Astronomer er stadig på et tidligt stadie, når det kommer til spørgsmål om mørkt stofs natur og egenskaber.
Teorien om eksistensen af dette stof varfremsat for mere end 40 år siden som en forklaring på uoverensstemmelsen mellem massen af alle synlige objekter i en galakse og massen af selve galaksen. Astronom Vera Rubin, som først opdagede uoverensstemmelsen, fastslog, at dette usynlige stof er ekstremt almindeligt og udgør det meste af universet. I dag kender vi dette stof som mørkt stof.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Selvom astronomer har mindst treBevis for, at mørkt materiale eksisterer, var ingen af forsøgene på at opdage direkte beviser for dets eksistens og at bestemme dens egenskaber ikke succes.
Men forskerne fra Yale University iledet af Peter van Dokkum, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nature i marts 2018, førte forskere mere end nogensinde videnskabsmænd tættere på at finde endnu et bevis på eksistensen af dette stof.
Hvad ved astronomer om mørkt materiale?
Mørk stof er et stof, der ikke er detinteragerer med andre forhold ved hjælp af elektromagnetiske (EM) eller stærke atomkraft. Manglen på elektromagnetiske interaktioner betyder, at den ikke kan udstråle, absorbere, reflektere, bryde eller diffunde lys. Dette gør det selvfølgelig et ret kompliceret emne for observation. Imidlertid er omkring 85% af alt materie i universet mørkt stof.
Hidtil har forskere ikke noget praktisk bevis for, at mørkt stof egentlig eksisterer, men der er teoretisk. Her er de tre vigtigste.
Galaktiske rotationskurver
Når en objekt roterer rundt om en anden,et objekt i kredsløb skal konstant accelereres til centralen (eller, mere præcist, de accelererer begge til deres kombinerede massesenter). Uden denne acceleration vil den orbitale krop simpelthen flyve væk.
Jo hurtigere den orbitale krop bevæger sig, denmere acceleration er nødvendig for at holde det i kredsløb. Da accelerationen skyldes tyngdekraften betyder det, at den centrale masse skal være større.
Denne viden tillader forskere at "veje" anderledesdele af galaksen, samt måling af rotationshastigheder, sammenligning af redshifts på de nærliggende og tilbagegående sider af galaksen. Ved vægtning ser astronomerne en uoverensstemmelse mellem massen af alle objekter i galaksen og dens samlede masse.
rødforskydning— skift af spektrallinjer af kemiske grundstoffertil den røde (lang bølgelængde) side. Dette fænomen kan være et udtryk for svag diffus spredning, Doppler-effekten eller gravitationel rødforskydning eller en kombination af disse. Forskydningen af spektrallinjer i himmellegemernes spektre blev først beskrevet af den franske fysiker Hippolyte Fizeau i 1848 og foreslog Doppler-effekten forårsaget af stjernens radiale hastighed for at forklare skiftet.
Gravity lensing
Ifølge den generelle relativitetsteori er der nogenden tid det går gennem gravitationsfeltet er lidt forvrænget. Det fungerer som et tyngdepunktslinsen og kan f.eks. Producere "Einstein-ringe" som i billedet nedenfor.
Einsteins generelle teori om relativitetstilstandeat gravitationen af sådanne store rumgenstande som galakser bøjer rummet omkring det og afbøjer lysets stråler. Når dette sker, et forvrænget billede af en anden galakse - kilden til lys.
"Einstein Ring" i billedet ovenfor erforvrænget billede af en galakse (den er markeret med blå), placeret bag den anden (røde) galakse i midten. Lys fra blå formerer i alle retninger, men er bøjet af tyngdekraften af en rød galakse. Dette betyder, at lys, som for eksempel oprindeligt var rettet direkte mod Jorden, aldrig vil nå vores planet - i modsætning til lys, der havde en anden retning, men blev forvrænget af en linse og fortsætter som om fra alle retninger på en gang. Denne proces forklarer ringets udseende.
I svage gravitationslinser, statistiskat analysere forvrængningerne i det lys, vi modtager, giver os mulighed for at "lægge mærke til" gravitationsfeltet mellem Jorden og fjerne galakser. Der er ofte mere masse - og derfor mere stof - på dette felt, end videnskabsmænd kan forklare.
Et eksempel på gravitationslinser, som set fra eksisterende teoris synspunkt beviser tilstedeværelsen af mørkt stof, er et fotografi af Bullet-galaksehoben, der ligger i stjernebilledet Carina.
Billedet viser eftervirkningerne af kollisionen mellem to galakser. Den røde på billedet viser områder med synligt stof, den blå viser mørkt stof, hvis tilstedeværelse bestemmes af gravitationslinser.
Denne sondring skyldes det forhold, atDet meste af det lysende stof i en gruppe af galakser er i et intraclustermedium - i et varmt, tæt plasma. Når dele af plasmaet kolliderer med hinanden, sænkes en betydelig mængde af stoffet og forbliver i midten. Men mørkt materiel virker svagt med materie, så dets komponenter fra de to klynger kan frit passere hinanden - det fører til adskillelsen vist på billedet.
Relikstråling
I løbet af de første par hundrede tusinde år efterVed Big Bang var universet varmt nok til at blive stærkt ioniseret. Dette gjorde den midlertidigt næsten uigennemsigtig for lys - fotonerne roterede som enhver anden partikel. Men når tingene afkølede nok, kombinerede betydelige mængder af protoner og elektroner sig for at danne neutralt brint, som blev gennemsigtigt nok for det meste af det lys, der omgav det. Denne proces skete ret hurtigt (med hensyn til kosmologisk tid) - som et resultat blev alt det lys, der var indeholdt i universet, relativt set, pludselig frigivet ud og tog et øjebliksbillede på det stadium af dets udvikling. Dette er en forenklet måde at beskrive den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling på.
For at opdage dette lys kan forskerepege radioteleskoper i enhver retning, og afhængigt af observationsområdet vil temperaturen ændre sig en smule. Forskellen i temperatur forklares af tilstedeværelsen eller fraværet af mørkt stof i denne region.
Hvad er usædvanligt fundet i den første galakse?
DF2 er en galakse, der er en del af en stor gruppeledet af den massive elliptiske galakse NGC 1052. Galaksen fangede videnskabsmænds opmærksomhed, fordi den så anderledes ud på fotografier taget af Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I den første optrådte galaksen som en plet af svagt lys, mens den i den anden var en gruppe punktobjekter.
Baseret på disse observationer, videnskabsmænd ledet afPeter van Dokkum identificerede ti kuglehobe (store grupper af gamle stjerner) i galaksen og fandt ud af, at de bevæger sig tre gange langsommere, end hvis der var meget mørkt stof. Faktum er, at hvis massen af galaksen var større end massen af synlige objekter, ville hobene rotere hurtigere.
Det videnskabelige samfund vurderede publikationen kritisk- forskernes fejl var, at de kun observerede ti klynger og kun i to nætter. Skeptikere mente, at videnskabsmænd kan have overset nøgledetaljer om stjernehobenes bevægelse, hvilket resulterede i, at deres skøn over galaksens masse og synlige stof var skævt.
Og i den anden?
Den eneste måde at bevise rigtigheden af deresObservation var søgen efter en anden galakse, som ville indeholde den mindste mængde mørkt stof - og i marts 2019 blev en sådan galakse opdaget.
Forskerne publicerede to videnskabelige artikler - iDe var de første til at genmåle DF2's masse ved hjælp af Hubbles avancerede kamera og 10 meter teleskopet ved Keck Observatory på Hawaii. Denne gang observerede astronomer ikke kun bevægelseshastigheden af hobene, men også rotationshastigheden af stjernerne inde i dem. Som et resultat har forskere fastslået, at DF2 er en gennemsigtig ultra-diffus galakse, hvis størrelse er omtrent den samme som Mælkevejen. Kun der var omkring 200 gange færre stjerner i den.
Den anden artikel var afsat til opdagelsen af sådanneDF2-galakser - DF4, som er placeret i samme klynge ved siden af galaksen NGC 1052. Forskerne mener, at for det første er galakser med en minimal mængde mørkt materiale ikke ualmindelige, og for det andet at en stor galakse kunne "stjæle" mørket betyder noget fra deres mindre naboer.
Hvordan kan manglen på mørkt materiale være bevis for dets eksistens?
At forstå erklæringen om, at manglen på en mørkmaterie i to galakser bekræfter sin tilstedeværelse i universet i overensstemmelse med den generelle relativitetsteori, er det værd at overveje at kritisere ideen om mørk materielle tilstedeværelse.
Nogle forskere er ikke enige om det i universetder er mørkt materiale, og teoretisk bevis for dets tilstedeværelse er tilskrevet den såkaldte modificerede newtonske dynamik (MOND). Denne alternative teori siger, at tyngdekraften på kosmisk skala ikke virker som Isaac Newton eller Albert Einstein forudsagde. Det betyder, at den generelle relativitetsteori, som teorier om eksistensen af mørk materiel er bygget på, ikke virker i tilfælde af galakser.
Eksempelvis teoretisk fysiker Erik Verlinde fraUniversity of Amsterdam offentliggjorde en videnskabelig artikel i 2016, der undersøgte tyngdekraften som et biprodukt af kvanteinteraktioner og foreslog, at den yderligere tyngdekraft, der tilskrives mørkt stof, er en effekt af mørk energi - baggrundsenergi vævet ind i universets rum-tid.
Verlinde mener med andre ord, at mørkt stof ikke er stof, men kun et samspil mellem almindeligt stof og mørk energi.
Opdagelse af forskere fra Yale Universitydemonstrerer, at mørkt materiale kan adskilles fra almindeligt materiale, forudsat at begge de påviste galakser opfører sig i overensstemmelse med standard tyngdeorienteringen. Det vil sige, de processer der forekommer i dem kan forklares ved brug af ligningerne opdaget af Newton og Kepler.
Hvad er spørgsmålene
Opdagelse af astronomer, hvis det lykkesendegyldigt bekræftet gennem fremtidige observationer, udfordrer eksisterende teori om galaksedannelse. Vi taler især om antagelsen om, at den større NGC 1052 kunne "stjæle" mørkt stof fra DF2 og DF4. Hvis dette virkelig er muligt, forudsat at den rækkefølge, der er observeret i begge observerede galakser, bevares, bliver astronomerne nødt til fuldstændigt at genoverveje mekanismen for deres dannelse og eksistens.
"Vi håber at finde ud af, hvor almindeligtdisse galakser og om de findes i andre områder af universet. Vi ønsker at finde flere beviser, der kan hjælpe os med at forstå, hvordan deres egenskaber er konsistente eller ikke i overensstemmelse med vores nuværende teorier. Vi håber, at dette vil give os mulighed for at tage et andet skridt i forståelsen af en af de største mysterier i vores univers - mørkets natur, "sagde Dokkum i en samtale med astronomien.