pimeää ainetta ehdotettiin ensin selittämään, millä nopeudella tähdet kiertävät galaksiensa keskustaa. Siitä lähtien pimeän aineen muiden todisteiden etsiminen on ollut mielenkiintoista.

yksi suurimmista onnistumisista näytti olevan Luotiklusteriksi kutsuttu galaksijoukkojen törmäys. Se tarjosi näyttävimpiä ja intuitiivisimpia viitteitä, jotka näyttivät osoittavan pimeän aineen olevan todellista. Yli vuosikymmen sitten kirjoitettu oma raporttimme luodinkestävän rykelmän ensimmäisistä todisteista oli aika innoissaan. Sitä seuranneissa tarinoissa pimeän aineen olemassaolosta-Luotirykelmää on pidetty kultakantana. Jos et pysty selittämään Luotirykelmää, teoriasi on luultavasti hyödytön.

Katso lisää

yllä olevassa kuvassa näkyy kahden törmänneen galaksijoukon jäännös, jossa on pienempi ”luoti”, joka on kulkenut suuremman galaksijoukon läpi. Törmäyksen energia on sellainen, että säännöllinen aine on kuumentunut hyvin korkeisiin lämpötiloihin, jolloin se hohtaa kuin hullu Röntgenjärjestelmässä (joka näkyy punaisella). Röntgenteleskooppi voi siis tuottaa selkeän kuvan sekä luodin että suuremman tähtijoukon materiajakaumasta. Vielä parempi on, että tämä törmäys näyttää olevan lähes sivusuunnassa, joten meillä on talon paras paikka tarkkailla sitä.

lisäksi molemmilla klustereilla on merkittävä massa ja ne toimivat gravitaatiolinssien tavoin. Kuvaamalla kohteita, jotka ovat klustereiden takana, ja ymmärtämällä, miten kuvat vääristyvät välissä olevan linssin avulla, voimme kartoittaa Luotirykelmän massan. Tämä näkyy sinisellä.

kahden kuvan päällekkäisyys osoittaa, että massa ei ole siinä, missä aine on—siis pimeää ainetta. Tämä on vain yksi monista törmäyksistä klusterien välillä, joissa on samanlaisia piirteitä—painovoima ilman näkyvää ainetta—mutta Luotijoukko on epäilemättä puhtain esimerkki niistä kaikista.

Bullet-klusterissa näkyy kuitenkin jotain, mikä on kiistatta tärkeämpää: tiede toimii. Vaikka alkuperäistä julkaisua mainostettiin todisteena pimeälle aineelle, huomattiin nopeasti, että tarina saattaa olla sitä monimutkaisempi. Itse asiassa tarina alkoi jopa varjostaa kohti Luotirykelmää, joka on todiste pimeää ainetta vastaan. Teoreettiset fyysikot päästivät mielikuvituksensa valloilleen, tuoden pimeää energiaa ja muunneltuja painovoimateorioita pöydälle. Mutta lopulta pölyn laskeuduttua ajattelu palasi siihen, että alkuperäinen tulkinta oli oikea.

katsellessa tämänpäiväistä Luotirykelmää—miten pääsimme täältä sinne ja takaisin—korostuu, miten tiede toimii samalla puhtaalla tavalla. Data on kuningas, mutta teoria on valtakunta; tarvitset molempia, eikä kumpikaan ole kiveen hakattu.

aineiston selittäminen herättää kysymyksiä

pian Bullet-Klusterianalyysin julkaisemisen jälkeen vuonna 2006 tutkijat alkoivat tutkia aineistoa tarkemmin. Aluksi kaikki tuntui hieman hämmentävältä. Yritykset mallintaa törmäystä eivät tuntuneet toimivan.

yksi astrofysiikan kotiteollisuuksista on Galaksien ja galaksijoukkojen mallinnus. Voit luoda tietokoneellasi kaksi klusteria, jotka vastaavat suunnilleen joidenkin havaintojen massajakaumaa, ja sitten Ramata ne yhteen millä nopeudella haluat. Voit myös tuottaa mallin, jossa on paljon erilaisia klustereita ja tarkastella törmäysten tilastoja nähdäksesi, miltä keskimääräinen klusteriromahdus näyttää.

Tämä kaksivaiheinen prosessi kertoo eri asioita. Eräs malli kertoo havaintoaineiston perusteella, kuinka suuria klusterit olivat ja kuinka nopeasti ne lähestyivät toisiaan törmätessään toisiinsa. Toinen malli kertoo meille, ottaen huomioon universumimme, minkä kokoisia galaksijoukkoja meidän pitäisi odottaa ja kuinka nopeasti ne tyypillisesti törmäävät.

kollisionaaliselle mallille ei riitä, että se vastaisi havaittua näkyvän aineen jakaumaa ja gravitaatiolinssiä. On olemassa koko liuta ominaisuuksia, joita mallien on toistettava. Kuten edellä mainittiin, normaali aine on niin kuuma, että se tuottaa paljon röntgensäteitä. Mutta se ei riitä, että malli tuottaa vain röntgensäteitä; sen pitäisi tuottaa sama spektri röntgensäteitä-eli meidän pitäisi pystyä ennustamaan suhteellinen kirkkaus kunkin värin röntgensäteilyä. Muut rajoitteet liittyvät klustereiden materiaaliin. Törmäyksen aikana aine (eli tavallinen aine) siirtyy klusterien välillä. Havaintomme antavat arvion siitä, kuinka paljon siirretään, ja mallien pitäisi ennustaa siirto.

toisessa mallissa on kyse todennäköisyyksistä. Kun kartoittaa ensimmäisen mallin tulokset malleille, joissa monet galaksijoukot törmäävät satunnaisesti toisiinsa, pitäisi huomata, että ennustettu törmäys ei ole liian poikkeuksellinen. Kyllä on mahdollista, että osumme lottokuponkia vastaavaan. Mutta jos mallit ennustavat, että klusteritörmäys vaatii aika poikkeuksellisia olosuhteita, pitäisi varmaan olettaa, että olemme tehneet virheen jossain. Tai tarkemmin sanottuna jokaisesta ääriolosuhteita vaativasta törmäyksestä olisi pitänyt havaita paljon, jotka ovat normaalin rajoissa. Koska meillä ei ole paljon muita törmäyksiä, Bullet Clusterin pitäisi olla tuolla normaalialueella

, mutta ensimmäiset Bullet Cluster-analyysin jälkeen julkaistut paperit osoittivat, että ehkä, vain ehkä, kaikki ei ole hyvin. Onko Luotirykelmä erityinen?

a need for speed?

ensimmäinen osoitus siitä, että jokin voisi olla vialla, tuli malleista, jotka törmäsivät kahteen ryppääseen.

kahden galaksijoukon törmäämiseksi on päätettävä, mitä fysiikkaa siihen sisällytetään. Ensimmäisillä yrityksillä mallit olivat suhteellisen yksinkertaisia. Jokainen klusteri koostui joukosta tavallista ainetta ja pimeän aineen hiukkasia. Nämä kulkivat toistensa läpi törmäten tavallisen aineen tapauksessa (pimeä aine jättää kaiken tiellään olevan huomiotta). Törmäyksen aiheuttama paineen nousu nostaa lämpötilaa, jolloin hiukkaset lähettävät röntgensäteitä. Samalla törmäys synnyttää paineaallon, joka myös nostaa painetta ja tuottaa entistä kuumempaa kaasua, joka lähettää enemmän röntgensäteitä.

vaikka malli on laskennallisesti intensiivinen hiukkasten määrän vuoksi, se sisältää vain melko yksinkertaisen fluidin minimaalisen fysiikan. Analyysi oli yhtä yksinkertainen: toistaako mallimme havaintojemme pääpiirteet? Tutkijat keskittyivät havaittuihin iskurintama -, massajakauma-ja Röntgensäteilypäästöihin. Heidän yrityksensä jäljentää näitä ominaisuuksia oli kokeilla erilaisia törmäysnopeuksien, tiheyksien ja näiden kahden klusterin kokonaismassojen yhdistelmiä.

tietyn alkuehtojoukon osalta mikä tahansa erityinen havaintoominaisuus voidaan toistaa. Kuitenkin, saada kaikki ominaisuudet vaaditaan, että kaksi klustereita on melko rajoitettu joukko tiheydet, massa suhteet, ja, mikä tärkeintä, collisional nopeus.

kuten jännittäville uusille tuloksille on tyypillistä, toiset yrittivät tehdä samaa, kaikki käyttäen hieman erilaisia malleja. Mutta he kaikki tulivat samanlaisiin johtopäätöksiin. Myös törmäysnopeuksien vaihteluväli tuntui väärältä: se vaihteli 2 700 km/s: stä massiiviseen 4 050 km/s: ään. Koko kantama vaikutti korkealta ottaen huomioon, että vallitseva pimeän aineen teoria on otsikoitu ”kylmäksi pimeäksi aineeksi”, jossa kylmä on toinen tapa sanoa hitaasti etenevä.

mutta meillä ei ole aavistustakaan, noudattavatko galaksijoukot minkäänlaista nopeusrajoitusta (muuta kuin ”hitaampaa kuin valo”). Saadakseen enemmän kuin intuitiivisen arvauksen siitä, olivatko nämä tulokset korkeita, tutkijoiden täytyi kääntyä toisenlaisen mallin puoleen, sellaisen, joka mallintaa galaksijoukkojen liikettä. Ensimmäinen askel tällaisen mallin rakentamisessa on päättää, mistä maailmankaikkeus on tehty.

koska näemme sen, tiedämme jo, kuinka paljon tavallista ainetta on ympärillä, ja tiedämme, millaisella nopeudella se liikkuu. Pimeä aine on eri juttu. Jos oletat pimeän aineen olevan olemassa, sinun on päätettävä, miten se jakautuu ja kuinka nopeasti se liikkuu.

pimeän (aineen) nopeus

Tämä ei ole täysin vapaa valinta. Alkuräjähdys ja se, että galaksit onnistuivat muodostumaan sen jälkeen, asettivat molemmat rajat pimeän aineen nopeudelle ja jakautumiselle. Galaksijoukon sisällä tapahtuva liike kertoo myös pimeän aineen jakautumisesta. Joten kaikki tämä havaintoaineisto menee lähtökohdaksi, mikä asettaa joitakin rajoituksia mallin joustavuudelle. Todellisuus hallitsee. Jos lähtöpiste ei johtaisi esimerkiksi galakseihin, se hylätään.

selvittääkseen, oliko törmäysnopeus poikkeuksellinen, seuraava askel oli tutkia malleja klusteritörmäyksistä. Tätä varten tutkijat loivat suuren laatikon (yli 4gigaparsekit sivulla) ja täyttivät sen pimeällä aineella—tavallinen aine on vähäinen komponentti, ja useimmat, mutta eivät kaikki, mallit laiminlyövät sen. Tutkijat antoivat mallin juosta kehittääkseen maailmankaikkeutta. Eri ajankohtina malli jäädytettäisiin ja sitä tutkittaisiin. Tutkijat etsivät suuria rykelmiä, jotka olivat vanginneet pienen rykelmän sen gravitaatiokaivoon. Näissä oloissa pieni rypäs olisi tuomittu törmäämään isompaan naapuriinsa.

jotta vertailu Bullet Clusterin kanssa olisi oikeudenmukainen, tutkijat rajoittuivat klustereihin, joiden massasuhde on samanlainen kuin Bullet Clusterin törmäyksen. Lisäksi he poistivat silmälläpitäviä iskuja, sillä Luotirykelmä näyttää olevan lähellä nokkakolaria.

törmäyksiä näytti tapahtuvan melko säännöllisesti: tutkijat löysivät hieman alle 80 esimerkkiä luotijoukon näköisistä törmäyksistä. Yksikään niistä ei kuitenkaan toistanut yksityiskohtia luotien törmäyksestä. Vain yhdessä törmäyksessä törmäysnopeus oli yli 2 000 km / s, joka oli silti liian hidas—muista, että kaikki törmäysmallit olivat ehdottaneet huomattavasti suurempaa nopeutta.

Nykyjännitys

vielä huolestuttavampaa oli, että luotien törmäyksiä ei tapahtunut aiemmin. Malli osoitti, että kaikki törmäykset oikean massasuhteen kanssa (esim.pienet klusterisukellukset isoksi klusteriksi) tapahtuvat nykypäivänä. Universumissa on tällä hetkellä pieniä rykelmiä, jotka imetään avuttomina suurten rykelmien mahassa. Aiemmin tutkijat eivät kuitenkaan löytäneet mitään näistä pareista. Koska tarkkailemme Luotirykelmää tänään, tiedämme, että se tapahtui menneisyydessä. Tiedämme, kuinka kauan siitä on.

jotta havaintoaineisto sopisi yhteen, pitäisi löytyä pieniä klustereita, jotka ovat törmänneet aiemmin suuriin klustereihin. Malleissamme ei kuitenkaan näkynyt mitään vastaavaa.

sen sijaan menneisyyttä hallitsevat samankokoiset klusterit, jotka sinkoilevat toisiinsa. Tämä prosessi voi olla se, mikä luo klusterien kokoerot, jotka lopulta mahdollistavat luodinkestävät törmäykset. Mutta se vie aikaa-näiden mallien mukaan kauan.

isoksi ongelmaksi osoittautui se, että jokaisessa tietokonemallissa tutkijoilla on useita valintoja tehtävänä: mitä fysiikkaa sisällytetään, mitä suljetaan pois ja mitä likimääritellään. Sen lisäksi on tehtävä myös teknisiä valintoja: minkä kokoisen maailmankaikkeuden aiot simuloida? Mikä on pienin ominaisuus, jota mallisi käsittelee? Nämä kaksi ovat kytkettyjä valintoja, joita rajoittaa käytettävissä olevan laskentatehon määrä. Ja niillä on todella merkitystä.

kävi ilmi, että mallilaatikon koolla ja resoluutiolla on merkitystä. Tai tarkemmin sanottuna, mitä isompi laatikko ja mitä enemmän hiukkasia laatikossa on, sitä kauemmas päästään nopeusjakauman äärirajoille. Alustavassa analyysissä käytetylle mallityypille suurten nopeuksien törmäykset ovat oletettavasti harvinaisia. Myöhemmät työt ehdottivat, että laatikon tilavuuden piti olla noin kahdeksan kertaa suurempi kuin tähän mennessä kokeillun, jos halusi nähdä yhden törmäyksen, joka vastasi törmäysmallien ennustamia nopeuksia.

, mutta emme tienneet sitä silloin. Konsensus näytti silloin olevan se, että jokin oli pielessä—ei välttämättä pimeän aineen, eikä varsinkaan havaintojen kanssa. Oletettiin, että joko galaksijoukkojen muodostumista ja dynamiikkaa simuloivista malleista puuttui jotain, tai klustereita törmänneestä mallista puuttui jotain. Mutta mikä niistä oli pois päältä, ja mitä siitä tarkalleen puuttui?

teoreettisen fysiikan roilaava maailma

tässä vaiheessa teoreettiset fyysikot alkavat hieman innostua—tulokset, joita ei selitetä™ tarkoittaa uutta fysiikkaa™. Ehkä pimeä energia voisi nopeuttaa rykelmää? Ja jos ei pimeää energiaa, voisimmeko kokeilla muunneltua newtonilaista dynamiikkaa, ideaa, joka korvaa pimeän aineen muunnellulla painovoimateorialla? Molemmissa tapauksissa, voit saada enemmän collisional nopeudet. Mutta niillä oli hintansa: fyysisellä mallilla, jonka tueksi oli melko vähän todisteita.

tässä tapauksessa kaikki nämä ajatukset osoittautuivat vääriksi, mutta niiden pohtiminen oli olennainen osa prosessia. Niiden huomioimatta jättäminen viittaisi siihen, että kieltäydyimme arvioimasta uudelleen perusfysiikan oikeellisuutta. On aina ideoita, jotka pitäisi olla jopa keskustelua, kun kokeellinen näyttö ja nykyinen teoria eivät ole samaa mieltä. Ne ovat lähes aina väärässä, mutta” melkein ” näkökulma on melko kriittinen.

tässä tapauksessa tarina ei päättynyt uuteen teoriaan, vaikka teorian ja havaintojen välillä olikin eroja. Sen sijaan tutkijat keksivät, miten erimielisyydet ratkaistaan. Prosessi alkoi käymällä uudelleen läpi klusteritörmäyksen mallia. Alkuperäisessä teoksessa oli tarkasteltu vain muutamaa karkeaa piirrettä: missä oli kunkin rykelmän massakeskipiste, mikä oli iskurintaman muoto jne.

malli oletti, että klusterit olivat ennen törmäämistä pallosymmetrisiä. Se on aika epärealistista, ja valtava ristiriita tarkoitti, että oli aika vakavoitua. Klusterit muutettiin ellipseiksi, ja nestemäiseen fysiikkaan lisättiin magneettikenttien vaikutus. Viimeksi mainittu on tärkeää, koska magneettikentät rajoittavat varautunutta (tavallista) ainetta liikkumaan kenttäviivojen ympäri. Tämä voi lisätä paineita ja lämpötiloja.

ilman näitä lisäyksiäkin vanha malli sopi jo Bullet Clusterin karkeisiin ominaisuuksiin. Nyt oli myös aika yrittää selittää yksityiskohtia. Suurin osa tähtitieteellisistä tiedoista tulee kuvien muodossa eikä välttämättä näkyvän valon kuvina. Röntgensäteet, radioteleskoopin data ja monet muut spektrin osat ovat yleisiä. Osan tiedoista avulla saadaan pikselikohtaisia arvioita mielenkiintoisemmista fysikaalisista ominaisuuksista, kuten lämpötilasta.

pikselien käsittely

tähän tutkijat päätyivät: vertasivat malleja niiden tietojen parhaaseen erottelukykyyn, joita heidän oletettiin mallintavan. Tähän liittyi kokeellisen aineiston ja malliennusteiden pikselikohtainen vertailu.

sen tekeminen vaatii hieman hienotunteisuutta. Luotirykelmiä on vain yksi ja siten vain yksi täydellinen tietojoukko. Malli on joitakin tuntemattomia, jotka on asetettava perustuu kokeellista dataa, liian. Joten, miten voit käyttää tietoja perustaa oman mallin ja silti verrata tuloksia tietoihin? Lopulta ryhmä käytti gravitaatiolinssidataa ja röntgensäteilyn spektrin matalaenergistä osaa korjatakseen mallinsa parametrit. Sitten he vertasivat mallin tuotosta kaikkeen muuhun dataan.

lopulta magneettikentät sisältänyt malli toisti havaintoaineiston melko hyvin. Ei täydellisesti, ja jollain tavalla huonosti, mutta se oli parempi kuin aiemmat työt. Siitä huolimatta ei ollut itsestään selvää, että tämä johti mihinkään, sillä sen ennustama törmäysnopeus tuntui edelleen melko korkealta (noin 2 800 km/s-2 900 km/s). Siinä oli kuitenkin merkittävä ero: törmäyksen toistamiseksi pääjoukon piti olla suurempi kuin edellisessä mallissa ennustettiin.

törmäyksen fysiikan ilmeisesti toistuessa tutkijat palasivat törmäysnopeuteen. Heidän mallissaan törmäysnopeus oli vielä massiivinen 2 800 km / s, mikä ei juuri eroa aiempien tutkijoiden saamista arvoista. Silti he väittivät, että tämä nopeus on OK. Mitä eroa niillä on?

ero on suuremman klusterin massassa. Uusi malli ennusti massaa, joka on kolme kertaa suurempi kuin aiemmin on luultu. Se antaa lisää vetovoimaa, kun se vetää pienen sisään ja kiihdyttää törmäystä. Uudelleen käynnissä malleja klustereita käyttäen paljon suurempi malliuniversumi ja paljon enemmän galaksijoukkoja, tutkijat pystyivät näkemään, että klustereita tämän massan eivät olleet niin harvinaisia, ja siellä oli paljon törmäyksiä, jotka näyttivät Bullet-Cluster-like.

mikä tärkeintä, isommilla klustereilla kollisionaaliset nopeudet olivat suurempia. Luotirykelmä on vielä hieman keskiarvon yläpuolella. Mitä se tarkoittaa? Se tarkoittaa, että Luotirykelmän törmäys on edelleen poikkeuksellinen, mutta vain yksi sadassa mielessä eikä yksi sadassa miljoonassa mielessä, jonka varhaisimmat tutkimukset osoittavat.

onko tarina täysin selvitetty? Luultavasti ei. Uudistettu malli kaipaa varmasti vielä lisää tarkastelua, mutta Bullet Cluster—ja tiede ylipäätään—on hitaasti etenevä tarina. Alkuperäiset Luotiklusterihavainnot julkistettiin kymmenisen vuotta sitten; uudistettu malli on vasta kaksi vuotta vanha. Ja tämä kuvastaa yksinkertaisesti tieteen luonnetta. Suurimmaksi osaksi kyse on pienten asioiden hikoilemisesta, koska se on ainoa tapa ymmärtää isoja asioita. Se on itseään korjaava prosessi. Se tuottaa malleja, joiden tiedetään olevan väärässä, ja laittaa ne julki nähdäkseen kuinka väärässä he todella ovat.

tiede on lyhyesti sanottuna epäonnistumisella leikkimistä ja sen rakastamista.