Astronomer befinner sig fortfarande i ett tidigt skede när det gäller frågor om mörk materias natur och egenskaper.
Teorin om existensen av detta ämne varlade fram för mer än 40 år sedan som en förklaring till diskrepansen mellan massan av alla synliga objekt i en galax och själva galaxens massa. Astronomen Vera Rubin, som först upptäckte diskrepansen, fastställde att detta osynliga ämne är extremt vanligt och utgör det mesta av universum. Idag känner vi till detta ämne som mörk materia.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Även om astronomer har minst trebevis för att mörk materia finns, var ingen försök att upptäcka direkt bevis på sin existens och att bestämma dess egenskaper inte lyckats.
Men arbetet av forskare från Yale University iledd av Peter van Dokkum, publicerad i tidskriften Nature i mars 2018, ledde forskare mer än någonsin forskare närmare till att finna ännu ett bevis på förekomsten av detta ämne.
Vad vet astronomer om mörk materia?
Mörk materia är ett ämne som inte är detinteragerar med andra frågor med hjälp av elektromagnetiska (EM) eller starka kärnkrafter. Frånvaron av elektromagnetiska interaktioner innebär att den inte kan avge, absorbera, reflektera, bryta eller diffusa ljus. Detta gör det givetvis ett ganska komplicerat ämne för observation. Men omkring 85% av all materia i universum är mörk materia.
Hittills har forskare inga praktiska bevis för att mörk materia verkligen finns, men det finns teoretisk. Här är de tre viktigaste.
Galaktiska rotationskurvor
När ett objekt roterar runt en annan,ett objekt i bana måste ständigt accelereras till centralen (eller, mer exakt, de accelererar båda till deras kombinerade masscentrum). Utan denna acceleration kommer orbitalkroppen helt enkelt att flyga bort.
Ju snabbare den orbitala kroppen flyttar, denmer acceleration krävs för att hålla den i omlopp. Eftersom accelerationen beror på gravitation innebär detta att den centrala massan måste vara större.
Denna kunskap tillåter forskare att "väga" olikadelar av galaxen, såväl som att mäta rotationshastigheter, jämföra redshifts på galaxens närmar och återgående sidor. Vid vägning ser astronomer en skillnad mellan massan av alla objekt i galaxen och dess totala massa.
rödförskjutning— Förskjutning av spektrallinjer för kemiska grundämnentill den röda (lång våglängd) sidan. Detta fenomen kan vara ett uttryck för svag diffus spridning, dopplereffekten eller gravitationsrödförskjutning, eller en kombination av dessa. Förskjutningen av spektrala linjer i himlakropparnas spektra beskrevs först av den franske fysikern Hippolyte Fizeau 1848 och föreslog Dopplereffekten orsakad av stjärnans radiella hastighet för att förklara förskjutningen.
Gravity lensing
Enligt den allmänna relativitetsteorin, vilken som helsttiden som passerar genom gravitationsfältet är något förvrängd. Den fungerar som en gravitationslins och kan till exempel producera "Einsteinringar", som i bilden nedan.
Einsteins generella teori om relativitetstillståndatt gravitationen hos sådana stora rymdobjekt som galaxer böjer utrymmet runt det och avböjer ljusets strålar. När detta inträffar, en förvrängd bild av en annan galax - ljuskällan.
"Einstein Ring" i bilden ovan ärförvrängd bild av en galax (den är markerad i blått), som ligger bakom den andra (röda) galaxen i mitten. Ljus från blå propagates i alla riktningar, men är böjt av gravitationen av en röd galax. Det betyder att ljus, som till exempel ursprungligen riktades direkt till jorden, aldrig kommer att nå vår planet - till skillnad från ljus, som hade en annan riktning men förvrängdes av en lins och fortsätter som om från alla håll samtidigt. Denna process förklarar ringets utseende.
I svaga gravitationslinser, statistiskGenom att analysera förvrängningarna i ljuset vi tar emot kan vi "märka" gravitationsfältet mellan jorden och avlägsna galaxer. Det finns ofta mer massa – och därför mer materia – på detta område än vad forskare kan förklara.
Ett exempel på gravitationslinser, som ur befintlig teoris synvinkel bevisar närvaron av mörk materia, är ett fotografi av galaxhopen Bullet, som ligger i stjärnbilden Carina.
Bilden visar efterdyningarna av kollisionen mellan två galaxer. Det röda i bilden visar områden med synlig materia, den blå visar mörk materia, vars närvaro bestäms av gravitationslinser.
Denna skillnad beror på attDet mesta av ljusämnet i ett klyftan av galaxer finns i ett intraclustermedium - i en het, tät plasma. När delar av plasman kolliderar med varandra, sänks en signifikant mängd av substansen och förblir i mitten. Men mörk materia påverkar svagt med materia, så dess komponenter från de två klustren kan fritt passera varandra - detta leder till den separation som visas i bilden.
Relikstrålning
Under de första hundra tusen åren efterVid Big Bang var universum tillräckligt varmt för att bli starkt joniserat. Detta gjorde den tillfälligt nästan ogenomskinlig för ljus - fotonerna roterade som vilken annan partikel som helst. Men när saker svalnade tillräckligt, kombinerades betydande mängder protoner och elektroner för att bilda neutralt väte, som blev tillräckligt transparent för det mesta av ljuset som omgav den. Denna process hände ganska snabbt (i termer av kosmologisk tid) - som ett resultat släpptes allt ljus som fanns i universum, relativt sett, plötsligt ut och tog en ögonblicksbild i det skedet av dess utveckling. Detta är ett förenklat sätt att beskriva den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.
För att upptäcka detta ljus kan forskarepeka radioteleskop i valfri riktning, och beroende på observationsområde kommer temperaturen att ändras något. Skillnaden i temperatur förklaras av närvaron eller frånvaron av mörk materia i denna region.
Vad är ovanligt i den första galaxen?
DF2 är en galax som ingår i en stor gruppledd av den massiva elliptiska galaxen NGC 1052. Galaxen fångade forskarnas uppmärksamhet eftersom den såg annorlunda ut på fotografier tagna av Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I den första uppträdde galaxen som en fläck av svagt ljus, medan den i den andra var en grupp punktobjekt.
Baserat på dessa observationer, forskare under ledning avPieter van Dokkum identifierade tio klothopar (stora grupper av gamla stjärnor) i galaxen och fann att de rör sig tre gånger långsammare än om det fanns stora mängder mörk materia. Faktum är att om galaxens massa var större än massan av synliga objekt, skulle klustren rotera snabbare.
Det vetenskapliga samfundet bedömde publikationen kritiskt– Forskarnas misstag var att de bara observerade tio kluster och bara under två nätter. Skeptiker trodde att forskare kan ha förbisett nyckeldetaljer om stjärnhopars rörelse, vilket resulterade i att deras uppskattningar av galaxens massa och synliga materia var skeva.
Och i den andra?
Det enda sättet att bevisa riktigheten av derasObservation var sökandet efter en andra galax, som skulle innehålla den minsta mängden mörk materia - och i mars 2019 upptäcktes en sådan galax.
Forskarna publicerade två vetenskapliga artiklar - iDe var de första att mäta om DF2:s massa med hjälp av Hubbles avancerade kamera och 10-metersteleskopet vid Keck Observatory på Hawaii. Den här gången observerade astronomer inte bara hoparnas rörelsehastighet, utan också rotationshastigheten för stjärnorna inuti dem. Som ett resultat har forskare fastställt att DF2 är en genomskinlig ultradiffus galax, vars storlek är ungefär densamma som Vintergatan. Bara det fanns ungefär 200 gånger färre stjärnor i den.
Den andra artikeln ägnades åt upptäckten av sådanaDF2-galaxer - DF4, som ligger i samma kluster bredvid galaxen NGC 1052. Forskarna tror att för det första är galaxer med en minimal mängd mörk materia inte ovanligt, och för det andra att en stor galax skulle kunna stjäla mörkret materia från sina mindre grannar.
Hur kan frånvaron av mörk materia vara bevis på dess existens?
För att förstå uttalandet att avsaknaden av en mörkmateria i två galaxer bekräftar sin närvaro i universum i enlighet med den allmänna relativitetsteorin, är det värt att överväga kritiken av tanken på närvaron av mörk materia.
Vissa forskare håller inte med det i universumDet finns mörk materia, och teoretiskt bevis på dess närvaro hänför sig till den så kallade modifierade newtonska dynamiken (MOND). Denna alternativa teori säger att gravitationen på en kosmisk skala inte fungerar som Isaac Newton eller Albert Einstein förutspådde. Det betyder att den allmänna relativitetsteorin, på vilken teorier om förekomsten av mörk materia byggs, inte fungerar när det gäller galaxer.
Till exempel teoretisk fysiker Erik Verlinde frånUniversitetet i Amsterdam publicerade en vetenskaplig artikel 2016 som undersökte gravitation som en biprodukt av kvantinteraktioner och föreslog att den extra gravitationen som tillskrivs mörk materia är en effekt av mörk energi - bakgrundsenergi invävd i universums rymd-tid.
Verlinde menar med andra ord att mörk materia inte är materia, utan bara en växelverkan mellan vanlig materia och mörk energi.
Upptäckten av forskare från Yale Universityvisar att mörk materia kan separeras från vanlig materia, förutsatt att båda de detekterade galaxerna beter sig i enlighet med standard tyngdteori. Det vill säga de processer som förekommer i dem kan förklaras med hjälp av ekvationerna som upptäckts av Newton och Kepler.
Vad är frågorna
Upptäckt av astronomer, om det lyckasslutgiltigt bekräftat genom framtida observationer, utmanar befintlig teori om galaxbildning. I synnerhet talar vi om antagandet att den större NGC 1052 skulle kunna "stjäla" mörk materia från DF2 och DF4. Om detta verkligen är möjligt, förutsatt att ordningen som observeras i båda observerade galaxerna bevaras, måste astronomerna helt ompröva mekanismen för deras bildande och existens.
"Vi hoppas att få reda på hur vanligtdessa galaxer och om de finns i andra delar av universum. Vi vill hitta fler bevis som hjälper oss att förstå hur deras egenskaper är konsekventa eller inte förenliga med våra aktuella teorier. Vi hoppas att detta kommer att göra det möjligt för oss att ta ett steg till att förstå en av de största mysterierna i vårt universum - naturen hos mörk materia, säger Dokkum i en konversation med astronomin.