La materia oscura fu inizialmente proposta per spiegare la velocità con cui le stelle orbitano attorno al centro delle loro galassie. Da allora, la ricerca di altre linee di prova per la materia oscura è stata interessante.

Uno dei più grandi successi sembrava essere una collisione di ammassi di galassie chiamato Bullet Cluster. Ha fornito una delle indicazioni più spettacolari e intuitive che sembravano mostrare che la materia oscura era reale. Il nostro rapporto sulla prima prova del cluster proiettile, scritto più di un decennio fa, era abbastanza eccitato. E nelle storie che seguirono sull’esistenza della materia oscura, tendemmo a trattare l’Ammasso di Proiettili come un gold standard. Se non riesci a spiegare il cluster Bullet, allora la tua teoria è probabilmente un po ‘ inutile.

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L’immagine sopra mostra il resto di due ammassi di galassie che si sono scontrati, con un “proiettile” più piccolo che è passato attraverso l’ammasso più grande. L’energia della collisione è tale che la materia regolare è stata riscaldata a temperature molto elevate, facendola brillare come un matto nel regime dei raggi X (che è mostrato in rosso). Quindi, un telescopio a raggi X può produrre un’immagine chiara della distribuzione della materia sia del proiettile che del cluster più grande. Ancora meglio, questa collisione sembra essere quasi laterale a noi, quindi abbiamo il miglior posto in casa per osservarla.

Inoltre, entrambi i cluster hanno una massa significativa e agiscono come lenti gravitazionali. Immaginando gli oggetti che si trovano dietro i cluster e comprendendo come le immagini sono distorte dall’obiettivo intermedio, possiamo mappare la massa del cluster Proiettile. Questo è mostrato in blu.

Sovrapporre le due immagini mostra che la massa non è dove si trova la materia-quindi, la materia oscura. Questa è solo una delle numerose collisioni tra cluster che mostrano caratteristiche simili—gravità senza materia apparente—ma il cluster Bullet è, senza dubbio, l’esempio più pulito di tutti.

Tuttavia, il cluster Bullet mostra qualcosa che è, probabilmente, più importante: la scienza funziona. Anche se la pubblicazione iniziale è stato propagandato come prova per la materia oscura, è stato subito capito che la storia potrebbe essere più complicato di quello. In effetti, la storia ha persino iniziato a sfumare verso il Cluster di proiettili come prova contro la materia oscura. I fisici teorici hanno sciolto la loro immaginazione, portando l’energia oscura e le teorie modificate della gravità sul tavolo. Ma alla fine, mentre la polvere si depositava, il pensiero tornò all’interpretazione originale corretta.

Guardando indietro al Cluster proiettile oggi—come siamo arrivati da qui a lì e viceversa—mette in evidenza come la scienza funziona in quella stessa maniera pulita. I dati sono re, ma la teoria è il regno; hai bisogno di entrambi, e nessuno dei due è scolpito nella pietra.

Spiegare i dati solleva domande

Poco dopo che l’analisi del cluster Bullet è stata pubblicata nel 2006, gli scienziati hanno iniziato a dare un’occhiata più da vicino ai dati. Inizialmente, tutto sembrava un po ‘ sconcertante. I tentativi di modellare la collisione non sembravano funzionare.

Una delle industrie artigianali in astrofisica sta modellando galassie e ammassi di galassie. Puoi, nel tuo computer, creare due cluster che corrispondono approssimativamente alla distribuzione di massa di alcune osservazioni, quindi ramarli insieme a qualsiasi velocità tu voglia. Puoi anche produrre un modello con molti cluster diversi e guardare le statistiche delle collisioni per vedere come appare il crash medio del cluster.

Questo processo in due fasi ci dice cose diverse. Un modello ci dice, dati i dati osservativi, quanto erano grandi i cluster e quanto velocemente si stavano avvicinando l’un l’altro quando si sono scontrati. Il secondo modello ci dice, dato il nostro Universo, quali dimensioni degli ammassi di galassie dovremmo aspettarci e quanto velocemente si scontrano in genere.

Per il modello collisionale, non è sufficiente abbinare la distribuzione della materia visibile e la lente gravitazionale che è stata osservata. Ci sono tutta una serie di caratteristiche che i modelli devono riprodurre. Come abbiamo detto sopra, la materia normale è così calda che produce molti raggi X. Ma non è sufficiente che un modello produca solo raggi X; dovrebbe produrre lo stesso spettro di raggi X-cioè dovremmo essere in grado di predire la luminosità relativa di ogni colore di raggi X. Altri vincoli hanno a che fare con il materiale nei cluster. Durante la collisione, la materia (materia ordinaria, cioè) viene trasferita tra i cluster. Le nostre osservazioni forniscono una stima di quanto viene trasferito e i modelli dovrebbero prevedere il trasferimento.

Il secondo modello riguarda le probabilità. Quando si mappano i risultati del primo modello su modelli di molti ammassi di galassie che si scontrano casualmente tra loro, si dovrebbe scoprire che la collisione prevista non è troppo straordinaria. Sì, è possibile che abbiamo colpito l’equivalente di un biglietto vincente del lotto. Ma se i modelli prevedono che la collisione del cluster richieda condizioni piuttosto eccezionali, dovremmo probabilmente supporre che abbiamo commesso un errore da qualche parte. O, più precisamente, per ogni collisione che richiede condizioni estreme, avremmo dovuto osservare lotti che rientrano nell’intervallo normale. Dal momento che non abbiamo molte altre collisioni, il cluster Bullet dovrebbe essere all’interno di tale intervallo normale

Ma i primi documenti pubblicati dopo l’analisi del cluster Bullet hanno mostrato che, forse, solo forse, tutto non va bene. Il proiettile è speciale?

Un bisogno di velocità?

La prima indicazione che qualcosa potrebbe essere sbagliato è venuto da modelli che si sono scontrati due cluster.

Per scontrare due ammassi di galassie, devi decidere quale fisica includere. Nei primi tentativi, i modelli erano relativamente semplici. Ogni cluster consisteva in un certo numero di particelle di materia ordinaria e materia oscura. Questi passavano l’uno attraverso l’altro, scontrandosi nel caso della materia ordinaria (la materia oscura ignora tutto sul suo cammino). L’aumento della pressione derivante dalla collisione aumenta la temperatura, causando l’emissione di raggi X da parte delle particelle. Allo stesso tempo, la collisione genera un’onda d’urto che spinge anche la pressione verso l’alto e produce un gas ancora più caldo che emette più raggi X.

Sebbene computazionalmente intensivo a causa del numero di particelle, il modello contiene solo la fisica minima di un fluido abbastanza semplice. E l’analisi era altrettanto semplice: il nostro modello riproduce le caratteristiche principali delle nostre osservazioni? I ricercatori si sono concentrati sul fronte d’urto osservato, sulla distribuzione di massa e sulle emissioni di raggi X. Il loro tentativo di riprodurre queste caratteristiche ha coinvolto provare diverse combinazioni di velocità di collisione, densità e masse totali dei due cluster.

Per un dato insieme di condizioni iniziali, è possibile riprodurre qualsiasi particolare proprietà osservativa. Tuttavia, per ottenere tutte le caratteristiche necessarie che i due cluster hanno un insieme piuttosto limitato di densità, rapporti di massa e, soprattutto, velocità collisionale.

Come è tipico di nuovi risultati interessanti, altri stavano cercando di fare la stessa cosa, tutti utilizzando modelli leggermente diversi. Ma tutti sono giunti a conclusioni simili. Anche la gamma di velocità di collisione sembrava sbagliata: variava da 2.700 km/s a una massiccia 4.050 km/s. L’intera gamma sembrava alta, considerando che la teoria predominante della materia oscura è intitolata “cold dark matter”, dove il freddo è un altro modo di dire lento.

Ma non abbiamo idea se gli ammassi di galassie obbediscano a qualsiasi tipo di limite di velocità (diverso da “più lento della luce”). Per avere più di un’ipotesi intuitiva sul fatto che questi risultati fossero alti, i ricercatori dovevano rivolgersi a un diverso tipo di modello, uno che modellasse il movimento degli ammassi di galassie. Il primo passo per costruire questo tipo di modello è decidere di cosa è fatto il tuo universo.

Perché possiamo vederlo, sappiamo già quanta materia ordinaria è intorno e conosciamo il tipo di velocità a cui si sta muovendo. La materia oscura è una storia diversa, però. Se si assume che la materia oscura esiste, allora si deve decidere su come è distribuito e quanto velocemente si sta muovendo.

La velocità del buio (materia)

Questa non è una scelta del tutto libera. Il Big Bang e il fatto che le galassie siano riuscite a formarsi dopo quell’evento hanno entrambi posto limiti alla velocità e alla distribuzione della materia oscura. Il moto delle galassie all’interno di un ammasso indica anche la distribuzione della materia oscura. Quindi, tutti questi dati osservazionali entrano come punto di partenza, il che pone alcuni limiti alla flessibilità del modello. Dopo tutto, la realtà governa. Se il punto di partenza non si tradurrebbe in galassie, per esempio, allora sarà respinto.

Per scoprire se la velocità collisionale era eccezionale, il passo successivo è stato quello di esaminare i modelli di collisioni cluster. Per fare questo, i ricercatori hanno creato una grande scatola (più di 4gigaparsec su un lato) e la riempirono di materia oscura—la materia ordinaria è una componente minore, e la maggior parte, ma non tutti, i modelli la trascurano. I ricercatori hanno lasciato correre il modello per evolvere l’Universo. In diversi punti nel tempo, avrebbero congelare il modello ed esaminarlo. I ricercatori stavano cercando grandi ammassi che avevano intrappolato un piccolo ammasso nel suo pozzo gravitazionale. In queste condizioni, il piccolo ammasso sarebbe destinato a scontrarsi con il suo vicino più grande.

Per rendere equo il confronto con il cluster Bullet, i ricercatori si sono limitati a cluster con un rapporto di massa simile a quello della collisione del cluster Bullet. Inoltre, hanno rimosso i colpi di sguardo, poiché il cluster di proiettili sembra essere vicino a una collisione frontale.

Le collisioni sembravano accadere su base abbastanza regolare: i ricercatori hanno trovato poco meno di 80 esempi di collisioni che sembravano il cluster Bullet. Eppure, nessuno di loro riproduceva i dettagli della collisione Proiettile Cluster. Solo una collisione aveva una velocità di caduta superiore a 2.000 km / s, che era ancora troppo lenta—ricorda, tutti i modelli di collisione avevano suggerito una velocità molto più alta.

Tensione attuale

Ancora più preoccupante, le collisioni di cluster di proiettili non si sono verificate in passato. Il modello ha mostrato che tutte le collisioni con il giusto rapporto di massa (ad esempio, il piccolo ammasso si tuffa nel grande ammasso) avvengono ai giorni nostri. Là fuori nell’Universo in questo momento ci sono piccoli ammassi che vengono risucchiati impotenti nelle fauci di quelli grandi. In passato, però, i ricercatori non hanno trovato nessuno di questi abbinamenti. Perché osserviamo l’ammasso di proiettili oggi, sappiamo che è successo in passato. Sappiamo anche quanto tempo fa è successo.

Quindi, per adattarsi ai dati osservabili, dovremmo trovare piccoli cluster che si scontrano con grandi cluster in passato. Eppure, i nostri modelli non hanno mostrato nulla del genere.

Invece, il passato è dominato da cluster di dimensioni simili che si lanciano l’uno nell’altro. Questo processo potrebbe essere ciò che crea la disparità nelle dimensioni dei cluster che, alla fine, consente collisioni simili a cluster Bullet. Ma questo richiede tempo-secondo questi modelli, molto tempo.

Il grosso problema si è rivelato essere che, in ogni modello di computer, i ricercatori hanno una serie di scelte da fare: quale fisica includere, cosa escludere e cosa approssimare. Oltre a ciò, ci sono anche scelte tecniche da fare: qual è la dimensione dell’Universo che intendi simulare? Qual è la caratteristica più piccola che il tuo modello si occuperà? Questi due sono scelte accoppiate che sono limitate dalla quantità di potenza computazionale disponibile. E contano davvero.

Si scopre che la dimensione della scatola del modello e la risoluzione contano. O, più precisamente, più grande è la scatola e più particelle ci sono nella scatola, più puoi raggiungere gli estremi della distribuzione della velocità. Per il tipo di modello utilizzato nell’analisi iniziale, le collisioni ad alta velocità dovrebbero essere rare. Lavori successivi suggerirono che la scatola doveva avere un volume circa otto volte maggiore di quello che era stato provato finora se si voleva vedere una singola collisione che corrispondesse alle velocità previste dai modelli di collisione.

Ma all’epoca non lo sapevamo. Il consenso sembrava quindi essere che qualcosa non andava-non necessariamente con la materia oscura, e certamente non con le osservazioni. L’aspettativa era che o i modelli che simulano la formazione e la dinamica degli ammassi di galassie mancassero qualcosa, o il modello che si scontrava con gli ammassi mancava qualcosa. Ma quale era spento, e cosa mancava esattamente?

Il mondo turbolento della fisica teorica

A questo punto, i fisici teorici iniziano ad essere un po ‘ eccitati—Risultati che non sono spiegati™ significa Nuova fisica™. Forse l’energia oscura potrebbe accelerare l’ammasso? E, se non l’energia oscura, potremmo provare la Dinamica newtoniana modificata, un’idea che sostituisce la materia oscura con una teoria modificata della gravità? In entrambi i casi, si potrebbe ottenere una maggiore velocità collisionale. Ma hanno avuto un costo: usando un modello fisico che aveva alcune prove piuttosto scarse a sostegno di esso.

In questo caso, tutte queste idee si sono rivelate sbagliate, ma considerarle era una parte essenziale del processo. Non considerarli suggerirebbe che ci siamo rifiutati di rivalutare la correttezza della fisica fondamentale. Ci sono sempre idee che dovrebbero essere in discussione quando le prove sperimentali e la teoria attuale non sono d’accordo. Saranno quasi sempre sbagliati, ma l’aspetto” quasi ” è piuttosto critico.

In questo caso, anche se c’erano differenze tra teoria e osservazioni, la storia non si è conclusa con una nuova teoria. Invece, i ricercatori hanno capito come risolvere le differenze. Il processo è iniziato rivisitando il modello per la collisione del cluster. Il lavoro originale aveva esaminato solo alcune caratteristiche grossolane: dove era il centro di massa per ogni cluster, qual era la forma del fronte d’urto, ecc.

Il modello presumeva che i cluster fossero, prima di scontrarsi, sfericamente simmetrici. Questo è piuttosto irrealistico, e l’enorme discrepanza significava che era tempo di fare sul serio. I cluster sono stati trasformati in ellissi e l’effetto dei campi magnetici è stato aggiunto alla fisica del fluido. Quest’ultimo è importante perché i campi magnetici limitano la materia carica (ordinaria) per muoversi attorno alle linee di campo. Questo può aumentare pressioni e temperature.

Anche senza queste aggiunte, il vecchio modello si adatta già alle caratteristiche grossolane del cluster Bullet. Ora era anche il momento di provare a spiegare i dettagli. La maggior parte dei dati astronomici si presenta sotto forma di immagini e non necessariamente immagini di luce visibile. I raggi X, i dati del radiotelescopio e molte altre parti dello spettro sono comuni. Alcuni di questi dati vengono utilizzati per fornire stime pixel per pixel delle proprietà fisiche più interessanti, come la temperatura.

Elaborazione pixel

Questo è dove i ricercatori si sono diretti: confrontando i modelli con la migliore risoluzione dei dati che avrebbero dovuto modellare. Ciò ha comportato un confronto pixel per pixel tra i dati sperimentali e le previsioni del modello.

Farlo richiede un po ‘ di finezza. C’è solo un cluster bullet, e quindi solo un set di dati completo. Il modello ha alcune incognite che devono essere impostate anche in base ai dati sperimentali. Quindi, come si utilizzano i dati per impostare il modello e confrontare ancora i risultati con i dati? Alla fine, un team ha utilizzato i dati delle lenti gravitazionali e la parte a bassa energia dello spettro di emissione dei raggi X per fissare i parametri nel loro modello. Hanno quindi confrontato l’output del modello con tutto il resto dei dati.

Alla fine, il modello che incorporava i campi magnetici riproduceva abbastanza bene i dati osservativi. Non perfettamente, e in qualche modo male, ma era meglio del lavoro precedente. Anche così, non era ovvio che questo ci ha portato da nessuna parte, poiché la velocità di collisione prevista sembrava ancora piuttosto alta (da 2.800 km/s a 2.900 km/s). C’era, tuttavia, una differenza importante: per riprodurre la collisione, il cluster principale doveva essere più grande di quanto previsto dal modello precedente.

Con la fisica della collisione apparentemente riprodotta, i ricercatori sono tornati alla velocità di collisione. Nel loro modello, la velocità di collisione era ancora un massiccio 2.800 km / s, che non è poi così diverso dai valori ottenuti dai ricercatori precedenti. Eppure hanno affermato che questa velocità è OK. Qual è la differenza?

La differenza è nella massa del cluster più grande. Il nuovo modello prevedeva una massa tre volte maggiore di quanto si pensasse in precedenza. Ciò dà un’ulteriore attrazione gravitazionale mentre attira il piccolo, accelerando l’impatto. Ri-esecuzione di modelli di cluster utilizzando un universo modello molto più grande e con molti altri ammassi di galassie, i ricercatori sono stati in grado di vedere che i cluster di questa massa non erano così rari, e c’erano un sacco di collisioni che sembravano Proiettile-Cluster-like.

Soprattutto, per i cluster più grandi, le velocità collisionali erano maggiori. Il cluster Bullet è ancora un po ‘ sopra la media. Che significa? Significa che la collisione del cluster di proiettili è ancora eccezionale, ma solo nel senso uno su cento e non nel senso uno su 100 milioni indicato dalle prime ricerche.

La storia è completamente risolta? Probabilmente no. Sono sicuro che il modello rivisto avrà ancora bisogno di più controllo, ma il Cluster Bullet—e la scienza in generale—è una storia che si muove lentamente. Le osservazioni del cluster Bullet originali sono state annunciate circa dieci anni fa; il modello rivisto ha solo due anni. E questo riflette semplicemente la natura della scienza. Per la maggior parte, si tratta di sudare le piccole cose, perché questo è l’unico modo per capire le cose grandi. È un processo di auto-correzione. Sta generando modelli che sai essere sbagliato e metterli là fuori per vedere quanto siano sbagliati.

La scienza è, in breve, giocare con il fallimento e amarla.