trække mod mørkt stof.

Så det burde være let at sige, hvilken teori der er rigtig, ret? Ikke nøjagtigt, da mørkt stof og konventionelt stof nogenlunde følger hinanden rundt. Men der er nogle nyttige undtagelser.

Smash skyer af gas og mørkt stof sammen, og der sker noget vidunderligt. Gassen støder sammen og danner en enkelt sky, mens de mørke stofpartikler bare bliver ved med at bevæge sig under påvirkning af tyngdekraften. Dette sker, når klynger af galakser kolliderer med hinanden med store hastigheder.

Hvordan måler vi tyngdekraftens træk i kolliderende galaksehobe? Godt, tyngdekraften trækker ikke kun på massen, men også på lyset, så forvrængede billeder af galakser kan spore tyngdekraften. Og i kolliderende galaksehobe, tyngdekraften trækker hen imod, hvor det mørke stof skal være, ikke mod det konventionelle spørgsmål.

Krøller i tiden

Vi kan se indflydelsen af ​​mørkt stof ikke kun i dag, men i en fjern fortid, lige tilbage til Big Bang.

Den kosmiske mikrobølgebaggrund, eftergløden fra Big Bang, kan ses i alle retninger. Og i denne ildkugle kan vi se krusninger, resultatet af lydbølger, der bevæger sig gennem ioniseret gas.

Disse lydbølger er et resultat af tyngdekraftens samspil, tryk og temperatur i det tidlige univers. Mørkt stof bidrager til tyngdekraften, men reagerer ikke på temperatur og tryk som konventionelt stof, så styrken af ​​lydbølgerne afhænger af forholdet mellem konventionelt stof og mørkt stof.

Som forventet, målinger af disse krusninger taget af satellitter og jordbaserede observatorier afslører, at der er mere mørkt stof end konventionelt stof i vores univers.

Så er sagen afsluttet? Er mørkt stof bestemt svaret? De fleste astronomer vil sige, at mørkt stof er den enkleste og bedste forklaring på mange af de fænomener, vi ser i universet. Selvom der er potentielle problemer for de enkleste mørkt stof-modeller, såsom antallet af små satellitgalakser, de er interessante problemer snarere end tvingende mangler.

Men faktum er, at vi endnu ikke har opdaget mørkt stof direkte. Det generer mig ikke specielt, som fysik har en historie med partikler, der har taget årtier at opdage direkte. Hvis vi ikke har opdaget det 20 år fra nu, kan jeg være bekymret, men indtil videre satser jeg på, at mørkt stof er den ægte vare.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.