Tunnustan ensimmäisenä, ettemme ymmärrä pimeää ainetta. Esimerkiksi, kun tarkastelemme galaksia ja laskemme kaikki kuumat hehkuvat bitit, kuten tähdet ja kaasu ja pöly, saamme tietyn massan. Kun käytämme mitä tahansa muuta tekniikkaa massan mittaamiseen, saadaan paljon suurempi luku. Joten luonnollinen johtopäätös on, että kaikki maailmankaikkeuden asia ei ole kuuma ja hehkuva. Ehkä jotkut jos se on, tiedätkö, tumma.
Mutta pidä kiinni. Ensin meidän pitäisi tarkistaa matematiikka. Olemmeko varmoja, että emme vain saa fysiikkaa väärin?
Tumman aineen yksityiskohdat
Suurin osa tumman aineen palapelissä (vaikkakaan ei todellakaan ole ainoa, ja tämä on tärkeä myöhemmin artikkelissa) tulee ns. Galaksien kiertokäyrien muodossa. Kun tarkkailemme tähtiä pyörimään niiden galaksien keskipisteen ympäri, kaikista oikeuksista niiden, jotka ovat kauempana keskustasta, pitäisi liikkua hitaammin kuin lähempänä keskustaa. Tämä johtuu siitä, että suurin osa galaktisesta massasta on tungosta ytimeen, ja syrjäisimmät tähdet ovat kaukana kaikesta tuosta, ja yksinkertaisen Newtonin painovoiman avulla niiden tulisi seurata hitaita laiskoja kiertoratoja.
Mutta he eivät.
Sen sijaan syrjäisimmät tähdet kiertävät yhtä nopeasti kuin heidän aloittelijansa serkut.
Koska tämä on painovoimapeli, on olemassa vain kaksi vaihtoehtoa. Joko saamme painovoiman väärin, tai jokaisessa galaksissa on ylimääräisiä näkymättömiä juttuja. Ja sikäli kuin voimme kertoa, saamme painovoiman erittäin oikein (se on toinen artikkeli), joten puomi: tumma aine. Jotakin pitää nämä vapaasti pyörivät tähdet loukussa galakseihinsa, muuten ne olisivat lentäneet ulos kuin hallitsemattomat merkeillä ympäri maailmaa miljoonia vuosia sitten; ergo, siellä on koko joukko juttuja, joita emme voi nähdä suoraan, mutta voimme epäsuorasti havaita.
Tulossa raskaaksi
Mutta entä jos tämä ei ole pelkästään painovoiman peliä? Loppujen lopuksi on neljä luonnonvoimaa: vahva ydin, heikko ydin, painovoima ja sähkömagneetti. Saako joku heistä pelata tässä loistavassa pelissä?
Vahva ydin toimii vain kymmenen pienellä pienatomialla, joten se on oikein. Ja kukaan ei välitä heikosta ydinvoimasta paitsi tietyissä harvinaisissa hajoamissa ja vuorovaikutuksissa, joten voimme laittaa sen myös sivuun. Ja sähkömagneetismi… No, luonnollisesti säteilyllä ja magneettikentillä on merkitystä galaktisessa elämässä, mutta säteily työntyy aina ulospäin (joten ei selvästikään auta pitämään nopeasti liikkuvia tähtiä juurtuneina sisään) ja galaktiset magneettikentät ovat uskomattoman heikkoja (ei vahvempia kuin miljoonasosa maan omasta magneettikentästä). Joten… ei mene, eikö?
Kuten melkein kaikessa fysiikassa, siellä on myös harhainen reitti. Sikäli kuin voimme kertoa, fotoni - itsensä sähkömagneettisen voiman kantaja - on täysin massaton. Mutta havainnot ovat havaintoja, eikä mikään tieteessä tiedetä varmasti, ja nykyisten arvioiden mukaan fotonin massa on enintään 2 x 10-24 elektronin massa. Forall aikomukset ja tarkoitukset, tämä on pohjimmiltaan nolla melkein kaikesta, josta kuka tahansa välittää. Mutta jos fotoni tekeeon massa, jopa alle tämän rajan, se voi tehdä joitain aika hauskoja asioita yliopistolle.
Massan läsnä ollessa fotonissa Maxwellin yhtälöt, tapa ymmärtää sähköä, magneettisuutta ja säteilyä, muuttuvat. Lisätermit ilmestyvät matematiikkaan ja uudet vuorovaikutukset tulevat muotoon.
Voitko tuntea sen?
Uudet vuorovaikutukset ovat sopivasti monimutkaisia ja riippuvat erityisestä skenaariosta. Galaksien tapauksessa niiden heikko magneettikenttä käynnistyy tuntemaan vähän jotain erityistä. Koska magneettikentät ovat sotkeutuneet ja kiertyneet, massiivisten fotonien läsnäolo muuttaa Maxwellin yhtälöitä vain oikea tapa lisätä uusi houkutteleva voima, joka voi joissain tapauksissa olla voimakkaampi kuin pelkästään painovoima.
Toisin sanoen uusi sähkömagneettinen voima saattaa kyetä pitämään nopeasti liikkuvat tähdet köysinä, poistaen kokonaan pimeän aineen tarpeen.
Mutta se ei ole helppoa. Magneettiset kentät kiertävät koko galaksin tähtiä, ei tähtiä. Joten tämä voima ei voi vetää tähtiä suoraan. Sen sijaan voiman on tehtävä veto tunnetuksi thegasille, ja jotenkin kaasun on annettava tähtiä tietää, että siellä on uusi sheriffin kaupunki.
Massiivisten, lyhytaikaisten tähtien tapauksessa tämä on melko yksinkertaista. Kaasu itsessään piiskaa galaktisen ytimen ympärillä huippunopeudella, muodostaa tähden, tähti elää, tähti kuolee ja jäännökset palaavat kaasuunsa riittävän nopeasti, että kaikki tähdet matkivat kaasun liikettä kaikissa tarkoituksissa ja tarkoituksissa meille tarvitsemme kiertokäyrät.
Suuri ongelma pienissä tähtiä
Mutta pienet, pitkäikäiset tähdet ovat toinen peto. He irtoavat niistä muodostaneesta kaasusta ja elävät oman elämänsä, kiertäen galaktisen keskuksen ympäri useita kertoja ennen niiden loppumista. Ja koska he eivät tunne outoa uutta sähkömagneettista voimaa, heidän pitäisi vain ajautua pois galakseistaan kokonaan, koska mikään ei pidä niitä kurissa.
Tosiaankin, jos tämä skenaario oli tarkka ja massiiviset fotonit voisivat korvata tumman aineen, oman aurinkojemme ei pitäisi olla siellä, missä se on tänään.
Lisäksi meillä on erittäin hyvä syy uskoa, että fotonit todella ovat massattomia. Toki, Maxwellin yhtälöt eivät ehkä välitä kovinkaan paljon, mutta erityinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria varmasti tekevät siitä. Alat sekoittaa fotonimassaa ja sinulla on paljon selittäviä tekemistä, mister.
Lisäksi se, että kaikki rakastavat galaksien pyörimiskäyrää, ei tarkoita, että he ovat ainoa reittimme tummaan aineeseen. Galaksiklusterien havainnot, painovoimaobjektiivi, maailmankaikkeuden rakenteen kasvu ja jopa kosminen mikroaaltotausta osoittavat kaikki jonkinlaisen näkymättömän komponentin suuntaan maailmankaikkeuteen.
Vaikka fotonilla olisi massa, ja se pystyisi jotenkin selittämään kaikki tähdet galaksissa, ei vain massiiviset, se ei pystyisi selittämään joukkoa muita havaintoja (esimerkiksi kuinka uusi sähkömagneettinen voima selittäisi valon gravitaatiota taivutusta galaksiklusterin ympärillä? Se ei ole retorinen kysymys - se ei voi). Toisin sanoen, jopa massiivisilla fotoneilla täytetyssä kosmossa, tarvitsisimme silti myös pimeää ainetta.
Voit lukea lehden artikkelin tässä.
