a sötét anyagot először javasolták annak magyarázatára, hogy a csillagok milyen sebességgel keringenek galaxisaik közepén. Azóta, a sötét anyag más bizonyítékainak keresése érdekes volt.

az egyik legnagyobb siker a galaxishalmazok ütközése volt, az úgynevezett Bullet Cluster. Ez volt az egyik leglátványosabb és leg intuitívabb jele annak, hogy a sötét anyag valóságos. Saját jelentésünk a Lövedékhalmaz első bizonyítékáról, több mint egy évtizeddel ezelőtt írták, nagyon izgatott volt. És a sötét anyag létezéséről szóló történetekben hajlamosak voltunk a golyós halmazt aranystandardként kezelni. Ha nem tudja megmagyarázni a golyó klasztert,akkor az elmélete valószínűleg egy kicsit haszontalan.

További részletek

a fenti képen két galaxishalmaz maradványa látható, amelyek összeütköztek, egy kisebb “golyóval”, amely áthaladt a nagyobb klaszteren. Az ütközés energiája olyan, hogy a rendszeres anyagot nagyon magas hőmérsékletre melegítették, aminek következtében őrülten ragyogott a röntgen-rendszerben (ami piros színnel látható). Tehát egy röntgentávcső tiszta képet adhat mind a golyó, mind a nagyobb klaszter anyageloszlásáról. Még jobb, úgy tűnik, hogy ez az ütközés szinte egymás mellett áll, tehát a házban van a legjobb helyünk annak megfigyelésére.

ezenkívül mindkét klaszternek jelentős tömege van, és úgy viselkednek, mint a gravitációs lencsék. A klaszterek mögött lévő objektumok leképezésével és annak megértésével, hogy a képeket hogyan torzítja a beavatkozó lencse, feltérképezhetjük a golyós klaszter tömegét. Ez kék színnel látható.

a két kép átfedése azt mutatja, hogy a tömeg nem ott van, ahol az anyag van—tehát sötét anyag. Ez csak egy a klaszterek közötti ütközések közül, amelyek hasonló tulajdonságokat mutatnak—gravitáció látszólagos anyag nélkül -, de a Bullet Cluster kétségtelenül a legtisztább példa mind közül.

a Bullet Cluster azonban valami vitathatatlanul fontosabb dolgot mutat: a tudomány működik. Bár a kezdeti publikációt a sötét anyag bizonyítékaként emlegették, gyorsan rájöttek, hogy a történet ennél bonyolultabb lehet. Valójában, a történet még a golyócsoport felé is árnyékolni kezdett, amely bizonyíték a sötét anyag ellen. Az elméleti fizikusok szabadon engedték képzeletüket, sötét energiát és módosított gravitációs elméleteket hozva az asztalra. De végül, ahogy a por leülepedett, a gondolkodás visszatért az eredeti értelmezés helyességéhez.

Visszatekintve a mai Golyócsoportra—hogyan jutottunk el innen oda és vissza-rávilágít arra, hogyan működik a tudomány ugyanolyan tiszta módon. Az adat a király, de az elmélet a Királyság; mindkettőre szükséged van, és egyik sincs kőbe vésve.

az adatok magyarázata kérdéseket vet fel

röviddel a Bullet Cluster elemzés 2006-os közzététele után a tudósok közelebbről megvizsgálták az adatokat. Kezdetben mindez kissé rejtélyesnek tűnt. Úgy tűnt, hogy az ütközés modellezésére tett kísérletek nem működnek.

az asztrofizika egyik házipara a galaxisok és galaxishalmazok modellezése. A számítógépen két olyan klasztert hozhat létre, amelyek megközelítőleg megfelelnek egyes megfigyelések tömegeloszlásának, majd tetszőleges sebességgel összerakhatja őket. Készíthet egy modellt is, amely sok különböző klasztert tartalmaz, és megnézheti az ütközések statisztikáit, hogy megnézze, hogyan néz ki az átlagos klaszter összeomlás.

Ez a kétlépcsős folyamat különböző dolgokat mond el nekünk. Az egyik modell a megfigyelési adatok alapján megmondja nekünk, hogy milyen nagyok voltak a klaszterek, és milyen gyorsan közeledtek egymáshoz, amikor összeütköztek. A második modell azt mondja meg nekünk, hogy az univerzumunk alapján milyen méretű galaxishalmazokra számíthatunk, és általában milyen gyorsan ütköznek össze.

az ütközési modell esetében ez nem elég ahhoz, hogy megfeleljen a látható anyag eloszlásának és a megfigyelt gravitációs lencsének. Van egy egész sor olyan funkció, amelyet a modelleknek reprodukálniuk kell. Mint fentebb említettük, a normál anyag olyan forró, hogy sok röntgensugarat termel. De nem elég, ha egy modell csak röntgensugarakat állít elő; ugyanolyan spektrumú röntgensugarakat kell előállítania—Vagyis képesnek kell lennünk megjósolni a röntgen minden színének relatív fényességét. Más korlátok a klaszterek anyagához kapcsolódnak. Az ütközés során az anyag (rendes anyag, azaz) átkerül a klaszterek között. Megfigyeléseink becslést adnak az átvitel mennyiségéről, a modelleknek pedig meg kell jósolniuk az átvitelt.

a második modell a valószínűségekről szól. Amikor az első modell eredményeit sok galaxis klaszter modelljére térképezi fel, amelyek véletlenszerűen ütköznek egymással, meg kell tapasztalnia, hogy az előre jelzett ütközés nem túl rendkívüli. Igen, lehetséges, hogy eltaláljuk a nyertes lottószelvény megfelelőjét. De ha a modellek azt jósolják, hogy a klaszter ütközése meglehetősen kivételes körülményeket igényel, akkor valószínűleg azt kell feltételeznünk, hogy valahol hibát követtünk el. Vagy pontosabban, minden olyan ütközés esetén, amely szélsőséges körülményeket igényel, meg kellett volna figyelnünk azokat a tételeket, amelyek a normál tartományon belül vannak. Mivel nincs sok más ütközésünk, a Bullet Clusternek a normál tartományon belül kell lennie

de a Bullet Cluster elemzés után megjelent első cikkek azt mutatták, hogy talán, csak talán, minden nincs rendben. A golyócsoport különleges?

A Need For speed?

az első jelzés arra, hogy valami baj lehet, olyan modellekből származott, amelyek két klaszterrel ütköztek.

két galaxishalmaz ütközéséhez el kell döntenie, hogy milyen fizikát tartalmazzon. Az első kísérletekben a modellek viszonylag egyszerűek voltak. Minden klaszter számos közönséges anyagból és sötét anyagból álló részecskéből állt. Ezek áthaladtak egymáson, ütköztek a hétköznapi anyag esetében (a sötét anyag figyelmen kívül hagy mindent az útjában). Az ütközés okozta nyomásnövekedés növeli a hőmérsékletet, aminek következtében a részecskék röntgensugarakat bocsátanak ki. Ugyanakkor az ütközés lökéshullámot generál, amely szintén növeli a nyomást, és még melegebb gázt hoz létre, amely több röntgensugarat bocsát ki.

bár a részecskék száma miatt számítási szempontból intenzív, a modell csak egy meglehetősen egyszerű folyadék minimális fizikáját tartalmazza. Az elemzés ugyanolyan egyszerű volt: modellünk reprodukálja-e megfigyeléseink főbb jellemzőit? A kutatók a megfigyelt ütésfrontra, a tömegeloszlásra és a Röntgenkibocsátásra összpontosítottak. Ezeknek a tulajdonságoknak a reprodukálására tett kísérletük során a két klaszter ütközési sebességének, sűrűségének és teljes tömegének különböző kombinációit próbálták ki.

a kezdeti feltételek adott halmaza esetén bármely adott megfigyelési tulajdonság reprodukálható. Ahhoz azonban, hogy az összes szükséges tulajdonságot megkapjuk, a két klaszternek meglehetősen korlátozott sűrűsége, tömegaránya és ami a legfontosabb, ütközési sebessége van.

mint az izgalmas új eredményekre jellemző, mások ugyanazt próbálták megtenni, mindegyik kissé eltérő modelleket használva. De mindannyian hasonló következtetésekre jutottak. Az ütközési sebesség tartománya szintén rossznak tűnt-2700 km/s-tól a hatalmas 4050 km/s-ig terjedt. Az egész tartomány magasnak tűnt, figyelembe véve, hogy az uralkodó sötét anyag elmélet “hideg sötét anyag” címet viseli, ahol a hideg egy másik módja a lassú mozgásnak.

de fogalmunk sincs, hogy a galaxishalmazok betartanak-e bármilyen sebességkorlátozást (a “fénynél lassabb”kivételével). Ahhoz, hogy több mint intuitív találgatás legyen arról, hogy ezek az eredmények magasak-e, a kutatóknak más típusú modellhez kellett fordulniuk, amely modellezi a galaxishalmazok mozgását. Az ilyen típusú modell felépítésének első lépése annak eldöntése, hogy miből áll az univerzum.

mivel látjuk, már tudjuk, hogy mennyi hétköznapi anyag van körülötte, és tudjuk, hogy milyen sebességgel mozog. A sötét anyag azonban más történet. Ha feltételezzük, hogy a sötét anyag létezik, akkor el kell döntenie, hogyan oszlik el és milyen gyorsan mozog.

A sötétség sebessége (anyag)

Ez nem teljesen szabad választás. Az Ősrobbanás és az a tény, hogy a galaxisoknak az esemény után sikerült kialakulniuk, egyaránt korlátozza a sötét anyag sebességét és eloszlását. A galaxisok mozgása egy klaszteren belül a sötét anyag eloszlásáról is szól. Tehát az összes megfigyelési adat kiindulópontként szolgál, ami bizonyos korlátokat szab a modell rugalmasságának. Végül is a valóság uralkodik. Ha például a kiindulási pont nem eredményez galaxisokat, akkor azt elutasítják.

annak megállapításához, hogy az ütközési sebesség kivételes volt-e, a következő lépés a klaszterütközések modelljeinek vizsgálata volt. Ehhez a kutatók létrehoztak egy nagy dobozt (több mint 4gigaparsec oldalán), és sötét anyaggal töltötték meg—a hétköznapi anyag kisebb összetevő, és a legtöbb, de nem minden modell elhanyagolja. A kutatók hagyták, hogy a modell futtassa az univerzum fejlődését. Különböző időpontokban lefagyasztották a modellt és megvizsgálták. A kutatók olyan nagy klasztereket kerestek, amelyek egy kis klasztert csapdába ejtettek gravitációs kútjában. Ilyen körülmények között a kis klaszter arra lenne ítélve, hogy ütközjön nagyobb szomszédjával.

a Bullet Clusterrel való összehasonlítás érdekében a kutatók olyan klaszterekre korlátozódtak, amelyek tömegaránya hasonló a Bullet Cluster ütközéséhez. Ezenkívül eltávolították a pillantó ütéseket, mivel a Golyófürt úgy néz ki, mintha közel lenne egy frontális ütközéshez.

úgy tűnt, hogy az ütközések meglehetősen rendszeresen történnek: a kutatók alig 80 példát találtak olyan ütközésekre, amelyek úgy néztek ki, mint a Golyósfürt. Még, egyikük sem reprodukálta a golyó klaszter ütközésének részleteit. Csak egy ütközésnek volt 2000 km/s—nál nagyobb esési sebessége, ami még mindig túl lassú volt-ne feledje, hogy az összes ütközési modell sokkal nagyobb sebességet javasolt.

Jelenlegi feszültség

még ennél is aggasztóbb, hogy a Bullet Cluster ütközések nem történtek meg a múltban. A modell azt mutatta, hogy a megfelelő tömegarányú ütközések (például a kis klaszter a nagy klaszterbe merül) a mai napon történnek. Odakint az univerzumban most vannak kis klaszterek, amelyeket tehetetlenül szívnak be a nagyok gyomrába. A múltban, bár, a kutatók nem találtak ilyen párokat. Mivel ma megfigyeljük a Lövedékcsoportot, tudjuk, hogy a múltban történt. Azt is tudjuk, hogy milyen régen történt.

tehát, hogy illeszkedjen a megfigyelhető ADATOK, meg kell találni a kis klaszterek ütköznek a nagy klaszterek a múltban. Még, modelljeink semmi ilyesmit nem mutattak.

ehelyett a múltat hasonló méretű klaszterek uralják, amelyek egymásba rohannak. Ez a folyamat lehet az, ami megteremti a klaszterméretek közötti különbségeket, amelyek végül lehetővé teszik a Bullet-Cluster-szerű ütközéseket. De ez időbe telik-e modellek szerint hosszú idő.

a nagy kérdés kiderült, hogy minden számítógépes modellben a kutatóknak számos választási lehetőségük van: milyen fizikát kell belefoglalni, mit kell kizárni és mit kell közelíteni. Ezen túlmenően technikai döntéseket is meg kell hozni: mekkora az univerzum mérete, amelyet szimulálni tervez? Mi a legkisebb funkció, amellyel a modell foglalkozik? Ez a kettő összekapcsolt választás, amelyet a rendelkezésre álló számítási teljesítmény korlátoz. És tényleg számítanak.

kiderül, hogy a modelldoboz mérete és a felbontás számít. Vagy pontosabban, minél nagyobb a doboz, és minél több részecske van a dobozban, annál messzebb lehet elérni a sebességeloszlás szélsőségeit. A kezdeti elemzésben használt modelltípus esetében a nagy sebességű ütközések várhatóan ritkák. A későbbi munkák azt sugallták, hogy a doboznak körülbelül nyolcszor nagyobbnak kell lennie, mint az eddig kipróbált, ha egyetlen ütközést szeretne látni, amely megfelel az ütközési modellek által előre jelzett sebességnek.

de ezt akkor még nem tudtuk. A konszenzus akkor úgy tűnt, hogy valami nincs rendben—nem feltétlenül a sötét anyaggal, és biztosan nem a megfigyelésekkel. Az elvárás az volt, hogy vagy a galaxishalmazok kialakulását és dinamikáját szimuláló modellekből hiányzik valami, vagy a klasztereknek ütköző modellekből hiányzik valami. De melyik volt kikapcsolva, és pontosan mi hiányzott?

az elméleti fizika forgó világa

Ezen a ponton az elméleti fizikusok kissé izgatottak lesznek—az eredmények, amelyeket nem magyaráznak el, az új fizikát jelenti. Talán a sötét energia felgyorsíthatja a klasztert? És ha nem a sötét energia, megpróbálhatnánk módosított newtoni dinamikát, egy olyan ötletet, amely a sötét anyagot egy módosított gravitációs elmélettel helyettesíti? Mindkét esetben nagyobb ütközési sebességet érhet el. De költségekkel jártak: olyan fizikai modellt használva, amely elég ritka bizonyítékokkal támasztotta alá.

ebben az esetben ezek az ötletek tévesnek bizonyultak, de figyelembe véve őket a folyamat lényeges része volt. Ha nem vesszük figyelembe őket, az azt sugallja, hogy megtagadtuk az alapvető fizika helyességének átértékelését. Mindig vannak ötletek, amelyeket meg kell vitatni, ha a kísérleti bizonyítékok és a jelenlegi elmélet nem értenek egyet. Szinte mindig tévednek, de a “szinte” szempont meglehetősen kritikus.

ebben az esetben, bár voltak különbségek az elmélet és a megfigyelések között, a történet nem ért véget egy új elmélettel. Ehelyett a kutatók kitalálták, hogyan lehet megoldani a különbségeket. A folyamat a klaszter ütközésének modelljének áttekintésével kezdődött. Az eredeti mű csak néhány bruttó jellemzőt vizsgált meg: hol volt az egyes klaszterek tömegközéppontja, mi volt a sokkfront alakja stb.

a modell feltételezte, hogy a klaszterek az ütközés előtt gömbszimmetrikusak voltak. Ez elég irreális, és a hatalmas eltérés azt jelentette, hogy ideje komolyan venni. A klasztereket ellipszisekké alakították, és a mágneses mezők hatását hozzáadták a folyadékszerű fizikához. Ez utóbbi azért fontos, mert a mágneses mezők korlátozzák a töltött (rendes) anyagot a mezővonalak körüli mozgáshoz. Ez növelheti a nyomást és a hőmérsékletet.

még ezen kiegészítések nélkül is, a régi modell már illeszkedik a Bullet Cluster bruttó jellemzőihez. Most itt volt az ideje, hogy megpróbálja elmagyarázni a részleteket. A legtöbb csillagászati adat képek formájában érkezik, nem feltétlenül látható fényképek formájában. A röntgensugarak, a rádióteleszkóp adatai és a spektrum Sok más része gyakori. Ezen adatok egy részét arra használják, hogy pixelről pixelre becsüljék az érdekesebb fizikai tulajdonságokat, például a hőmérsékletet.

pixelek feldolgozása

Ez az, ahol a kutatók elindultak: összehasonlítva a modelleket az általuk modellezni kívánt adatok legjobb felbontásával. Ez képpontonkénti összehasonlítást jelentett a kísérleti adatok és a modell-előrejelzések között.

ehhez egy kis finomságra van szükség. Csak egy golyófürt van, tehát csak egy teljes adathalmaz. A modellnek van néhány ismeretlenje, amelyeket a kísérleti adatok alapján is be kell állítani. Szóval, hogyan használja az adatokat a modell beállításához, és még mindig összehasonlítja az eredményeket az adatokkal? Végül egy csapat a gravitációs lencseadatokat és a röntgensugár-emissziós spektrum alacsony energiájú részét használta fel a modell paramétereinek rögzítésére. Ezután összehasonlították a modell kimenetét az összes többi adattal.

végül a mágneses mezőket beépítő modell elég jól reprodukálta a megfigyelési adatokat. Nem tökéletesen, és bizonyos szempontból rosszul, de jobb volt, mint az előző munka. Ennek ellenére nem volt nyilvánvaló, hogy ez bárhová vezet minket, mivel az általa megjósolt ütközési sebesség továbbra is meglehetősen magasnak tűnt (körülbelül 2800 km/s-tól 2900 km/s-ig). Fontos különbség volt azonban: az ütközés reprodukálásához a fő klaszternek nagyobbnak kellett lennie, mint az előző modell előre jelezte.

az ütközés fizikája nyilvánvalóan reprodukálódott, a kutatók visszatértek az ütközési sebességhez. Modelljükben az ütközési sebesség még mindig hatalmas 2800 km/s volt, ami nem különbözik a korábbi kutatók által kapott értékektől. Mégis azt állították, hogy ez a sebesség rendben van. Mi a különbség?

a különbség a nagyobb klaszter tömegében van. Az új modell háromszor nagyobb tömeget jósolt, mint azt korábban gondolták. Ez további gravitációs vonzerőt ad, amikor behúzza a kicsi, felgyorsítva az ütközést. A sokkal nagyobb modelluniverzummal és sokkal több galaxishalmazzal rendelkező klaszterek modelljeinek újrafuttatásával a kutatók azt tapasztalták, hogy az ilyen tömegű klaszterek nem olyan ritkák, és rengeteg olyan ütközés volt, amely Golyószerűnek tűnt.

a legfontosabb, hogy a nagyobb klaszterek esetében az ütközési sebesség nagyobb volt. A golyó klaszter még mindig kissé meghaladja az átlagot. Ez mit jelent? Ez azt jelenti, hogy a Lövedékhalmaz ütközése még mindig kivételes, de csak egy a százhoz értelemben, nem pedig a legkorábbi kutatások által jelzett 100 millióhoz értelemben.

a történet teljesen megoldódott? Valószínűleg nem. Biztos vagyok benne, hogy a felülvizsgált modell még több vizsgálatot igényel, de a golyó Klaszter—és általában a tudomány—lassan mozgó történet. Az eredeti Bullet Cluster megfigyeléseket körülbelül tíz évvel ezelőtt jelentették be; a felülvizsgált modell csak két éves. Ez egyszerűen tükrözi a tudomány természetét. Javarészt, a kis dolgok izzad, mert ez az egyetlen módja annak, hogy megértsük a nagy dolgokat. Ez egy önjavító folyamat. Olyan modelleket hoz létre, amelyekről tudod, hogy tévednek, és kiteszik őket, hogy lássák, mennyire tévednek valójában.

röviden: A tudomány a kudarccal játszik és szereti.