ciemna materia została po raz pierwszy zaproponowana, aby wyjaśnić prędkość, z jaką Gwiazdy okrążają centrum swoich galaktyk. Od tego czasu poszukiwania innych dowodów na istnienie ciemnej materii były bardzo interesujące.
jednym z największych sukcesów okazało się zderzenie gromad galaktyk zwanych gromadą kuli. Dostarczyło to jednego z najbardziej spektakularnych i intuicyjnych wskazówek, które zdawały się wskazywać, że ciemna materia jest prawdziwa. Nasz własny raport o pierwszych dowodach na istnienie klastra kul, napisany ponad dekadę temu, był bardzo podekscytowany. W późniejszych historiach o istnieniu ciemnej materii traktowaliśmy skupisko kul jako złoty standard. Jeśli nie potrafisz wyjaśnić klastra kul, twoja teoria jest prawdopodobnie bezużyteczna.
powyższe zdjęcie pokazuje pozostałość dwóch gromad galaktyk, które zderzyły się z mniejszą „kulą”, która przeszła przez większą gromadę. Energia zderzenia jest taka, że regularna Materia została podgrzana do bardzo wysokich temperatur, powodując, że świeci jak szalona w reżimie rentgenowskim (co jest pokazane na Czerwono). Tak więc, teleskop rentgenowski może stworzyć wyraźny obraz rozkładu materii zarówno kuli, jak i większego skupiska. Co więcej, Ta kolizja wydaje się być prawie po naszej stronie, więc mamy najlepsze miejsce w domu, aby ją obserwować.
ponadto obie gromady mają znaczną masę i działają jak soczewki grawitacyjne. Poprzez zobrazowanie obiektów znajdujących się za klastrami i zrozumienie, w jaki sposób obrazy są zniekształcone przez soczewkę, możemy odwzorować masę klastra kuli. Jest to pokazane na niebiesko.
nałożenie dwóch obrazów pokazuje, że masa nie jest tam, gdzie jest materia—stąd ciemna materia. Jest to tylko jedno z kilku zderzeń pomiędzy klastrami, które wykazują podobne cechy—grawitacja bez pozornej materii—ale Klaster kul jest bez wątpienia najczystszym z nich wszystkich.
jednak Klaster kul pokazuje coś, co jest prawdopodobnie ważniejsze: nauka działa. Chociaż pierwsza publikacja była reklamowana jako dowód na istnienie ciemnej materii, szybko zdano sobie sprawę, że historia może być bardziej skomplikowana. W rzeczywistości historia zaczęła nawet zacieniać się w kierunku gromady kul, będącej dowodem przeciwko ciemnej materii. Fizycy teoretyczni rozluźnili swoją wyobraźnię, przenosząc na stół ciemną energię i zmodyfikowane teorie grawitacji. Ale w końcu, gdy kurz opadł, myślenie wróciło do pierwotnej interpretacji, która była poprawna.
patrząc wstecz na dzisiejsze skupisko kul—jak przeszliśmy stąd tam i z powrotem-podkreśla, jak nauka działa w ten sam czysty sposób. Dane są królem, ale teoria jest królestwem; potrzebujesz obu, a żadna nie jest osadzona w kamieniu.
Wyjaśnienie danych rodzi pytania
wkrótce po opublikowaniu analizy klastra pocisków w 2006 roku, naukowcy zaczęli przyjrzeć się bliżej danym. Początkowo wszystko wydawało się nieco zagadkowe. Próby modelowania kolizji nie okazały się skuteczne.
jedną z gałęzi astrofizyki jest modelowanie galaktyk i gromad galaktyk. Możesz w swoim komputerze utworzyć dwa klastry, które w przybliżeniu pasują do rozkładu masy niektórych obserwacji, a następnie ram je razem z dowolną prędkością. Możesz również stworzyć model, który ma wiele różnych klastrów i spojrzeć na statystyki kolizji, aby zobaczyć, jak wygląda średnia awaria klastra.
Ten dwuetapowy proces mówi nam różne rzeczy. Jeden z modeli mówi nam, biorąc pod uwagę dane obserwacyjne, jak duże były gromady i jak szybko zbliżały się do siebie podczas zderzenia. Drugi model mówi nam, biorąc pod uwagę nasz Wszechświat, jakiej wielkości gromad galaktyk powinniśmy się spodziewać i jak szybko zwykle się zderzają.
dla modelu kolizyjnego nie wystarczy dopasować rozkładu widzialnej materii i obserwowanego soczewkowania grawitacyjnego. Istnieje cała masa funkcji, które modele muszą odtworzyć. Jak wspomnieliśmy powyżej, normalna Materia jest tak gorąca, że wytwarza wiele promieni rentgenowskich. Ale nie wystarczy, aby model produkował tylko promieniowanie rentgenowskie; powinien produkować to samo spektrum promieniowania rentgenowskiego-to znaczy powinniśmy być w stanie przewidzieć względną jasność każdego koloru promieniowania rentgenowskiego. Inne ograniczenia mają związek z materiałem w klastrach. Podczas kolizji Materia (czyli zwykła Materia) jest przenoszona między skupiskami. Nasze obserwacje dostarczają oszacowania, ile jest przenoszone, a modele powinny przewidywać transfer.
drugi model dotyczy prawdopodobieństwa. Kiedy mapujesz wyniki pierwszego modelu na modele wielu gromad galaktyk losowo zderzających się ze sobą, powinieneś zauważyć, że przewidywana kolizja nie jest zbyt nadzwyczajna. Tak, możliwe, że trafimy równowartość zwycięskiego kuponu lotto. Ale jeśli modele przewidują, że kolizja klastra wymaga dość wyjątkowych warunków, prawdopodobnie powinniśmy założyć, że gdzieś popełniliśmy błąd. A dokładniej, dla każdej kolizji, która wymaga ekstremalnych warunków, powinniśmy byli zaobserwować partie, które mieszczą się w normalnym zakresie. Ponieważ nie mamy wielu innych kolizji, Klaster pocisków powinien znajdować się w normalnym zakresie
ale pierwsze prace opublikowane po analizie klastra pocisków wykazały, że może, tylko może, wszystko nie jest dobrze. Czy Klaster kul jest wyjątkowy?
a need for speed?
pierwsze oznaki, że coś może być nie tak, pochodzą z modeli, które zderzyły dwie gromady.
aby zderzyć dwie gromady galaktyk, musisz zdecydować, jaką fizykę uwzględnić. W pierwszych próbach modele były stosunkowo proste. Każda Gromada składała się z kilku zwykłych cząstek materii i ciemnej materii. Przechodziły one przez siebie, zderzając się w przypadku zwykłej materii (ciemna materia ignoruje wszystko na swojej drodze). Wzrost ciśnienia spowodowany kolizją powoduje wzrost temperatury, powodując, że cząstki emitują promieniowanie rentgenowskie. W tym samym czasie kolizja generuje falę uderzeniową, która również podnosi ciśnienie i wytwarza jeszcze gorętszy gaz, który emituje więcej promieni rentgenowskich.
chociaż obliczeniowo intensywny ze względu na liczbę cząstek, model zawiera tylko minimalną fizykę dość prostego płynu. Analiza była równie prosta: czy nasz model odwzorowuje główne cechy naszych obserwacji? Badacze skupili się na obserwowanym uderzeniu, rozkładzie masy i emisji promieniowania rentgenowskiego. Ich próba odtworzenia tych cech polegała na wypróbowaniu różnych kombinacji prędkości zderzeń, gęstości i mas całkowitych obu gromad.
dla danego zbioru warunków początkowych można odtworzyć dowolną konkretną właściwość obserwacyjną. Jednak, aby uzyskać wszystkie funkcje wymagane, aby oba klastry miały dość ograniczony zestaw gęstości, współczynników masy i, co najważniejsze, prędkości kolizyjnej.
Jak to jest typowe dla nowych, ekscytujących wyników, inni próbowali zrobić to samo, Wszystkie przy użyciu nieco innych modeli. Ale wszyscy doszli do podobnych wniosków. Zakres prędkości kolizji również wydawał się błędny-wahał się od 2700 km/s do masywnego 4050 km/s. Cały zakres wydawał się wysoki, biorąc pod uwagę, że dominująca teoria ciemnej materii nosi tytuł „zimna ciemna materia”, gdzie zimno jest innym sposobem na określenie powolnego ruchu.
ale nie mamy pojęcia, czy gromady galaktyk przestrzegają jakichkolwiek ograniczeń prędkości (innych niż „wolniejsze od światła”). Aby mieć więcej niż intuicyjne odgadnięcie, czy wyniki te były wysokie, naukowcy musieli zwrócić się do innego typu modelu, takiego, który modeluje ruch gromad galaktyk. Pierwszym krokiem do zbudowania tego typu modelu jest decyzja, z czego zbudowany jest twój wszechświat.
ponieważ to widzimy, wiemy już, jak wiele zwykłej materii jest wokół siebie i wiemy, z jaką prędkością się porusza. Ciemna materia to jednak inna historia. Jeśli założycie, że ciemna materia istnieje, to musicie zdecydować, jak jest rozprowadzana i jak szybko się porusza.
szybkość ciemności (materii)
nie jest to całkowicie wolny wybór. Wielki Wybuch i fakt, że galaktyki udało się uformować po tym wydarzeniu, nakładają ograniczenia na prędkość i rozkład ciemnej materii. Ruch galaktyk w gromadzie mówi również o rozkładzie ciemnej materii. Wszystkie te dane obserwacyjne są punktem wyjścia, co ogranicza elastyczność modelu. Przecież rzeczywistość rządzi. Jeśli punkt wyjściowy nie spowoduje na przykład galaktyk, zostanie odrzucony.
aby dowiedzieć się, czy prędkość kolizyjna jest wyjątkowa, następnym krokiem było zbadanie modeli kolizji klastrów. Aby to zrobić, naukowcy stworzyli duże pudełko (więcej niż 4gigaparsekowie z boku) i wypełnili je ciemną materią—zwykła Materia jest pomniejszym składnikiem, a większość, ale nie wszystkie, modele ją zaniedbują. Naukowcy pozwolili modelowi uruchomić ewolucję wszechświata. W różnych momentach czasu zamrozili model i zbadali go. Badacze szukali dużych gromad, które uwięziły małą gromadę w jej studni grawitacyjnej. W tych warunkach małe skupisko byłoby skazane na zderzenie ze swoim większym sąsiadem.
aby porównanie z klastrem pocisku było sprawiedliwe, naukowcy ograniczyli się do klastrów o stosunku masy podobnym do zderzenia z klastrem pocisku. Ponadto usunęli ciosy spojrzenia, ponieważ Gromada kul wygląda jakby była blisko zderzenia czołowego.
kolizje wydawały się zdarzać dość regularnie: naukowcy znaleźli niecałe 80 przykładów kolizji, które wyglądały jak Gromada kul. Jednak żaden z nich nie odtworzył szczegółów kolizji z klastrem kul. Tylko jedna kolizja miała prędkość większą niż 2000 km / s, która była nadal zbyt wolna-pamiętajmy, że wszystkie modele kolizji sugerowały znacznie większą prędkość.
obecne napięcie
co jeszcze bardziej niepokojące, kolizje klastrów kul nie miały miejsca w przeszłości. Model wykazał, że wszystkie kolizje o odpowiednim stosunku masy (np. mała Gromada nurkuje w dużą gromadę) zdarzają się w dzisiejszych czasach. W tej chwili we wszechświecie są małe skupiska zasysane bezradnie w paszczę dużych. W przeszłości jednak naukowcy nie znaleźli żadnej z tych par. Ponieważ obserwujemy dziś skupisko kul, wiemy, że miało to miejsce w przeszłości. Wiemy nawet, jak dawno to się stało.
aby dopasować dane do obserwowalnych, powinniśmy znaleźć małe gromady zderzające się z dużymi gromadami w przeszłości. Jednak nasze modele nie pokazały nic podobnego.
zamiast tego przeszłość jest zdominowana przez podobnie duże skupiska, które rzucają się w siebie. Ten proces może być tym, co tworzy różnice w rozmiarach klastrów, które ostatecznie pozwalają na kolizje typu Kula-Klaster. Ale to wymaga czasu-według tych modeli, dużo czasu.
wielkim problemem okazało się to, że w każdym modelu komputerowym badacze mają do wyboru wiele opcji: jaką fizykę uwzględnić, co wykluczyć, a co przybliżyć. Poza tym, istnieją również techniczne wybory, które należy podjąć: jaki jest rozmiar wszechświata, który planujesz symulować? Jaka jest najmniejsza funkcja, z którą będzie się zmagał twój model? Te dwa są połączone wybory, które są ograniczone przez ilość dostępnej mocy obliczeniowej. I naprawdę się liczą.
okazuje się, że rozmiar pudełka modelu i rozdzielczość mają znaczenie. A dokładniej, im większe pudełko i im więcej cząstek jest w pudełku, tym dalej można dotrzeć do skrajnych rozkładów prędkości. W przypadku typu modelu zastosowanego w analizie wstępnej oczekuje się, że kolizje o dużej prędkości będą rzadkie. Późniejsze prace sugerowały, że skrzynia musi mieć objętość około osiem razy większą niż kiedykolwiek próbowano do tej pory, jeśli chcesz zobaczyć pojedynczą kolizję, która odpowiada prędkościom przewidzianym przez modele kolizji.
ale wtedy o tym nie wiedzieliśmy. Wtedy wydawało się, że coś jest nie tak—niekoniecznie z ciemną materią, a już na pewno nie z obserwacjami. Oczekiwano, że albo modelom symulującym tworzenie i dynamikę gromad galaktyk czegoś brakuje, albo modelowi zderzających się gromad czegoś brakuje. Ale który był wyłączony i czego dokładnie brakowało?
the roiling world of theoretical physics
w tym momencie fizycy teoretyczni zaczynają się nieco ekscytować—wyniki, które nie są wyjaśnione™, oznaczają nową fizykę™. Może ciemna energia przyspieszy gromadkę? A jeśli nie ciemna energia, czy moglibyśmy spróbować zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej, idei, która zastępuje ciemną materię zmodyfikowaną teorią grawitacji? W obu przypadkach można uzyskać większe prędkości kolizyjne. Ale ich koszt był taki, że użyli fizycznego modelu, który miał dość rzadkie dowody na to.
w tym przypadku wszystkie te pomysły okazały się błędne, ale ich uwzględnienie było istotną częścią procesu. Nieuwzględnienie ich sugerowałoby, że odmówiliśmy ponownej oceny poprawności podstawowej fizyki. Zawsze są pomysły, które powinny być przedmiotem dyskusji, gdy eksperymentalne dowody i obecna teoria nie zgadzają się. Prawie zawsze będą się mylić, ale aspekt „prawie” jest raczej krytyczny.
w tym przypadku, mimo różnic między teorią a obserwacjami, historia nie skończyła się na nowej teorii. Zamiast tego naukowcy zorientowali się, jak rozwiązać różnice. Proces rozpoczął się od rewizji modelu kolizji klastra. W oryginalnej pracy przyjrzano się tylko kilku brutto cechom: gdzie był środek masy dla każdego klastra, jaki był kształt frontu uderzeniowego itp.
model zakładał, że gromady przed zderzeniem były sferycznie symetryczne. To dość nierealne, a ogromna rozbieżność oznaczała, że nadszedł czas, aby stać się poważnym. Gromady zostały przekształcone w elipsy, a wpływ pól magnetycznych został dodany do fizyki płynów. To ostatnie jest ważne, ponieważ pola magnetyczne ograniczają naładowaną (zwykłą) materię do poruszania się po liniach pola. Może to zwiększyć ciśnienie i temperaturę.
nawet bez tych dodatków, stary model już pasuje do grubych cech klastra pocisków. Teraz nadszedł również czas, aby spróbować wyjaśnić szczegóły. Większość danych astronomicznych ma postać obrazów, a niekoniecznie obrazów światła widzialnego. Promieniowanie rentgenowskie, dane z radioteleskopu i wiele innych części widma są powszechne. Niektóre z tych danych są wykorzystywane do zapewnienia pikseli po pikselach oszacowania bardziej interesujących właściwości fizycznych, takich jak temperatura.
przetwarzanie pikseli
tutaj zmierzali naukowcy: porównując modele z najlepszą rozdzielczością danych, które mieli modelować. Wiązało się to z porównaniem pikseli pomiędzy danymi eksperymentalnymi a przewidywaniami modelu.
To wymaga odrobiny finezji. Istnieje tylko jeden klaster pocisków, a więc tylko jeden kompletny zestaw danych. Model ma pewne niewiadome, które muszą być ustawione na podstawie danych eksperymentalnych, zbyt. Jak więc wykorzystać dane, aby skonfigurować model i nadal porównywać wyniki z danymi? Ostatecznie zespół wykorzystał dane soczewkowania grawitacyjnego i niskoenergetyczną część widma emisji promieniowania rentgenowskiego do ustalenia parametrów w swoim modelu. Następnie porównano dane wyjściowe modelu z resztą danych.
w końcu model, który zawierał pola magnetyczne, bardzo dobrze odwzorował dane obserwacyjne. Nie idealnie, a pod pewnymi względami słabo, ale było lepiej niż poprzednia praca. Mimo to nie było oczywiste, że to doprowadziło nas donikąd, ponieważ przewidywana prędkość kolizji nadal wydawała się dość wysoka (około 2800 km/S do 2900 km/s). Istniała jednak ważna różnica: aby odtworzyć zderzenie, klaster główny musiał być większy niż przewidywał poprzedni model.
wraz z odtworzeniem fizyki zderzenia, naukowcy powrócili do prędkości zderzenia. W ich modelu prędkość kolizji była nadal masywna 2800 km / s, co nie różni się aż tak od wartości uzyskanych przez wcześniejszych badaczy. Mimo to twierdzili, że prędkość ta jest OK. Jaka jest różnica?
różnica polega na masie większej gromady. Nowy model przewidywał masę trzykrotnie większą niż wcześniej sądzono. Daje to dodatkowe przyciąganie grawitacyjne, gdy przyciąga małe, przyspieszając uderzenie. Przeprojektowując modele gromad, wykorzystując znacznie większy model wszechświata i wiele więcej gromad galaktyk, naukowcy byli w stanie zobaczyć, że gromady o tej masie nie są tak rzadkie, i było wiele kolizji, które wyglądały jak Gromada kul.
co najważniejsze, dla większych klastrów prędkości kolizyjne były większe. Gromada kul wciąż jest nieco powyżej średniej. Co to znaczy? Oznacza to, że kolizja klastra kuli jest nadal wyjątkowa, ale tylko w sensie jeden na sto, a nie w sensie jeden na 100 milionów wskazanym przez najwcześniejsze badania.
czy historia jest całkowicie rozwiązana? Prawdopodobnie nie. Jestem pewien, że zmieniony model nadal będzie wymagał większej kontroli, ale Klaster pocisków—i ogólnie Nauka—to powolna historia. Pierwsze obserwacje klastra pocisków zostały ogłoszone około dziesięciu lat temu; zmieniony model ma tylko dwa lata. A to po prostu odzwierciedla naturę nauki. W większości chodzi o pocenie się małych rzeczy, ponieważ jest to jedyny sposób, aby zrozumieć duże rzeczy. To proces samoregulujący. To generowanie modeli, o których wiesz, że się mylą i umieszczanie ich tam, aby zobaczyć, jak bardzo się mylą.
Nauka to, krótko mówiąc, zabawa z porażką i miłość do niej.
