Temná hmota byla poprvé navržena vysvětlit, rychlost, kterou hvězdy obíhají kolem středu své galaxie. Od té doby, hledání dalších linií důkazů pro temnou hmotu bylo zajímavé.

jedním z největších úspěchů se jevila srážka hvězdokup galaxií zvaná kulka. Poskytl jeden z nejúžasnějších a nejintuitivnějších náznaků, které zřejmě ukazovaly, že temná hmota je skutečná. Naše vlastní zpráva o prvních důkazech shluku střel, napsaná před více než deseti lety, byla docela nadšená. A v příbězích, které následovaly o existenci temné hmoty, máme tendenci k léčbě Bullet Cluster jako zlatý standard. Pokud nemůžete vysvětlit shluk kuliček, pak je vaše teorie pravděpodobně trochu zbytečná.

Zobrazit více

výše uvedený obrázek ukazuje pozůstatky dvou kup galaxií, které se srazily, s menší „kulka“, která prošla větší clusteru. Energie srážky je taková, že pravidelná hmota byla zahřátá na velmi vysoké teploty, což způsobilo, že v rentgenovém režimu svítila jako blázen (což je znázorněno červeně). Takže rentgenový dalekohled může vytvořit jasný obraz distribuce hmoty jak kulky, tak většího clusteru. Ještě lepší je, že tato srážka se nám zdá být téměř vedlejší, takže máme nejlepší místo v domě, abychom ji mohli pozorovat.

kromě toho mají obě hvězdokupy významnou hmotnost a působí jako gravitační čočky. Zobrazovací objekty, které jsou za klastrů a pochopit, jak obrazy jsou zkreslené tím, že uplynulých objektiv, můžeme zmapovat Bullet Cluster hmotnosti. Toto je zobrazeno modře.

překrytí dvou obrazů ukazuje, že hmota není tam, kde je hmota-tedy temná hmota. Toto je pouze jedna z několika kolizí mezi shluky, které vykazují podobné vlastnosti-gravitaci bez zjevné hmoty – ale shluk kuliček je bezpochyby nejčistším příkladem ze všech.

Nicméně, Bullet Cluster ukazuje něco, co je pravděpodobně důležitější: věda funguje. Ačkoli počáteční publikace byla nabízena jako důkaz temné hmoty, rychle se zjistilo, že příběh může být komplikovanější. Ve skutečnosti, příběh dokonce začal stínovat směrem ke shluku kuliček, které jsou důkazem proti temné hmotě. Teoretičtí fyzici nechali své představy uvolnit a přinesli temnou energii a modifikované teorie gravitace na stůl. Ale nakonec, jak se prach usadil, myšlení se vrátilo k původnímu výkladu, který byl správný.

při pohledu zpět na shluk kulek dnes-jak jsme se dostali sem a tam a zpět-zdůrazňuje, jak věda funguje stejným čistým způsobem. Data jsou král, ale teorie je království; potřebujete obojí a ani jedno není vytesáno do kamene.

Vysvětlení údajů vyvolává otázky

Krátce poté, co Kulka shluková analýza byla zveřejněna v roce 2006, vědci začali, aby se blíže podívat na data. Zpočátku to všechno vypadalo trochu záhadně. Zdálo se, že pokusy modelovat srážku nezabraly.

jedním z odvětví astrofyziky je modelování galaxií a shluků galaxií. V počítači můžete vytvořit dva shluky, které přibližně odpovídají rozložení hmotnosti některých pozorování, a poté je spojit libovolnou rychlostí. Můžete také vytvořit model, který má mnoho různých klastrů a podívejte se na statistiky srážek, aby viděli, co průměrný clusteru crash vypadá.

Tento dvoustupňový proces nám říká různé věci. Jeden model nám říká, Vzhledem k pozorovacím údajům, jak velké shluky byly a jak rychle se k sobě blížily, když se srazily. Druhý model nám s ohledem na náš vesmír říká, jakou velikost klastrů galaxií bychom měli očekávat a jak rychle se obvykle srazí.

pro kolizní model nestačí odpovídat rozložení viditelné hmoty a gravitačnímu čočkování, které bylo pozorováno. Existuje celá řada funkcí, které modely potřebují k reprodukci. Jak jsme zmínili výše, normální hmota je tak horká, že produkuje spoustu rentgenových paprsků. Ale to není dost pro model vyrábět X-paprsky; to by mělo produkovat stejné spektrum X-záření—to je, že bychom měli být schopni předpovědět relativní jas každé barvy X-ray. Další omezení mají co do činění s materiálem ve shlucích. Během srážky se hmota (obyčejná hmota, tj. Naše pozorování poskytují odhad toho, kolik je převedeno, a modely by měly předpovídat přenos.

druhý model je o pravděpodobnostech. Při mapování výsledků prvního modelu na modely mnoha kupy galaxií náhodně srazí s sebou, měli byste zjistit, že předpovídané srážky není příliš výjimečné. Ano, je možné, že jsme narazili na ekvivalent vítězného loterijního tiketu. Ale pokud modely předpovídají, že srážka clusteru vyžaduje docela výjimečné podmínky, měli bychom pravděpodobně předpokládat, že jsme někde udělali chybu. Nebo přesněji, pro každou kolizi, která vyžaduje extrémní podmínky, jsme měli pozorovat spousty, které jsou v normálním rozmezí. Protože nemáme spousta dalších kolizí, Bullet Cluster by měl být v tom normálním rozmezí.

Ale první prací publikovaných po Kulce, shluková analýza ukázala, že možná, jen možná, není všechno v pořádku. Je kulka zvláštní?

need for speed?

první náznak, že by něco mohlo být v nepořádku, pochází z modelů, které se srazily ve dvou shlucích.

Chcete-li srazit dva shluky galaxií, musíte se rozhodnout, jakou fyziku zahrnout. V prvních pokusech byly modely relativně jednoduché. Každá hvězdokupa se skládala z množství obyčejné hmoty a částic temné hmoty. Tyto prošel navzájem, kolize v případě, že obyčejná hmota (dark matter ignoruje vše, co v cestě). Zvýšení tlaku z kolize zvyšuje teplotu, což způsobuje, že částice emitují rentgenové záření. Současně kolize vytváří rázovou vlnu, která také zvyšuje tlak a vytváří ještě teplejší plyn, který vydává více rentgenových paprsků.

i když výpočetně náročné vzhledem k počtu částic, model obsahuje pouze minimální fyziky poměrně jednoduché kapaliny. A analýza byla stejně jednoduchá: reprodukuje náš model hlavní rysy v našich pozorováních? Vědci se zaměřili na pozorované nárazy, rozložení hmoty a rentgenové emise. Jejich pokus o reprodukci těchto funkcí zahrnoval vyzkoušení různých kombinací kolizních rychlostí, hustoty, a celkové hmotnosti obou shluků.

pro danou množinu počátečních podmínek lze reprodukovat jakoukoli konkrétní pozorovací vlastnost. Chcete-li však získat všechny funkce, které vyžadují, aby tyto dva shluky měly docela omezenou sadu hustot, hmotnostních poměrů a, co je nejdůležitější, kolizní rychlost.

jak je typické pro vzrušující nové výsledky, jiní se snažili udělat totéž, vše pomocí mírně odlišných modelů. Ale všichni dospěli k podobným závěrům. Rozsah srážkových rychlostí se také zdál špatný—pohyboval se od 2 700 km / s až po masivní 4 050 km / s. Celý rozsah se zdál vysoký, vzhledem k tomu, že převládající teorie temné hmoty se nazývá „studená temná hmota“, kde chlad je další způsob, jak říci pomalu se pohybující.

ale nemáme tušení, zda klastry galaxií dodržují jakýkoli rychlostní limit (jiný než „pomalejší než světlo“). Mít více než intuitivní odhad o tom, zda tyto výsledky byly vysoké, výzkumníci potřeba se obrátit na jiný typ modelu, který modeluje pohyb shluků galaxií. Prvním krokem k vytvoření tohoto typu modelu je rozhodnout, z čeho je váš vesmír vyroben.

protože to vidíme, už víme o tom, kolik obyčejné hmoty je kolem, a víme, jakou rychlostí se pohybuje. Temná hmota je ale jiný příběh. Pokud předpokládáte, že temná hmota existuje, musíte se rozhodnout, jak je distribuována a jak rychle se pohybuje.

rychlost tmy (hmoty)

Toto není zcela svobodná volba. Velký třesk a skutečnost, že se po této události podařilo vytvořit galaxie, omezily rychlost a distribuci temné hmoty. Pohyb galaxií v clusteru vám také říká o distribuci temné hmoty. Všechna tato pozorovací data jsou tedy výchozím bodem, což omezuje flexibilitu modelu. Koneckonců, realita vládne. Pokud by výchozí bod nevedl například k galaxiím, pak bude odmítnut.

Chcete-li zjistit, zda kolizní rychlost byla výjimečná, dalším krokem bylo prozkoumat modely kolizí clusteru. Za tímto účelem vědci vytvořili velkou krabici (více než 4GigaParsecs na boku) a naplnili ji temnou hmotou—obyčejná hmota je menší složkou a většina, ale ne všechny, modely ji zanedbávají. Vědci nechali model běžet, aby vyvíjeli vesmír. V různých časových okamžicích by model zmrazili a prozkoumali. Vědci hledali velké shluky, které uvěznily malý shluk v jeho gravitační studni. Za těchto podmínek by byl malý klastr odsouzen ke srážce se svým větším sousedem.

Chcete-li srovnání s Bullet Cluster fér, vědci se omezují pouze na clustery s hmotnostní poměr podobný Bullet Cluster kolize. Kromě toho odstranili pohledy, protože shluk kulky vypadá, že je blízko čelní srážce.

Zdálo se, že ke kolizím dochází poměrně pravidelně: vědci našli necelých 80 příkladů kolizí, které vypadaly jako shluk kuliček. Dosud, žádný z nich reprodukoval podrobnosti o kolizi kulky. Pouze jedna srážka měla nekonečnou rychlost vyšší než 2 000 km / s—což bylo stále příliš pomalé-pamatujte, že všechny kolizní modely naznačovaly mnohem vyšší rychlost.

současné napětí

ještě znepokojivější je, že v minulosti nedošlo ke kolizím shluků střel. Model ukázal, že všechny kolize se správným hmotnostním poměrem (např. malý shluk se ponoří do velkého shluku) se dějí v dnešní době. Tam venku ve vesmíru právě teď jsou malé shluky bezmocně nasávány do tlamy velkých. V minulosti, ačkoli, vědci nenašli žádné z těchto párů. Protože dnes pozorujeme shluk kulek, víme, že se to stalo v minulosti. Dokonce víme, jak dávno se to stalo.

abychom se vešli do pozorovatelných dat, měli bychom najít malé shluky, které se v minulosti srazily s velkými shluky. Dosud, naše modely neukázaly nic takového.

místo toho je minulost ovládána podobně velkými shluky, které se vrhají do sebe. Tento proces může být tím, co vytváří rozdíly ve velikostech clusterů, které nakonec umožňují kolize podobné kulkám. Ale to vyžaduje čas-podle těchto modelů, dlouhou dobu.

velkým problémem se ukázalo, že v každém počítačovém modelu mají vědci řadu možností: jakou fyziku zahrnout, co vyloučit a co přiblížit. Kromě toho je třeba provést také technické volby: jakou velikost vesmíru plánujete simulovat? Jaká je nejmenší funkce, se kterou se váš model bude zabývat? Tyto dvě možnosti jsou spojeny, které jsou omezeny množstvím dostupného výpočetního výkonu. A na nich opravdu záleží.

ukazuje se, že na velikosti modelového boxu a rozlišení záleží. Nebo přesněji, čím větší je krabice a čím více částic je v krabici, tím více se můžete dostat do extrémů distribuce rychlosti. U typu modelu použitého v počáteční analýze se očekává, že vysokorychlostní kolize budou vzácné. Novější práce naznačují, že pole potřebovali mít objem asi osm krát větší, než všechny, které byly se snažil tak daleko pokud byste chtěli vidět jediné kolize, která odpovídá rychlosti předpovídané srážky modelů.

ale to jsme v té době nevěděli. Zdálo se, že konsensus je, že něco není v pořádku—ne nutně s temnou hmotou, a už vůbec ne s pozorováními. Očekávání bylo, že buď modely, které simulují formování a dynamiku galaxií, něco chyběly, nebo model, který se srazil s klastry, něco chybělo. Ale který z nich byl vypnutý a co přesně mu chybělo?

vířícím světě teoretické fyziky

V tomto bodě, teoretičtí fyzikové se začít trochu nadšený—Výsledky, Které Nejsou Vysvětleny™ znamená, že Nová Fyzika™. Možná by temná energie mohla hvězdokupu urychlit? A pokud ne temná energie, mohli bychom zkusit modifikovanou newtonovskou dynamiku, myšlenku, která nahrazuje temnou hmotu modifikovanou teorií gravitace? V obou případech můžete získat větší kolizní rychlosti. Ale přišli za cenu: použití fyzického modelu, který měl nějaké docela řídké důkazy, které ho podporovaly.

v tomto případě se všechny tyto myšlenky ukázaly jako špatné, ale jejich zvážení bylo nezbytnou součástí procesu. Nebrat je v úvahu by naznačovalo, že jsme odmítli přehodnotit správnost základní fyziky. Vždy existují nápady, které by měly být k diskusi, když se experimentální důkazy a současná teorie neshodnou. Budou se téměř vždy mýlit, ale“ téměř “ aspekt je spíše kritický.

V tomto případě, i když existují rozdíly mezi teorií a pozorování, příběh neskončil s novou teorií. Místo toho vědci přišli na to, jak vyřešit rozdíly. Proces začal přehodnocením modelu kolize clusteru. Původní práce se zabývala pouze několika hrubými rysy: kde bylo těžiště pro každý shluk, jaký byl tvar nárazové fronty atd.

MODEL předpokládal, že shluky byly před srážkou sféricky symetrické. To je docela nereálné, a obrovský rozpor znamenal, že je čas začít brát vážně. Klastry byly přeměněny na elipsy a účinek magnetických polí byl přidán do fyziky podobné tekutinám. To je důležité, protože magnetická pole omezují nabitou (obyčejnou) hmotu, aby se pohybovala po polních čarách. To může zvýšit tlaky a teploty.

i bez těchto dodatků se starý model již hodí k hrubým rysům clusteru kuliček. Nyní byl také čas pokusit se vysvětlit podrobnosti. Většina astronomických dat přichází ve formě obrázků a ne nutně viditelných světelných obrazů. Rentgenové záření, data radioteleskopu a mnoho dalších částí spektra jsou běžné. Některé z těchto údajů se používají k poskytnutí odhadů jednotlivých pixelů o zajímavějších fyzikálních vlastnostech, jako je teplota.

zpracování Pixelů

to je místo, kde vědci zamířili: porovnání modelů s nejlepším rozlišením dat, která měli modelovat. Jednalo se o porovnání jednotlivých pixelů mezi experimentálními daty a předpověďmi modelu.

to vyžaduje trochu jemnosti. Existuje pouze jeden shluk kuliček, a tedy pouze jedna kompletní sada dat. Model má některé neznámé, které musí být nastaveny na základě experimentálních dat. Jak tedy data používáte k nastavení modelu a stále porovnáváte výsledky s daty? Nakonec tým použil gravitační čočková data a nízkoenergetickou část rentgenového emisního spektra k fixaci parametrů ve svém modelu. Poté porovnali výstup modelu se všemi ostatními daty.

nakonec, model, který je součástí magnetické pole reprodukovat pozorovaná data velmi dobře. Ne dokonale a v některých ohledech špatně, ale bylo to lepší než předchozí práce. Přesto nebylo zřejmé, že nás to někam dostalo, protože srážková rychlost, kterou předpovídal, se stále zdála poměrně vysoká (kolem 2 800 km / s až 2 900 km / s). Byl však důležitý rozdíl: pro reprodukci kolize musel být hlavní cluster větší, než předpovídal předchozí model.

s fyzikou kolize, která se zjevně reprodukovala, se vědci vrátili k rychlosti kolize. V jejich modelu byla rychlost kolize stále masivní 2 800 km / s, což se neliší od hodnot získaných dřívějšími vědci. Přesto tvrdili, že tato rychlost je v pořádku. Jaký je v tom rozdíl?

rozdíl je v hmotnosti většího clusteru. Nový model předpověděl hmotnost, která je třikrát větší, než se dříve myslelo. To dává další gravitační přitažlivost, když přitahuje malou, urychluje náraz. Opětovné spuštění modelů shluků pomocí mnohem většího modelového vesmíru as mnoha dalšími shluky galaxií, vědci byli schopni vidět, že shluky této hmoty nebyly tak neobvyklé,a bylo spousta kolizí, které vypadaly jako kulka.

a co je nejdůležitější, u větších shluků byly kolizní rychlosti větší. Shluk kuliček je stále trochu nad průměrem. Co to znamená? To znamená, že Kulka Clusteru kolize je stále výjimečná, ale jen v jednom-v-a-set smyslu, a ne v jednom-v-100 milionů smysl indikováno nejdříve výzkumu.

je příběh zcela vyřešen? Asi ne. Jsem si jist, že revidovaný model bude stále potřebovat větší kontrolu—ale shluk kuliček – a věda obecně-je pomalu se pohybující příběh. Původní pozorování kulky byla oznámena asi před deseti lety; revidovaný model je starý pouze dva roky. A to jednoduše odráží povahu vědy. Z větší části jde o pocení malých věcí, protože to je jediný způsob, jak porozumět velkým věcem. Je to samoopravný proces. Vytváří modely, o kterých víte, že se mýlí, a dává je tam, aby viděli, jak se opravdu mýlí.

věda si zkrátka hraje s neúspěchem a miluje ji.