donkere materie werd voor het eerst voorgesteld om de snelheid te verklaren waarmee sterren rond het centrum van hun sterrenstelsels draaien. Sindsdien is de zoektocht naar andere bewijzen voor donkere materie een interessante geweest.

een van de grootste successen bleek een botsing van sterrenstelsels clusters genaamd de Bullet Cluster. Het gaf een van de meest spectaculaire en intuïtieve aanwijzingen die leken aan te tonen dat donkere materie echt was. Ons eigen rapport over het eerste bewijs van de Kogelcluster, meer dan tien jaar geleden geschreven, was behoorlijk opgewonden. In de verhalen die volgden over het bestaan van donkere materie, behandelden we de Kogelcluster als een gouden standaard. Als je de Kogelcluster niet kunt verklaren, dan is je theorie waarschijnlijk een beetje nutteloos.

View more

de afbeelding hierboven toont het overblijfsel van twee melkwegclusters die zijn gebotst, met een kleinere” kogel ” die door het grotere cluster is gegaan. De energie van de botsing is zodanig dat regelmatige materie is verhit tot zeer hoge temperaturen, waardoor het te gloeien als een gek in de X-ray regime (die wordt weergegeven in het rood). Een röntgentelescoop kan dus een duidelijk beeld geven van de materieverdeling van zowel de kogel als de grotere cluster. Nog beter, deze botsing lijkt bijna kant-op voor ons, dus we hebben de beste stoel in het huis om het te observeren.

bovendien hebben beide clusters een significante massa en werken ze als zwaartekrachtlenzen. Door objecten weer te geven die achter de clusters zitten en te begrijpen hoe de beelden worden vervormd door de tussenliggende lens, kunnen we de massa van de Kogelcluster in kaart brengen. Dit wordt in het blauw weergegeven.

overlapping van de twee afbeeldingen laat zien dat de massa niet is waar de materie is—dus donkere materie. Dit is slechts een van de vele botsingen tussen clusters die vergelijkbare kenmerken vertonen—zwaartekracht zonder zichtbare materie—maar de Bullet Cluster is zonder twijfel het schoonste voorbeeld van allemaal.

echter, de Bullet Cluster toont iets dat misschien wel belangrijker is: science works. Hoewel de eerste publicatie werd aangeprezen als bewijs voor donkere materie, werd al snel beseft dat het verhaal ingewikkelder kan zijn dan dat. In feite begon het verhaal zelfs te verduisteren in de richting van de Kogelcluster als bewijs tegen donkere materie. Theoretische fysici laten hun verbeelding los… en brengen donkere energie en gemodificeerde zwaartekrachttheorieën naar de tafel. Maar uiteindelijk, toen het stof neerdaalde, kwam het denken terug naar de oorspronkelijke interpretatie die juist was.

Terugkijkend op het Bullet Cluster van vandaag—hoe we van hier naar daar kwamen en weer terug—benadrukt hoe wetenschap op dezelfde schone manier werkt. Data is koning, maar theorie is het Koninkrijk; je hebt beide nodig, en geen van beide is in steen gezet.

het uitleggen van de gegevens roept vragen op

kort na de publicatie van de Bullet Cluster analyse in 2006 begonnen wetenschappers de gegevens nader te bekijken. Aanvankelijk leek het allemaal een beetje raadselachtig. Pogingen om de botsing te modelleren leken niet te werken.

een van de huisindustrieën in de astrofysica is het modelleren van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Je kunt in je computer twee clusters maken die ongeveer overeenkomen met de massaverdeling van sommige observaties, en ze vervolgens op elke gewenste snelheid samenvoegen. U kunt ook een model maken met veel verschillende clusters en kijken naar de statistieken van de botsingen om te zien hoe de gemiddelde clustercrash eruit ziet.

Dit proces in twee stappen vertelt ons verschillende dingen. Een model vertelt ons, gezien de observationele gegevens, hoe groot de clusters waren en hoe snel ze elkaar naderden toen ze botsten. Het tweede model vertelt ons, gezien ons universum, welke grootte van melkwegclusters we moeten verwachten en hoe snel ze meestal botsen.

voor het collisiemodel is het niet voldoende om de waargenomen verdeling van zichtbare materie en gravitatielens te matchen. Er zijn een hele reeks functies die de modellen moeten reproduceren. Zoals we hierboven vermeld, de normale materie is zo heet dat het produceert veel röntgenstralen. Maar het is niet genoeg voor een model om alleen röntgenstralen te produceren; het zou hetzelfde spectrum van röntgenstralen moeten produceren-dat wil zeggen dat we in staat moeten zijn om de relatieve helderheid van elke kleur van röntgenstralen te voorspellen. Andere beperkingen hebben te maken met het materiaal in de clusters. Tijdens de botsing, materie (gewone materie, dat wil zeggen) wordt overgedragen tussen clusters. Onze waarnemingen geven een schatting van hoeveel wordt overgedragen, en de modellen moeten de overdracht te voorspellen.

het tweede model gaat over waarschijnlijkheden. Wanneer je de resultaten van het eerste model in kaart brengt op modellen van veel melkwegclusters die willekeurig met elkaar botsen, moet je merken dat de voorspelde botsing niet al te buitengewoon is. Ja,Het is mogelijk dat we het equivalent van een winnende lotto ticket. Maar als de modellen voorspellen dat de clusterbotsing vrij uitzonderlijke omstandigheden vereist, moeten we waarschijnlijk aannemen dat we ergens een fout hebben gemaakt. Of, meer precies, voor elke botsing die extreme omstandigheden vereist, hadden we veel moeten observeren die binnen het normale bereik liggen. Omdat we niet veel andere botsingen hebben, zou het Bullet Cluster binnen dat normale bereik moeten liggen

maar de eerste papers gepubliceerd na de Bullet Cluster analyse toonden aan dat, misschien, heel misschien, alles niet goed is. Is de Kogelcluster speciaal?

A need for speed?

de eerste indicatie dat er iets mis zou kunnen zijn kwam van modellen die twee clusters botsten.

om twee melkwegclusters te botsen, moet je beslissen welke fysica je wilt opnemen. In de eerste pogingen waren de modellen relatief eenvoudig. Elke cluster bestond uit een aantal gewone materie en donkere materie deeltjes. Deze gingen door elkaar, botsen in het geval van gewone materie (de donkere materie negeert alles op zijn pad). De toename van de druk van de botsing drijft de temperatuur op, waardoor de deeltjes röntgenstralen uitzenden. Tegelijkertijd genereert de botsing een schokgolf die ook de druk opdrijft en een nog heter gas produceert dat meer röntgenstralen uitzendt.

hoewel rekenintensief vanwege het aantal deeltjes, bevat het model alleen de minimale fysica van een vrij eenvoudige vloeistof. En de analyse was even eenvoudig: reproduceert Ons model de belangrijkste kenmerken in onze waarnemingen? De onderzoekers richtten zich op de waargenomen schok-front, massa distributie, en X-ray emissies. Hun poging om deze kenmerken te reproduceren omvatte het proberen van verschillende combinaties van botssnelheden, dichtheden en totale massa ‘ s van de twee clusters.

voor een bepaalde reeks initiële voorwaarden kan elke specifieke observationele eigenschap worden gereproduceerd. Echter, om alle functies die nodig zijn dat de twee clusters hebben een vrij beperkte set van dichtheden, massa ratio ‘ s, en, belangrijker, botsende snelheid.

zoals typisch is voor spannende nieuwe resultaten, probeerden anderen hetzelfde te doen, waarbij ze allemaal iets andere modellen gebruikten. Maar ze kwamen allemaal tot dezelfde conclusies. Het bereik van botssnelheden leek ook verkeerd—het varieerde van 2.700 km / s tot een enorme 4.050 km / s. Het hele bereik leek hoog, gezien het feit dat de overheersende donkere materie theorie is getiteld “koude donkere materie,” waar koud is een andere manier om te zeggen slow-moving.

maar we hebben geen idee of melkwegclusters zich aan enige snelheidsbeperking houden (anders dan”trager dan licht”). Om meer dan een intuïtieve gok te hebben over de vraag of deze resultaten hoog waren, moesten onderzoekers zich wenden tot een ander type model, een die de beweging van melkwegclusters modelleert. De eerste stap om dit type model te bouwen is om te beslissen waaruit jullie universum bestaat.

omdat we het kunnen zien, weten we al hoeveel gewone materie er is, en we weten het soort snelheid waarmee het beweegt. Donkere materie is een ander verhaal. Als je aanneemt dat donkere materie bestaat, dan moet je beslissen hoe ze wordt verdeeld en hoe snel ze beweegt.

de snelheid van donker (materie)

Dit is geen volledig vrije keuze. De oerknal en het feit dat sterrenstelsels erin slaagden zich na die gebeurtenis te vormen, stelden grenzen aan de snelheid en verdeling van donkere materie. De beweging van de sterrenstelsels in een cluster vertelt je ook over de verdeling van donkere materie. Al die observationele gegevens gaan dus als uitgangspunt, wat een aantal grenzen stelt aan de flexibiliteit van het model. De realiteit is immers de baas. Als het beginpunt niet zou resulteren in sterrenstelsels, bijvoorbeeld, dan zal het worden afgewezen.

om uit te vinden of de botssnelheid uitzonderlijk was, was de volgende stap het onderzoeken van modellen van clusterbotsingen. Om dit te doen, creëerden onderzoekers een grote doos (meer dan 4GigaParsecs aan een kant) en vulde deze met donkere materie—gewone materie is een kleine component, en de meeste, maar niet alle, modellen verwaarlozen het. De onderzoekers lieten het model lopen om het universum te ontwikkelen. Op verschillende momenten bevriezen ze het model en onderzoeken het. De onderzoekers waren op zoek naar grote clusters die een kleine cluster hadden gevangen in zijn gravitatieput. Onder deze omstandigheden zou de kleine cluster gedoemd zijn te botsen met zijn Grotere buurman.

om de vergelijking met het Bullet Cluster eerlijk te maken, beperkten de onderzoekers zich tot clusters met een massaverhouding die vergelijkbaar is met die van de Bullet Cluster botsing. Bovendien verwijderden ze glancing blows, omdat de Bullet Cluster lijkt te zijn dicht bij een frontale botsing.

botsingen leken vrij regelmatig te gebeuren: de onderzoekers vonden iets minder dan 80 voorbeelden van botsingen die leken op de Bullet Cluster. Toch, geen van hen reproduceerde de details van de kogel Cluster botsing. Slechts één botsing had een infallsnelheid van meer dan 2.000 km/s, wat nog steeds te langzaam was—vergeet niet dat alle botsingsmodellen een veel hogere snelheid hadden voorgesteld.

huidige spanning

nog zorgwekkender was dat er in het verleden geen botsingen met Kogelcluster plaatsvonden. Het model toonde aan dat alle botsingen met de juiste massaverhouding (bijvoorbeeld kleine cluster duikt in grote cluster) gebeuren in de huidige dag. Daarbuiten in het universum op dit moment zijn er kleine clusters die hulpeloos in de muil van grote worden gezogen. In het verleden vonden de onderzoekers echter geen van deze koppelingen. Omdat we vandaag de Kogelcluster observeren, weten we dat het in het verleden gebeurde. We weten zelfs hoe lang geleden het gebeurde.

om aan de waarneembare gegevens te voldoen, zouden we kleine clusters moeten vinden die in het verleden botsen met grote clusters. Toch lieten onze modellen niets van dat soort zien.

in plaats daarvan wordt het verleden gedomineerd door clusters van dezelfde grootte die in elkaar slingeren. Dat proces kan de ongelijkheid in clustergrootte veroorzaken die uiteindelijk Kogelclusterachtige botsingen mogelijk maakt. Maar dat kost tijd-volgens deze modellen, een lange tijd.

het grote probleem bleek te zijn dat onderzoekers in elk computermodel een aantal keuzes moeten maken: welke natuurkunde ze moeten opnemen, wat ze moeten uitsluiten en wat ze moeten benaderen. Daarnaast zijn er ook technische keuzes te maken: wat is de grootte van het universum dat je wilt simuleren? Wat is de kleinste functie waar uw model mee te maken heeft? Deze twee zijn gekoppelde keuzes die worden beperkt door de hoeveelheid beschikbare rekenkracht. En ze doen er echt toe.

het blijkt dat de grootte van het modelkader en de resolutie van belang zijn. Of, meer precies, hoe groter de doos en hoe meer deeltjes er in de doos zitten, hoe verder je kunt reiken tot in de uitersten van de snelheidsverdeling. Voor het type model dat in de eerste analyse wordt gebruikt, zullen botsingen met hoge snelheid naar verwachting zeldzaam zijn. Later werk suggereerde dat de doos nodig had om een volume ongeveer acht keer groter dan alle die tot nu toe was geprobeerd als je wilde een enkele botsing die overeenkomt met de snelheden voorspeld door de botsing modellen te zien.

maar dat wisten we toen niet. De consensus leek toen te zijn dat er iets mis was—niet per se met donkere materie, en zeker niet met de observaties. De verwachting was dat ofwel de modellen die de vorming en dynamiek van de sterrenstelsels simuleren, iets misten, of het model dat de clusters botste, iets miste. Maar welke was uitgeschakeld, en wat miste het precies?

The roiling world of theoretical physics

Op dit moment beginnen theoretische fysici een beetje opgewonden te raken—resultaten die niet worden uitgelegd™ betekenen nieuwe fysica™. Misschien kan donkere energie de cluster versnellen? En als het geen donkere energie is, kunnen we dan gemodificeerde Newtoniaanse Dynamica proberen, een idee dat donkere materie vervangt door een gemodificeerde zwaartekrachttheorie? In beide gevallen kun je grotere botssnelheden krijgen. Maar ze kwamen met een prijs: met behulp van een fysiek model dat vrij weinig bewijs had om het te ondersteunen.

in dit geval bleken al deze ideeën verkeerd te zijn, maar aangezien ze een essentieel onderdeel van het proces waren. Het niet in overweging nemen van hen zou suggereren dat we weigerden om de juistheid van fundamentele fysica opnieuw te evalueren. Er zijn altijd ideeën die ter discussie zouden moeten staan wanneer experimenteel bewijs en de huidige theorie het niet eens zijn. Ze zullen bijna altijd verkeerd zijn, maar het” bijna ” aspect is nogal kritisch.

in dit geval, hoewel er verschillen waren tussen theorie en waarnemingen, eindigde het verhaal niet met een nieuwe theorie. In plaats daarvan, onderzoekers bedacht hoe de verschillen op te lossen. Het proces begon met het opnieuw bekijken van het model voor de cluster botsing. Het oorspronkelijke werk had slechts gekeken naar een paar Grove kenmerken: waar was het middelpunt van de massa voor elke cluster, wat was de vorm van de schok front, enz.

het model ging ervan uit dat de clusters vóór het botsen sferisch symmetrisch waren. Dat is vrij onrealistisch, en de enorme discrepantie betekende dat het tijd was om serieus te worden. De clusters werden omgezet in ellipsen, en het effect van magnetische velden werd toegevoegd aan de vloeistof-achtige fysica. Dit laatste is belangrijk omdat magnetische velden geladen (gewone) materie beperken om zich rond veldlijnen te bewegen. Dit kan druk en temperatuur verhogen.

zelfs zonder deze toevoegingen, past het oude model al in de bruto eigenschappen van het Bullet Cluster. Nu was het ook tijd om de details uit te leggen. De meeste astronomische gegevens komen in de vorm van beelden en niet noodzakelijkerwijs zichtbaar licht beelden. X-stralen, radiotelescoop gegevens, en vele andere delen van het spectrum zijn gemeenschappelijk. Sommige van deze gegevens worden gebruikt om pixel-per-pixel schattingen van de meer interessante fysische eigenschappen, zoals temperatuur.

Processing pixels

Dit is waar de onderzoekers naartoe gingen: het vergelijken van de modellen met de beste resolutie van de gegevens die ze verondersteld werden te modelleren. Dit betrof een pixel-per-pixel vergelijking tussen de experimentele gegevens en de modelvoorspellingen.

dat vereist een beetje finesse. Er is slechts één bullet cluster, en dus slechts één volledige dataset. Het model heeft een aantal onbekenden die moeten worden ingesteld op basis van de experimentele gegevens, ook. Dus, hoe gebruik je de gegevens om je model op te zetten en toch de resultaten te vergelijken met de gegevens? Uiteindelijk gebruikte een team de gravitatielensgegevens en het lage-energetische deel van het Röntgenemissiespectrum om de parameters in hun model vast te stellen. Vervolgens vergeleken ze de uitvoer van het model met alle andere gegevens.

uiteindelijk reproduceerde het model dat de magnetische velden bevatte de observationele gegevens vrij goed. Niet perfect, en in sommige opzichten slecht, maar het was beter dan vorig werk. Toch was het niet duidelijk dat dit ons ergens heen bracht, want de voorspelde botssnelheid leek nog steeds vrij hoog (ongeveer 2.800 km/s tot 2.900 km/s). Er was echter een belangrijk verschil: om de botsing te reproduceren, moest de hoofdcluster groter zijn dan voorspeld door het vorige model.

terwijl de fysica van de botsing blijkbaar gereproduceerd was, keerden de onderzoekers terug naar de botssnelheid. In hun model was de botssnelheid nog steeds een massieve 2.800 km/s, wat niet veel verschilt van de waarden verkregen door eerdere onderzoekers. Toch beweerden ze dat deze snelheid OK is. Wat is het verschil?

het verschil zit in de massa van de grotere cluster. Het nieuwe model voorspelde een massa die drie keer groter is dan eerder gedacht. Dat geeft een extra aantrekkingskracht als het trekt in de kleine, het versnellen van de impact. Re-running modellen van clusters met behulp van een veel groter model universum en met veel meer sterrenstelsel clusters, onderzoekers waren in staat om te zien dat clusters van deze massa waren niet zo ongewoon, en er waren tal van botsingen die eruit kogel-Cluster-achtige.

het belangrijkste is dat Voor de grotere clusters de botssnelheden groter waren. De Bullet Cluster is nog steeds iets boven het gemiddelde. Wat betekent dat? Het betekent dat de kogelcluster botsing nog steeds uitzonderlijk is, maar alleen in de één-op-honderd betekenis en niet in de één-op-100-miljoen betekenis die wordt aangegeven door het vroegste onderzoek.

Is het verhaal volledig opgelost? Waarschijnlijk niet. Ik weet zeker dat het herziene model nog meer onderzoek nodig zal hebben, maar de Bullet Cluster—en wetenschap in het algemeen—is een langzaam bewegend verhaal. De oorspronkelijke Bullet Cluster observaties werden ongeveer tien jaar geleden aangekondigd; het herziene model is slechts twee jaar oud. Dit weerspiegelt simpelweg de aard van de wetenschap. Voor het grootste deel gaat het om het zweten van de kleine dingen, want dat is de enige manier om de grote dingen te begrijpen. Het is een zelfcorrigerend proces. Het genereert modellen waarvan je weet dat ze fout zijn en ze naar buiten brengen om te zien hoe verkeerd ze werkelijk zijn.

wetenschap is, kortom, spelen met falen en houden ervan.