Mørk materie ble først foreslått for å forklare hastigheten som stjerner går i bane rundt sentrum av deres galakser. Helt siden har søket etter andre bevislinjer for mørk materie vært interessant.en av de største suksessene syntes å være en kollisjon mellom galaksehoper kalt Bullet-Klyngen. Det ga en av de mest spektakulære og intuitive indikasjonene som syntes å vise at mørk materie var ekte. Vår egen rapport om Det første beviset På Bullet Cluster, skrevet for mer enn et tiår siden, var ganske spent. Og i historiene som fulgte om eksistensen av mørk materie, har vi en tendens til å behandle Kulehopen som en gullstandard. Hvis Du ikke kan forklare Kuleklyngen, så er teorien din sannsynligvis litt ubrukelig egentlig.
bildet over viser restene av to galaksehoper som har kollidert, med en mindre «kule» som har passert gjennom den større hopen. Kollisjonens energi er slik at vanlig materie har blitt oppvarmet til svært høye temperaturer, noe som får det til å lyse som gal i Røntgenregimet (som vises i rødt). Så, Et Røntgen teleskop kan gi et klart bilde av materiefordelingen av både kulen og den større klyngen. Enda bedre, denne kollisjonen ser ut til å være nesten side på oss, så vi har det beste setet i huset for å observere det.
i tillegg har begge klyngene betydelig masse og virker som gravitasjonslinser. Ved å avbilde objekter som ligger bak klyngene og forstå hvordan bildene forvrenges av den mellomliggende linse, kan vi kartlegge Kulehopens masse. Dette er vist i blått.Overliggende de to bildene viser at massen ikke er der saken er-dermed mørk materie. Dette er bare en av flere kollisjoner mellom klynger som viser lignende egenskaper—tyngdekraften uten tilsynelatende materie-men Kulehopen er uten tvil det reneste eksempelet av dem alle.
Kuleklyngen viser imidlertid noe som uten tvil er viktigere: vitenskapen fungerer. Selv om den første publikasjonen ble spioneringen som bevis for mørk materie, ble det raskt innså at historien kan være mer komplisert enn som så. Faktisk begynte historien å skygge mot Kulehopen som bevis mot mørk materie. Teoretiske fysikere la deres fantasi løs, bringe mørk energi og modifiserte gravitasjonsteorier til bordet. Men til slutt, som støvet avgjort, tenkning kom tilbake rundt til den opprinnelige tolkningen å være riktig.
Når Vi Ser tilbake på Kuleklyngen i dag—hvordan vi kom fra her til der og tilbake igjen-fremhever hvordan vitenskapen fungerer på samme rene måte. Data er konge, men teori er riket; du trenger begge, og det er heller ikke satt i stein.
Forklare dataene reiser spørsmål
Kort tid Etter At Bullet Cluster-analysen ble publisert tilbake i 2006, begynte forskerne å se nærmere på dataene. I utgangspunktet virket det hele litt forvirrende. Forsøk på å modellere kollisjonen syntes ikke å fungere.en av hytteindustrien i astrofysikk er modellering av galakser og klynger av galakser. Du kan, i din datamaskin, lage to klynger som omtrent samsvarer med massedistribusjonen av noen observasjoner, og deretter ram dem sammen i hvilken som helst hastighet du liker. Du kan også produsere en modell som har mange forskjellige klynger og se på statistikken over kollisjonene for å se hva gjennomsnittlig klyngekrasj ser ut.
denne to-trinns prosessen forteller oss forskjellige ting. En modell forteller oss, gitt observasjonsdataene, hvor store klyngene var og hvor fort de nærmet seg hverandre da de kolliderte. Den andre modellen forteller Oss, gitt Vårt Univers, hvilken størrelse galaksehoper vi bør forvente og hvor fort de vanligvis kolliderer.
for kollisjonsmodellen er det ikke nok å matche fordelingen av synlig materie og gravitasjonslinsing som ble observert. Det er en hel rekke funksjoner som modellene trenger å reprodusere. Som vi nevnte ovenfor, er den vanlige saken så varm at den produserer mange Røntgenstråler. Men det er ikke nok for en modell å bare produsere Røntgenstråler; det skal produsere det samme spekteret Av røntgenstråler-det vil si at vi skal kunne forutsi den relative lysstyrken til Hver farge På Røntgen. Andre begrensninger har å gjøre med materialet i klyngene. Under kollisjonen overføres materie (vanlig materie, det vil si) mellom klynger. Våre observasjoner gir et estimat av hvor mye som overføres, og modellene bør forutsi overføringen.
den andre modellen handler om sannsynligheter. Når du kartlegger resultatene fra den første modellen på modeller av mange galakse-klynger som tilfeldigvis kolliderer med hverandre, bør du oppdage at den forutsagte kollisjonen ikke er for ekstraordinær. Ja, det er mulig at vi treffer tilsvarende en vinnende lotto billett. Men hvis modellene forutsier at klyngekollisjonen krever ganske eksepsjonelle forhold, bør vi nok anta at vi har gjort en feil et sted. Eller, nærmere bestemt, for hver kollisjon som krever ekstreme forhold, burde vi ha observert mange som ligger innenfor det normale området. Siden Vi ikke har mange andre kollisjoner, Bør Bullet Cluster være innenfor det normale området
Men de første papirene publisert etter Bullet Cluster analyse viste at, kanskje, bare kanskje, alt er ikke bra. Er Bullet Cluster spesiell?
et behov for fart?
den første indikasjonen på at noe kunne være galt, kom fra modeller som kolliderte to klynger.
for å kollidere to galakse-klynger må du bestemme hvilken fysikk som skal inkluderes. I de første forsøkene var modellene relativt enkle. Hver klynge besto av en rekke vanlige materie og mørke materiepartikler. Disse passerte gjennom hverandre, kolliderte i tilfelle av vanlig materie (det mørke stoffet ignorerer alt i sin vei). Økningen i trykk fra kollisjonen driver opp temperaturen, noe som gjør at partiklene avgir Røntgenstråler. Samtidig genererer kollisjonen en sjokkbølge som også driver trykket opp og produserer en enda varmere gass som avgir Flere røntgenstråler.
selv om beregningsintensiv på grunn av antall partikler, inneholder modellen bare minimal fysikk av en ganske enkel væske. Og analysen var like enkel: gjengir vår modell de viktigste funksjonene i våre observasjoner? Forskerne fokuserte på de observerte sjokkfronten, massedistribusjonen og Røntgenutslippene. Deres forsøk på å reprodusere disse funksjonene involverte å prøve forskjellige kombinasjoner av kollisjonshastigheter, tettheter og totale masser av de to klyngene.
for et gitt sett med innledende forhold kan en bestemt observasjonsegenskap reproduseres. Men for å få alle funksjonene som kreves at de to klyngene har et ganske begrenset sett med tettheter, masseforhold og, viktigst, kollisjonshastighet.
som er typisk for spennende nye resultater, andre prøvde å gjøre det samme, alle ved hjelp av litt forskjellige modeller. Men de kom alle til lignende konklusjoner. Utvalget av kollisjonshastigheter virket også feil—det varierte fra 2700 km / s til en massiv 4050 km / s. Hele spekteret virket høyt, med tanke på at den overordnede mørke materieteorien heter «cold dark matter», hvor kaldt er en annen måte å si sakte på.
Men vi har ingen anelse om galakse klynger adlyde noen form for fartsgrense(annet enn «tregere enn lys»). For å ha mer enn et intuitivt gjetning om hvorvidt disse resultatene var høye, måtte forskerne vende seg til en annen type modell, en som modellerer bevegelsen av galakse-klynger. Det første skrittet for å bygge denne typen modell er å bestemme hva universet ditt er laget av.
Fordi vi kan se det, vet vi allerede om hvor mye vanlig materie er rundt, og vi vet hva slags fart det beveger seg på. Mørk materie er imidlertid en annen historie. Hvis du antar at mørk materie eksisterer, må du bestemme hvordan den distribueres og hvor fort den beveger seg.
mørkets hastighet (materie)
dette er ikke et helt fritt valg. Big Bang og det faktum at galakser klarte å danne etter den hendelsen, satte begge grenser for hastigheten og fordelingen av mørk materie. Bevegelsen av galakser i en klynge forteller deg også om fordelingen av mørk materie. Så, alle disse observasjonsdataene går inn som utgangspunkt, noe som setter noen grenser for modellens fleksibilitet. Tross alt, virkeligheten regler. Hvis utgangspunktet ikke ville resultere i galakser, for eksempel, vil det bli avvist.for å finne ut om kollisjonshastigheten var eksepsjonell, var neste trinn å undersøke modeller av klyngekollisjoner. For å gjøre dette skapte forskere en stor boks (mer enn 4GigaParsecs på en side) og fylte den med mørk materie—vanlig materie er en mindre komponent, og de fleste, men ikke alle, modeller forsømmer det. Forskerne lot modellen løpe for å utvikle Universet. På forskjellige tidspunkter ville de fryse modellen og undersøke den. Forskerne lette etter store klynger som hadde fanget en liten klynge i sin gravitasjonsbrønn. Under disse forholdene ville den lille klyngen bli dømt til å kollidere med sin større nabo.
for å gjøre sammenligningen Med Bullet Cluster fair, forskerne begrenset seg til klynger med en masse forhold som ligner På Bullet Cluster kollisjon. I tillegg fjernet de glancing slag, siden Kuleklyngen ser ut som om den er nær en frontkollisjon.Kollisjoner syntes å skje ganske regelmessig: forskerne fant like under 80 eksempler på kollisjoner som så ut som Kuleklyngen. Ennå, ingen av dem gjengitt detaljene I Bullet Cluster kollisjon. Bare en kollisjon hadde en infall hastighet større enn 2000 km / s—som fortsatt var for sakte-husk at alle kollisjonsmodellene hadde foreslått en mye høyere hastighet.
Nåværende spenning
Enda mer bekymringsfullt skjedde Ikke Kuleklyngekollisjoner tidligere. Modellen viste at alle kollisjonene med riktig masseforhold (f. eks. Der ute i Universet akkurat nå er det små klynger som suges hjelpeløst i maw av store. Tidligere fant forskerne ikke noen av disse sammenkoblingene. Fordi Vi observerer Kuleklyngen i dag, vet vi at det skjedde tidligere. Vi vet selv hvor lenge siden det skjedde.
Så for å passe de observerbare dataene, bør vi finne små klynger som kolliderer med store klynger i fortiden. Likevel viste våre modeller ingenting av den typen.
i Stedet domineres fortiden av tilsvarende store klynger som kaster inn i hverandre. Denne prosessen kan være det som skaper forskjellen i klyngestørrelser som til slutt tillater Bullet-Cluster-lignende kollisjoner. Men det tar tid – ifølge disse modellene, lang tid.Det store problemet viste seg å være at i hver datamodell har forskere en rekke valg å gjøre: hvilken fysikk som skal inkluderes, hva som skal utelukkes og hva som skal omtrentlig. Utover det er det også tekniske valg som skal gjøres: hva er Størrelsen på Universet du planlegger å simulere? Hva er den minste funksjonen som modellen din vil håndtere? Disse to er koblede valg som er begrenset av mengden beregningskraft tilgjengelig. Og de virkelig betyr noe.
Det viser seg at størrelsen på modellboksen og oppløsningen er viktig. Eller, mer presist, jo større boksen og jo flere partikler det er i esken, desto lenger kan du nå inn i ekstremene av hastighetsfordelingen. For typen modell som brukes i den første analysen, forventes høyhastighetskollisjoner å være sjeldne. Senere arbeid antydet at boksen måtte ha et volum omtrent åtte ganger større enn noe som hadde blitt prøvd så langt hvis du ønsket å se en enkelt kollisjon som matchet hastighetene spådd av kollisjonsmodellene.
Men det visste vi ikke på den tiden. Konsensusen syntes da å være at noe var galt – ikke nødvendigvis med mørk materie, og absolutt ikke med observasjonene. Forventningen var at enten modellene som simulerer galaksehopdannelse og dynamikk manglet noe, eller modellen som kolliderte klynger manglet noe. Men hvilken var av, og hva manglet det egentlig?
den roiling verden av teoretisk fysikk
på dette punktet begynner teoretiske fysikere å bli litt begeistret—Resultater som Ikke Forklares™ betyr Ny Fysikk™. Kanskje mørk energi kan øke hastigheten på klyngen? Og hvis ikke mørk energi, kan vi prøve modifisert Newtonsk Dynamikk, en ide som erstatter mørk materie med en modifisert gravitasjonsteori? I begge tilfeller kan du få større kollisjonshastigheter. Men de kom til en pris: ved hjelp av en fysisk modell som hadde noen ganske sparsomme bevis som støtter det.
i dette tilfellet viste alle disse ideene seg å være feil, men vurderer dem var en viktig del av prosessen. Ikke vurderer dem ville foreslå at vi nektet å revurdere riktigheten av grunnleggende fysikk. Det er alltid ideer som bør diskuteres når eksperimentelle bevis og nåværende teori ikke er enige. De vil nesten alltid være feil, men» nesten » aspektet er ganske kritisk.
i dette tilfellet, selv om det var forskjeller mellom teori og observasjoner, historien endte ikke med en ny teori. I stedet fant forskerne ut hvordan man kan løse forskjellene. Prosessen startet ved å revidere modellen for klyngekollisjonen. Det opprinnelige arbeidet hadde sett på bare noen få brutto funksjoner: hvor var massesenteret for hver klynge, hva var formen på sjokkfronten, etc.
modellen antok at klyngene var, før de kolliderte, sfærisk symmetriske. Det er ganske urealistisk, og den store uoverensstemmelsen betydde at det var på tide å bli seriøs. Klyngene ble omgjort til ellipser, og effekten av magnetfelt ble tilsatt til væskelignende fysikk. Dette sistnevnte er viktig fordi magnetfelt begrenser ladet (vanlig) materie for å bevege seg rundt feltlinjer. Dette kan øke trykket og temperaturen.
selv uten disse tilleggene passer den gamle modellen allerede til bruttoegenskapene til Bullet-Klyngen. Nå var det også på tide å prøve å forklare detaljene. De fleste astronomiske data kommer i form av bilder og ikke nødvendigvis synlige lysbilder. Røntgen, radioteleskop data, og mange andre deler av spekteret er vanlig. Noen av disse dataene brukes til å gi piksel-for-piksel-estimater av de mer interessante fysiske egenskapene, som temperatur.
Processing pixels
dette er hvor forskerne ledet: sammenligne modellene til den beste oppløsningen av dataene de skulle modellere. Dette innebar en piksel-for-piksel sammenligning mellom eksperimentelle data og modell spådommer.
Å Gjøre det krever litt finesse. Det er bare en kuleklynge, og dermed bare ett komplett datasett. Modellen har noen ukjente som må settes basert på eksperimentelle data også. Så, hvordan bruker du dataene til å sette opp modellen din og fortsatt sammenligne resultatene med dataene? Til slutt brukte et lag gravitasjonslinsedataene og lavenergidelen av Røntgenutslippsspekteret for å fikse parametrene i modellen. De sammenlignet deretter modellens utgang med resten av dataene.
til slutt reproduserte modellen som innlemmet magnetfeltene observasjonsdataene ganske bra. Ikke perfekt, og pa noen mater darlig, men det var bedre enn tidligere arbeid. Likevel var det ikke åpenbart at dette fikk oss hvor som helst, da kollisjonshastigheten det spådde fortsatt virket ganske høy (rundt 2.800 km/s til 2.900 km/s). Det var imidlertid en viktig forskjell: for å reprodusere kollisjonen måtte hovedklyngen være større enn forutsatt av den forrige modellen.
med kollisjonens fysikk tilsynelatende gjengitt, returnerte forskerne til kollisjonshastigheten. I modellen var kollisjonshastigheten fortsatt en massiv 2800 km / s, noe som ikke er så forskjellig fra verdiene som tidligere forskere har oppnådd. Likevel hevdet de at denne hastigheten ER OK. Hva er forskjellen?
forskjellen er i massen av den større klyngen. Den nye modellen forutslo en masse som er tre ganger større enn tidligere antatt. Det gir en ekstra gravitasjonsattraksjon som den trekker i den lille, og påskynder virkningen. Re-running modeller av klynger ved hjelp av et mye større modellunivers og med mange flere galakse-klynger, kunne forskerne se at klynger av denne massen ikke var så uvanlige, og det var mange kollisjoner som så Kulehop-Lignende.
Viktigst, for de større klyngene var kollisjonshastighetene større. Kuleklyngen er fortsatt litt over gjennomsnittet. Hva betyr det? Det betyr At Kuleklyngekollisjonen fortsatt er eksepsjonell, men bare i en-i-hundre forstand og ikke i en-i-100-million forstand angitt av den tidligste forskningen.
er historien helt løst? Sannsynligvis ikke. Jeg er sikker på at den reviderte modellen fortsatt vil trenge mer granskning—men Kuleklyngen – og vitenskapen generelt-er en sakte historie. De opprinnelige Bullet Cluster-observasjonene ble annonsert for omtrent ti år siden; den reviderte modellen er bare to år gammel. Og dette gjenspeiler bare vitenskapens natur. For det meste handler det om å svette de små greiene, fordi det er den eneste måten å forstå de store greiene på. Det er en selvkorrigerende prosess. Det genererer modeller som du vet å være feil og sette dem der ute for å se hvor feil de egentlig er.Vitenskap er kort sagt å leke med fiasko og elske det.
