ダークマターは、星が銀河の中心を周回する速度を説明するために最初に提案されました。 それ以来、暗黒物質の証拠の他の行の検索は興味深いものとなっています。
最大の成功の一つは、弾丸クラスターと呼ばれる銀河団の衝突であるように見えました。 それは、暗黒物質が本物であることを示すように見えた最も壮観で直感的な兆候の一つを提供しました。 弾丸クラスターの最初の証拠に関する私たち自身の報告書は、十年以上前に書かれた、かなり興奮していました。 そして、暗黒物質の存在について続いた物語では、私たちは弾丸クラスターを金本位として扱う傾向がありました。 弾丸クラスターを説明できない場合、あなたの理論はおそらく本当に少し役に立たないでしょう。
上の画像は、衝突した2つの銀河団の残骸と、より大きな銀河団を通過した小さ 衝突のエネルギーは、規則的な物質が非常に高い温度に加熱され、X線領域（赤色で示されている）で狂ったように輝くようになるようなものです。 したがって、X線望遠鏡は、弾丸とより大きなクラスターの両方の物質分布の鮮明な画像を生成することができます。 さらに良いことに、この衝突は私たちにとってほぼ横にあるように見えるので、私たちはそれを観察するために家の中で最高の座席を持っています。
さらに、両方のクラスターはかなりの質量を持ち、重力レンズのように作用します。 クラスターの背後にある物体を撮像し、介在するレンズによって画像がどのように歪んでいるかを理解することによって、弾丸クラスターの質量をマッ これは青で示されています。
2つの画像を重ね合わせると、質量は物質がどこにあるのかではなく、暗黒物質であることが示されています。 これは、似たような特徴を示すクラスター間のいくつかの衝突の1つにすぎません—明らかな物質のない重力—しかし、弾丸クラスターは、間違いなく、それらすべての中で最もきれいな例です。
しかし、弾丸クラスターは、間違いなく、より重要な何かを示しています：科学の作品。 最初の出版物はダークマターの証拠として宣伝されましたが、それはすぐに物語がそれよりも複雑かもしれないことに気づきました。 実際には、物語は暗黒物質に対する証拠である弾丸クラスターに向かって陰になり始めました。 理論物理学者は彼らの想像力を緩め、ダークエネルギーと修正された重力理論をテーブルにもたらしました。 しかし、最終的には、ほこりが落ち着くにつれて、思考は元の解釈が正しいことに戻ってきました。
今日の弾丸クラスターを振り返ってみると、ここからそこに、そして再び戻ってきた方法は、科学が同じきれいな方法でどのように機能するかを強調 データは王であるが、理論は王国である;両方を必要とし、どちらも石で置かれない。
データを説明することは質問を提起します
2006年に弾丸クラスター分析が公開された直後、科学者はデータを詳しく見始めました。 最初は、それはすべて少し不可解に見えました。 衝突をモデル化しようとする試みはうまくいかなかったようです。
天体物理学における家内工業の一つは、銀河や銀河団のモデル化です。 コンピュータでは、いくつかの観測値の質量分布にほぼ一致する2つのクラスターを作成し、好きな速度でそれらをまとめてramすることができます。 また、多くの異なるクラスターを持つモデルを作成し、衝突の統計を見て、平均クラスタークラッシュがどのように見えるかを確認することもできます。
この2つのステップのプロセスは、私たちに異なることを伝えます。 一つのモデルは、観測データを考えると、クラスターがどれくらい大きく、衝突したときにどれくらい速くお互いに接近していたかを教えてくれます。 第二のモデルは、私たちの宇宙を考えると、私たちが期待すべき銀河団の大きさと、それらが一般的に衝突する速さを教えてくれます。
衝突モデルでは、観測された可視物質と重力レンズの分布を一致させるだけでは不十分です。 モデルが再現する必要がある機能の全体のいかだがあります。 上記のように、通常の物質は非常に高温であり、多くのX線を生成します。 それは同じスペクトルのX線を生成するはずです-つまり、X線の各色の相対的な明るさを予測することができるはずです。 他の制約は、クラスタ内の材料に関係しています。 衝突の間、物質（通常の物質、つまり）はクラスタ間で転送されます。 我々の観測は、転送される量の推定値を提供し、モデルは転送を予測する必要があります。
第二のモデルは、すべての確率についてです。 最初のモデルの結果を、ランダムに衝突する多くの銀河団のモデルにマップすると、予測された衝突はそれほど異常ではないことがわかります。 はい、当選したロトのチケットと同等のものをヒットする可能性があります。 しかし、クラスター衝突には非常に例外的な条件が必要であるとモデルが予測している場合、おそらくどこかで間違いを犯したと仮定する必要があ または、より正確には、極端な条件を必要とするすべての衝突について、通常の範囲内にあるロットを観察する必要があります。 他の衝突はあまりないので、弾丸クラスターはその正常範囲内にある必要があります
しかし、弾丸クラスター分析の後に出版された最初の論文は、多分、ちょうど多分、すべてがうまくいかないことを示しました。 弾丸クラスターは特別ですか？
スピードの必要性？
何かが間違っている可能性があるという最初の兆候は、二つのクラスターが衝突したモデルから来ました。
二つの銀河団を衝突させるには、どの物理学を含めるかを決定する必要があります。 最初の試みでは、モデルは比較的単純でした。 各クラスターは、通常の物質と暗黒物質の粒子の数で構成されていました。 これらは互いに通過し、通常の物質の場合に衝突します（暗黒物質はその経路内のすべてを無視します）。 衝突による圧力の増加は、粒子がX線を放出する原因となる、温度を駆動します。 同時に、衝突はまた圧力を運転し、より多くのX線を出すより熱いガスを作り出す衝撃波を発生させる。
粒子の数のために計算集約的ですが、モデルにはかなり単純な流体の最小限の物理のみが含まれています。 そして、分析は同様に簡単でした：私たちのモデルは私たちの観測の主要な特徴を再現していますか？ 研究者らは、観測されたショックフロント、質量分布、およびX線放出に焦点を当てた。 これらの特徴を再現しようとする彼らの試みは、衝突速度、密度、および2つのクラスターの総質量の異なる組み合わせを試みることを含んでいた。
与えられた初期条件のセットに対して、任意の特定の観測特性を再現することができます。 しかし、すべての特徴を得るためには、2つのクラスターの密度、質量比、そして最も重要なのは衝突速度がかなり制限されている必要があります。
エキサイティングな新しい結果の典型的なように、他の人はすべてわずかに異なるモデルを使用して、同じことをしようとしていました。 しかし、彼らはすべて同様の結論に達しました。 衝突速度の範囲も間違っているように見えました—それは2,700km/sから巨大な4,050km/sまでの範囲でした。 全体の範囲は、支配的なダークマター理論が”冷たいダークマター”と題されていることを考慮すると、高いように見えました。しかし、銀河団が（「光よりも遅い」以外の）いかなる種類の速度制限に従うかどうかはわかりません。 これらの結果が高いかどうかを直感的に推測するには、研究者は銀河団の動きをモデル化する別のタイプのモデルに目を向ける必要がありました。 このタイプのモデルを構築するための最初のステップは、あなたの宇宙が何で作られているかを決定することです。
私たちはそれを見ることができるので、私たちはすでにどのくらいの普通の物質が周りにあるかを知っていて、それが動いている速度の種類を知 しかし、ダークマターは別の話です。 暗黒物質が存在すると仮定すると、それがどのように分布し、どのくらいの速さで動いているかを決定する必要があります。これは完全に自由な選択ではありません。
暗い（物質）の速度
これは完全に自由な選択ではありません。 ビッグバンと銀河がそのイベントの後に形成することができたという事実は、両方のダークマターの速度と分布に制限を置きます。 クラスター内の銀河の動きは、ダークマターの分布についても教えてくれます。 したがって、その観測データのすべてが出発点として入り、モデルの柔軟性にいくつかの制限があります。 結局のところ、現実のルール。 たとえば、出発点が銀河にならない場合、それは拒否されます。
衝突速度が例外的であるかどうかを調べるために、次のステップはクラスター衝突のモデルを調べることでした。 これを行うために、研究者は大きな箱（4gigaparsecs以上）を作成し、それを暗黒物質で満たしました—普通の物質はマイナーな成分であり、すべてではないがほとん 研究者は、モデルが宇宙を進化させるために実行してみましょう。 異なる時点で、彼らはモデルを凍結し、それを調べるでしょう。 研究者たちは、重力井戸に小さなクラスターを閉じ込めた大きなクラスターを探していました。 これらの条件の下では、小さなクラスターはその大きな隣人と衝突する運命にあるでしょう。
弾丸クラスターとの比較を公平にするために、研究者は弾丸クラスター衝突と同様の質量比を持つクラスターに制限しました。 さらに、弾丸のクラスターが正面衝突に近いように見えるので、彼らはちらっと吹く打撃を取り除きました。
衝突はかなり定期的に起こるように見えました：研究者たちは、弾丸のクラスターのように見える衝突の80例のすぐ下を発見しました。 しかし、それらのどれも弾丸クラスター衝突の詳細を再現しませんでした。 唯一の衝突はまだ遅すぎた2,000km/sを超えるinfall速度を持っていた—覚えておいて、衝突モデルのすべては、はるかに高い速度を示唆していました。
現在の緊張
さらに心配なことに、弾丸のクラスターの衝突は過去に起こらなかった。 このモデルは，正しい質量比を持つすべての衝突（例えば，小さなクラスタが大きなクラスタにダイブする）が現在で起こることを示した。 宇宙の中には、今、大きなもののmawに無力に吸い込まれている小さなクラスタがあります。 しかし、過去には、研究者はこれらのペアを見つけることができませんでした。 私たちは今日、弾丸のクラスタを観察するので、私たちはそれが過去に起こったことを知っています。 それがどれくらい前に起こったかさえ知っています。
観測可能なデータに合うように、過去に小さなクラスターが大きなクラスターと衝突しているのを見つける必要があります。 しかし、私たちのモデルはそのようなものを見せませんでした。
代わりに、過去はお互いに投げる同様のサイズのクラスターによって支配されています。 そのプロセスは、最終的には、弾丸クラスターのような衝突を可能にするクラスターサイズの格差を作成するものである可能性があります。 しかし、それは時間がかかります—これらのモデルによると、長い時間。
大きな問題は、すべてのコンピュータモデルにおいて、研究者には、どのような物理学を含めるか、何を除外するか、何を近似するかという多くの選 それ以外にも、技術的な選択もあります：あなたがシミュレートする予定の宇宙の大きさは何ですか？ あなたのモデルが扱う最小の機能は何ですか？ これらの2つは、利用可能な計算能力の量によって制限される結合された選択肢です。 そして、彼らは本当に重要です。
モデルボックスのサイズと解像度が重要であることが判明しました。 または、より正確には、ボックスが大きく、ボックス内にある粒子が多いほど、速度分布の極端なところに到達することができます。 初期解析で使用されるモデルのタイプでは、高速衝突はまれであると予想されます。 後の研究では、衝突モデルによって予測される速度に一致する単一の衝突を見たい場合、これまでに試したものよりも約8倍のボリュームが必要であ
しかし、私たちはその時にそれを知りませんでした。 その後、コンセンサスは、何かが間違っているように見えました—必ずしも暗黒物質ではなく、確かに観測ではありません。 銀河団の形成とダイナミクスをシミュレートするモデルには何かが欠けているか、衝突したモデルには何かが欠けているという期待がありました。 しかし、どちらが外れていて、正確には何が欠けていましたか？
理論物理学の騒がしい世界
この時点で、理論物理学者は少し興奮し始めます—説明されていない結果™は新しい物理学™を意 たぶんダークエネルギーは、クラスタをスピードアップすることができますか？ そして、ダークエネルギーではないにしても、ダークマターを修正された重力理論に置き換える修正されたニュートン力学を試すことができますか？ どちらの場合も、より大きな衝突速度を得ることができます。 しかし、彼らはコストで来た：それを支持するいくつかのかなりまばらな証拠を持っていた物理モデルを使用して。
この場合、これらのアイデアはすべて間違っていることが判明しましたが、それらを考慮することはプロセスの不可欠な部分でした。 それらを考慮しないことは、基本的な物理学の正しさを再評価することを拒否したことを示唆しているでしょう。 実験的証拠と現在の理論が一致しないときに議論のためにアップする必要がありますアイデアが常にあります。 彼らはほとんど常に間違っていますが、”ほとんど”の側面はむしろ重要です。
この場合、理論と観測の間に違いがあったにもかかわらず、物語は新しい理論で終わらなかった。 代わりに、研究者は違いを解決する方法を考え出しました。 このプロセスは、クラスター衝突のモデルを再検討することから開始されました。 元の作品は、各クラスターの質量の中心がどこにあったのか、ショックフロントの形状は何だったのかなど、いくつかの大きな特徴しか見ていませんでした。
このモデルは、クラスターが衝突する前に球対称であると仮定しました。 それはかなり非現実的であり、巨大な矛盾は、それが深刻な取得する時間だったことを意味しました。 クラスターは楕円形になり、磁場の効果が流体のような物理学に加えられました。 この後者は、磁場が磁力線の周りを移動するために荷電した（通常の）物質を閉じ込めるので重要である。 これは、圧力と温度を増加させることができます。
これらの追加がなくても、古いモデルはすでに弾丸クラスターの全体的な特徴に適合しています。 今、それはまた、詳細を説明しようとする時間でした。 ほとんどの天文データは画像の形で提供され、必ずしも可視光の画像ではありません。 X線、電波望遠鏡のデータ、およびスペクトルの他の多くの部分が一般的です。 このデータのいくつかは、温度のようなより興味深い物理的性質のピクセルごとの推定値を提供するために使用されます。
ピクセルの処理
これは、研究者が向かった場所です：モデルをモデル化することになっていたデータの最高の解像度と比較します。 これには、実験データとモデル予測との間のピクセル単位の比較が含まれていました。
それを行うには少しの技巧が必要です。 箇条書きクラスタは1つだけであり、したがって完全なデータセットは1つだけです。 モデルには、実験データに基づいて設定する必要がある未知数もいくつかあります。 では、データを使用してモデルを設定し、結果をデータと比較するにはどうすればよいですか？ 最終的に、チームは重力レンズデータとX線発光スペクトルの低エネルギー部分を使用して、モデルのパラメータを修正しました。 次に、モデルの出力を残りのすべてのデータと比較しました。
最後に、磁場を組み込んだモデルは観測データをかなりよく再現しました。 完全ではなく、いくつかの点では不十分ですが、以前の仕事よりも優れていました。 それでも、予測された衝突速度はまだかなり高いように見えたので、これがどこにでも私たちを得たことは明らかではありませんでした（約2,800km/s-2,900km/s）。 しかし、衝突を再現するためには、メインクラスターが前のモデルで予測されたよりも大きくなければならなかったという重要な違いがありました。
明らかに再現衝突の物理学では、研究者は衝突速度に戻りました。 彼らのモデルでは、衝突速度はまだ2,800km/sの大規模なものであり、これは以前の研究者によって得られた値とそれほど変わらない。 しかし、彼らはこの速度は大丈夫だと主張した。 違いは何ですか？違いは、より大きなクラスターの質量にあります。
新しいモデルは、以前に考えられていたよりも3倍大きい質量を予測しました。 それは小さなものを引き込むときに追加の重力の魅力を与え、衝撃を加速させます。 より大きなモデル宇宙とより多くの銀河団を使って銀河団のモデルを再実行すると、研究者はこの質量の銀河団はそれほど珍しいことではなく、弾丸クラスターのように見える多くの衝突があったことを見ることができました。
最も重要なのは、より大きなクラスターでは、衝突速度が大きかったことです。 弾丸クラスターはまだ平均を少し上回っています。 どういう意味ですか？ これは、弾丸クラスター衝突がまだ例外的であることを意味しますが、最初の研究によって示された100万分の1の意味ではなく、100分の1の意味でのみ物語は完全に解決されていますか？
そうじゃないかもしれませんね。 私は改訂されたモデルはまだより多くの精査が必要になると確信していますが、弾丸のクラスター—そして一般的な科学—は動きの遅い話です。 オリジナルの弾丸クラスターの観測は約十年前に発表されました。 そして、これは単に科学の性質を反映しています。 それは大きなものを理解するための唯一の方法であるため、ほとんどの部分については、それは、小さなものを発汗についてです。 それは自己修正プロセスです。 それはあなたが間違っていることを知っているモデルを生成し、それらが実際にどれほど間違っているかを見るためにそこに置くことです。科学は、要するに、失敗して遊んで、それを愛することです。
