Dunkle Materie wurde zuerst vorgeschlagen, um die Geschwindigkeit zu erklären, mit der Sterne das Zentrum ihrer Galaxien umkreisen. Seitdem war die Suche nach anderen Beweislinien für dunkle Materie interessant.

Einer der größten Erfolge schien eine Kollision von Galaxienhaufen zu sein, die als Bullet Cluster bezeichnet wird. Es lieferte einen der spektakulärsten und intuitivsten Hinweise, die zu zeigen schienen, dass dunkle Materie real war. Unser eigener Bericht über den ersten Beweis des Kugelhaufens, der vor mehr als einem Jahrzehnt geschrieben wurde, war ziemlich aufgeregt. Und in den Geschichten, die über die Existenz der dunklen Materie folgten, neigten wir dazu, den Kugelhaufen als Goldstandard zu behandeln. Wenn Sie den Bullet-Cluster nicht erklären können, ist Ihre Theorie wahrscheinlich ein bisschen nutzlos.

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Das Bild oben zeigt den Rest von zwei Galaxienhaufen, die kollidiert sind, mit einer kleineren „Kugel“, die durch den größeren Haufen gegangen ist. Die Energie der Kollision ist so, dass normale Materie auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wurde, wodurch sie im Röntgenbereich (rot dargestellt) wie verrückt leuchtet. So kann ein Röntgenteleskop ein klares Bild der Materieverteilung sowohl der Kugel als auch des größeren Clusters erzeugen. Noch besser, diese Kollision scheint uns fast seitlich zu sein, also haben wir den besten Platz im Haus, um sie zu beobachten.Darüber hinaus haben beide Cluster eine signifikante Masse und wirken wie Gravitationslinsen. Indem wir Objekte abbilden, die sich hinter den Clustern befinden, und verstehen, wie die Bilder durch die dazwischenliegende Linse verzerrt werden, können wir die Masse des Kugelhaufens abbilden. Dies ist blau dargestellt.

Die Überlagerung der beiden Bilder zeigt, dass die Masse nicht dort ist, wo die Materie ist — also dunkle Materie. Dies ist nur eine von mehreren Kollisionen zwischen Clustern, die ähnliche Merkmale aufweisen – Schwerkraft ohne offensichtliche Materie -, aber der Bullet-Cluster ist ohne Zweifel das sauberste Beispiel von allen.

Der Bullet-Cluster zeigt jedoch etwas, das wohl wichtiger ist: Wissenschaft funktioniert. Obwohl die erste Veröffentlichung als Beweis für dunkle Materie angepriesen wurde, wurde schnell klar, dass die Geschichte komplizierter sein könnte. Tatsächlich begann die Geschichte sogar zu schattieren, dass der Kugelhaufen ein Beweis gegen dunkle Materie war. Theoretische Physiker lassen ihrer Fantasie freien Lauf und bringen dunkle Energie und modifizierte Gravitationstheorien auf den Tisch. Aber schließlich, als sich der Staub gelegt hatte, kam das Denken wieder auf die ursprüngliche Interpretation zurück.

Ein Rückblick auf den heutigen Bullet-Cluster — wie wir von hier nach dort und wieder zurück gekommen sind – zeigt, wie Wissenschaft auf dieselbe saubere Weise funktioniert. Daten sind König, aber Theorie ist das Königreich; Sie brauchen beides, und keines ist in Stein gemeißelt.

Die Erklärung der Daten wirft Fragen auf

Kurz nach der Veröffentlichung der Bullet-Cluster-Analyse im Jahr 2006 begannen Wissenschaftler, sich die Daten genauer anzusehen. Anfangs schien alles ein bisschen rätselhaft. Versuche, die Kollision zu modellieren, schienen nicht zu funktionieren.

Eine der Heimindustrien in der Astrophysik ist die Modellierung von Galaxien und Galaxienhaufen. Sie können auf Ihrem Computer zwei Cluster erstellen, die ungefähr der Massenverteilung einiger Beobachtungen entsprechen, und sie dann mit einer beliebigen Geschwindigkeit zusammenrammen. Sie können auch ein Modell mit vielen verschiedenen Clustern erstellen und sich die Statistiken der Kollisionen ansehen, um zu sehen, wie der durchschnittliche Clusterabsturz aussieht.

Dieser zweistufige Prozess sagt uns verschiedene Dinge. Ein Modell sagt uns angesichts der Beobachtungsdaten, wie groß die Cluster waren und wie schnell sie sich näherten, als sie kollidierten. Das zweite Modell sagt uns angesichts unseres Universums, welche Größe von Galaxienhaufen wir erwarten sollten und wie schnell sie typischerweise kollidieren.

Für das Kollisionsmodell reicht es nicht aus, die beobachtete Verteilung von sichtbarer Materie und Gravitationslinse abzugleichen. Es gibt eine ganze Reihe von Funktionen, die die Modelle reproduzieren müssen. Wie oben erwähnt, ist die normale Materie so heiß, dass sie viele Röntgenstrahlen erzeugt. Aber es reicht nicht aus, dass ein Modell nur Röntgenstrahlen erzeugt; Es sollte das gleiche Spektrum von Röntgenstrahlen erzeugen – das heißt, wir sollten in der Lage sein, die relative Helligkeit jeder Röntgenfarbe vorherzusagen. Andere Einschränkungen haben mit dem Material in den Clustern zu tun. Während der Kollision wird Materie (dh gewöhnliche Materie) zwischen Clustern übertragen. Unsere Beobachtungen liefern eine Schätzung, wie viel übertragen wird, und die Modelle sollten die Übertragung vorhersagen.

Das zweite Modell dreht sich alles um Wahrscheinlichkeiten. Wenn Sie die Ergebnisse des ersten Modells auf Modelle vieler zufällig miteinander kollidierender Galaxienhaufen abbilden, sollten Sie feststellen, dass die vorhergesagte Kollision nicht zu außergewöhnlich ist. Ja, es ist möglich, dass wir das Äquivalent eines Lottogewinns erreicht haben. Aber wenn die Modelle vorhersagen, dass die Clusterkollision ziemlich außergewöhnliche Bedingungen erfordert, sollten wir wahrscheinlich davon ausgehen, dass wir irgendwo einen Fehler gemacht haben. Oder genauer gesagt, für jede Kollision, die extreme Bedingungen erfordert, hätten wir Lose beobachten sollen, die im normalen Bereich liegen. Da wir nicht viele andere Kollisionen haben, sollte der Bullet-Cluster innerhalb dieses normalen Bereichs liegen

Aber die ersten Papiere, die nach der Bullet-Cluster-Analyse veröffentlicht wurden, zeigten, dass vielleicht, nur vielleicht, nicht alles gut ist. Ist der Bullet Cluster etwas Besonderes?

Ein Bedürfnis nach Geschwindigkeit?

Der erste Hinweis darauf, dass etwas nicht in Ordnung sein könnte, kam von Modellen, die zwei Cluster kollidierten.

Um zwei Galaxienhaufen zu kollidieren, müssen Sie entscheiden, welche Physik einbezogen werden soll. In den ersten Versuchen waren die Modelle relativ einfach. Jeder Cluster bestand aus einer Reihe von Teilchen gewöhnlicher Materie und dunkler Materie. Diese passierten sich gegenseitig und kollidierten im Falle gewöhnlicher Materie (die dunkle Materie ignoriert alles auf ihrem Weg). Der Druckanstieg durch die Kollision erhöht die Temperatur, wodurch die Partikel Röntgenstrahlen emittieren. Gleichzeitig erzeugt die Kollision eine Stoßwelle, die auch den Druck erhöht und ein noch heißeres Gas erzeugt, das mehr Röntgenstrahlen emittiert.

Obwohl das Modell aufgrund der Anzahl der Teilchen rechenintensiv ist, enthält es nur die minimale Physik einer ziemlich einfachen Flüssigkeit. Und die Analyse war ebenso einfach: Reproduziert unser Modell die wichtigsten Merkmale in unseren Beobachtungen? Die Forscher konzentrierten sich auf die beobachtete Stoßfront, Massenverteilung und Röntgenemissionen. Ihr Versuch, diese Merkmale zu reproduzieren, beinhaltete das Ausprobieren verschiedener Kombinationen von Kollisionsgeschwindigkeiten, Dichten und Gesamtmassen der beiden Cluster.

Für einen gegebenen Satz von Anfangsbedingungen könnte jede bestimmte Beobachtungseigenschaft reproduziert werden. Um jedoch alle erforderlichen Funktionen zu erhalten, müssen die beiden Cluster einen ziemlich eingeschränkten Satz von Dichten, Massenverhältnissen und vor allem Kollisionsgeschwindigkeit aufweisen.

Wie es typisch für aufregende neue Ergebnisse ist, versuchten andere, dasselbe zu tun, alle mit leicht unterschiedlichen Modellen. Aber alle kamen zu ähnlichen Schlussfolgerungen. Die Reichweite der Kollisionsgeschwindigkeiten schien ebenfalls falsch zu sein – sie reichte von 2.700 km / s bis zu massiven 4.050 km / s. Der gesamte Bereich schien hoch zu sein, wenn man bedenkt, dass die vorherrschende Theorie der dunklen Materie den Titel „kalte dunkle Materie“ trägt, wobei Kälte eine andere Art ist, langsam zu sagen.

Aber wir haben keine Ahnung, ob Galaxienhaufen irgendeine Art von Geschwindigkeitsbegrenzung einhalten (außer „langsamer als Licht“). Um mehr als eine intuitive Vermutung darüber zu haben, ob diese Ergebnisse hoch waren, mussten sich die Forscher einem anderen Modelltyp zuwenden, der die Bewegung von Galaxienhaufen modelliert. Der erste Schritt zum Aufbau dieser Art von Modell besteht darin, zu entscheiden, woraus Ihr Universum besteht.

Weil wir es sehen können, wissen wir bereits, wie viel gewöhnliche Materie um uns herum ist, und wir wissen, mit welcher Geschwindigkeit sie sich bewegt. Dunkle Materie ist eine andere Geschichte. Wenn Sie davon ausgehen, dass dunkle Materie existiert, müssen Sie entscheiden, wie sie verteilt ist und wie schnell sie sich bewegt.

Die Geschwindigkeit der dunklen (Materie)

Dies ist keine völlig freie Wahl. Der Urknall und die Tatsache, dass sich nach diesem Ereignis Galaxien bildeten, schränkten sowohl die Geschwindigkeit als auch die Verteilung der dunklen Materie ein. Die Bewegung der Galaxien innerhalb eines Haufens sagt auch etwas über die Verteilung der dunklen Materie aus. All diese Beobachtungsdaten dienen also als Ausgangspunkt, was der Flexibilität des Modells einige Grenzen setzt. Schließlich regiert die Realität. Wenn der Startpunkt beispielsweise nicht zu Galaxien führen würde, wird er abgelehnt.

Um herauszufinden, ob die Kollisionsgeschwindigkeit außergewöhnlich war, bestand der nächste Schritt darin, Modelle von Clusterkollisionen zu untersuchen. Zu diesem Zweck erstellten die Forscher eine große Box (mehr als 4GigaParsecs auf einer Seite) und füllten sie mit dunkler Materie — gewöhnliche Materie ist eine untergeordnete Komponente, und die meisten, aber nicht alle Modelle vernachlässigen sie. Die Forscher ließen das Modell laufen, um das Universum zu entwickeln. Zu verschiedenen Zeitpunkten frierten sie das Modell ein und untersuchten es. Die Forscher suchten nach großen Clustern, die einen kleinen Cluster in seinem Gravitationsbohrloch eingeschlossen hatten. Unter diesen Bedingungen wäre der kleine Cluster dazu verdammt, mit seinem größeren Nachbarn zu kollidieren.

Um den Vergleich mit dem Bullet-Cluster fair zu gestalten, beschränkten sich die Forscher auf Cluster mit einem ähnlichen Massenverhältnis wie bei der Bullet-Cluster-Kollision. Außerdem entfernten sie flüchtige Schläge, da der Kugelhaufen aussieht, als wäre er kurz vor einer Frontalkollision.Kollisionen schienen ziemlich regelmäßig zu passieren: Die Forscher fanden knapp 80 Beispiele von Kollisionen, die wie der Kugelhaufen aussahen. Doch keiner von ihnen reproduzierte die Details der Kugelhaufenkollision. Nur eine Kollision hatte eine unfehlbare Geschwindigkeit von mehr als 2.000 km / s, was immer noch zu langsam war — denken Sie daran, alle Kollisionsmodelle hatten eine viel höhere Geschwindigkeit vorgeschlagen.

Gegenwärtige Spannung

Noch besorgniserregender ist, dass es in der Vergangenheit nicht zu Kollisionen mit Kugelhaufen kam. Das Modell zeigte, dass alle Kollisionen mit dem richtigen Massenverhältnis (z. B. kleine Cluster tauchen in große Cluster ein) heute stattfinden. Draußen im Universum gibt es gerade kleine Cluster, die hilflos in den Schlund großer Cluster gesaugt werden. In der Vergangenheit fanden die Forscher jedoch keine dieser Paarungen. Weil wir den Kugelhaufen heute beobachten, wissen wir, dass es in der Vergangenheit passiert ist. Wir wissen sogar, wie lange es her ist.

Um den beobachtbaren Daten zu entsprechen, sollten wir kleine Cluster finden, die in der Vergangenheit mit großen Clustern kollidierten. Doch unsere Modelle zeigten nichts dergleichen.

Stattdessen wird die Vergangenheit von ähnlich großen Clustern dominiert, die ineinander schleudern. Dieser Prozess könnte die Ungleichheit in den Clustergrößen verursachen, die schließlich kugelclusterartige Kollisionen ermöglicht. Aber das braucht Zeit – nach diesen Modellen eine lange Zeit.Das große Problem stellte sich heraus, dass die Forscher in jedem Computermodell eine Reihe von Entscheidungen treffen müssen: Welche Physik sie einbeziehen, was sie ausschließen und was sie approximieren. Darüber hinaus gibt es auch technische Entscheidungen zu treffen: Wie groß ist das Universum, das Sie simulieren möchten? Was ist das kleinste Merkmal, mit dem sich Ihr Modell befassen wird? Diese beiden sind gekoppelte Optionen, die durch die verfügbare Rechenleistung begrenzt sind. Und sie sind wirklich wichtig.

Es stellt sich heraus, dass die Größe der Modellbox und die Auflösung von Bedeutung sind. Genauer gesagt, je größer die Box und je mehr Partikel sich in der Box befinden, desto weiter können Sie in die Extreme der Geschwindigkeitsverteilung gelangen. Für den in der ersten Analyse verwendeten Modelltyp wird erwartet, dass Hochgeschwindigkeitskollisionen selten sind. Spätere Arbeiten deuteten darauf hin, dass die Box ein etwa achtmal größeres Volumen haben musste als alle bisher getesteten, wenn Sie eine einzelne Kollision sehen wollten, die den von den Kollisionsmodellen vorhergesagten Geschwindigkeiten entsprach.

Aber das wussten wir damals noch nicht. Der Konsens schien dann zu sein, dass etwas nicht stimmte – nicht unbedingt mit der dunklen Materie und schon gar nicht mit den Beobachtungen. Die Erwartung war, dass entweder den Modellen, die die Bildung und Dynamik von Galaxienhaufen simulieren, etwas fehlte oder dem Modell, das Cluster kollidierte, etwas fehlte. Aber welche war aus und was genau fehlte?

Die turbulente Welt der theoretischen Physik

An diesem Punkt werden theoretische Physiker etwas aufgeregt —Ergebnisse, die nicht erklärt werden ™ bedeutet neue Physik ™. Vielleicht könnte dunkle Energie den Cluster beschleunigen? Und wenn nicht dunkle Energie, könnten wir dann eine modifizierte Newtonsche Dynamik ausprobieren, eine Idee, die dunkle Materie durch eine modifizierte Gravitationstheorie ersetzt? In beiden Fällen können Sie höhere Kollisionsgeschwindigkeiten erzielen. Aber sie kamen zu einem Preis: mit einem physikalischen Modell, das einige ziemlich spärliche Beweise dafür hatte.

In diesem Fall erwiesen sich alle diese Ideen als falsch, aber ihre Berücksichtigung war ein wesentlicher Teil des Prozesses. Sie nicht zu berücksichtigen, würde bedeuten, dass wir uns weigerten, die Richtigkeit der fundamentalen Physik neu zu bewerten. Es gibt immer Ideen, die zur Diskussion stehen sollten, wenn experimentelle Beweise und aktuelle Theorie nicht übereinstimmen. Sie werden fast immer falsch liegen, aber der „fast“ -Aspekt ist ziemlich kritisch.

In diesem Fall endete die Geschichte nicht mit einer neuen Theorie, obwohl es Unterschiede zwischen Theorie und Beobachtungen gab. Stattdessen fanden die Forscher heraus, wie die Unterschiede behoben werden können. Der Prozess begann mit der Überprüfung des Modells für die Clusterkollision. Die ursprüngliche Arbeit hatte nur einige grobe Merkmale untersucht: Wo war der Massenschwerpunkt für jeden Cluster, wie war die Form der Stoßfront usw.

Das Modell ging davon aus, dass die Cluster vor der Kollision kugelsymmetrisch waren. Das ist ziemlich unrealistisch, und die große Diskrepanz bedeutete, dass es Zeit war, ernst zu werden. Die Cluster wurden in Ellipsen verwandelt, und die Wirkung von Magnetfeldern wurde der flüssigkeitsähnlichen Physik hinzugefügt. Letzteres ist wichtig, weil Magnetfelder geladene (gewöhnliche) Materie darauf beschränken, sich um Feldlinien zu bewegen. Dies kann Drücke und Temperaturen erhöhen.

Auch ohne diese Ergänzungen passte das alte Modell bereits zu den Bruttomerkmalen des Bullet-Clusters. Jetzt war es auch Zeit zu versuchen, die Details zu erklären. Die meisten astronomischen Daten kommen in Form von Bildern und nicht unbedingt Bildern mit sichtbarem Licht. Röntgenstrahlen, Radioteleskopdaten und viele andere Teile des Spektrums sind üblich. Einige dieser Daten werden verwendet, um pixelweise Schätzungen der interessanteren physikalischen Eigenschaften wie der Temperatur zu liefern.

Pixel verarbeiten

Hier gingen die Forscher vor: Sie verglichen die Modelle mit der besten Auflösung der Daten, die sie modellieren sollten. Dies beinhaltete einen pixelweisen Vergleich zwischen den experimentellen Daten und den Modellvorhersagen.

Das erfordert ein bisschen Fingerspitzengefühl. Es gibt nur einen Bullet-Cluster und somit nur einen vollständigen Datensatz. Das Modell hat einige Unbekannte, die auch auf der Grundlage der experimentellen Daten festgelegt werden müssen. Wie verwenden Sie die Daten, um Ihr Modell einzurichten und die Ergebnisse dennoch mit den Daten zu vergleichen? Am Ende verwendete ein Team die Gravitationslinsendaten und den niederenergetischen Teil des Röntgenemissionsspektrums, um die Parameter in ihrem Modell zu fixieren. Anschließend verglichen sie die Ausgabe des Modells mit allen übrigen Daten.

Am Ende reproduzierte das Modell, das die Magnetfelder einbezog, die Beobachtungsdaten ziemlich gut. Nicht perfekt und in gewisser Weise schlecht, aber es war besser als frühere Arbeiten. Trotzdem war es nicht offensichtlich, dass uns dies irgendwohin brachte, da die vorhergesagte Kollisionsgeschwindigkeit immer noch ziemlich hoch zu sein schien (etwa 2.800 km / s bis 2.900 km / s). Es gab jedoch einen wichtigen Unterschied: Um die Kollision zu reproduzieren, musste der Hauptcluster größer sein als vom vorherigen Modell vorhergesagt.

Nachdem die Physik der Kollision scheinbar reproduziert war, kehrten die Forscher zur Kollisionsgeschwindigkeit zurück. In ihrem Modell betrug die Kollisionsgeschwindigkeit immer noch massive 2.800 km / s, was sich nicht wesentlich von den Werten früherer Forscher unterscheidet. Dennoch behaupteten sie, dass diese Geschwindigkeit in Ordnung ist. Was ist der Unterschied?

Der Unterschied liegt in der Masse des größeren Clusters. Das neue Modell prognostizierte eine Masse, die dreimal größer ist als bisher angenommen. Das gibt eine zusätzliche Anziehungskraft, da es den kleinen anzieht und den Aufprall beschleunigt. Bei der erneuten Ausführung von Modellen von Clustern mit einem viel größeren Modelluniversum und mit viel mehr Galaxienhaufen konnten die Forscher feststellen, dass Cluster dieser Masse nicht so ungewöhnlich waren und es viele Kollisionen gab, die Kugelhaufen-ähnlich aussahen.

Am wichtigsten war, dass für die größeren Cluster die Kollisionsgeschwindigkeiten größer waren. Der Bullet Cluster liegt immer noch etwas über dem Durchschnitt. Was bedeutet das? Es bedeutet, dass die Kugelhaufenkollision immer noch außergewöhnlich ist, aber nur im Eins-zu-hundert-Sinn und nicht im Eins-zu-100-Millionen-Sinn, der durch die früheste Forschung angezeigt wird.

Ist die Geschichte vollständig gelöst? Wahrscheinlich nicht. Ich bin mir sicher, dass das überarbeitete Modell noch genauer unter die Lupe genommen werden muss, aber der Bullet Cluster — und die Wissenschaft im Allgemeinen — ist eine langsame Geschichte. Die ursprünglichen Bullet-Cluster-Beobachtungen wurden vor etwa zehn Jahren angekündigt; das überarbeitete Modell ist erst zwei Jahre alt. Und das spiegelt einfach die Natur der Wissenschaft wider. In den meisten Fällen geht es darum, die kleinen Dinge zu verstehen, denn nur so kann man die großen Dinge verstehen. Es ist ein selbstkorrigierender Prozess. Es geht darum, Modelle zu generieren, von denen Sie wissen, dass sie falsch sind, und sie dort zu veröffentlichen, um zu sehen, wie falsch sie wirklich sind.

Wissenschaft ist, kurz gesagt, mit dem Scheitern zu spielen und es zu lieben.