Dark matter was first proposed to explain the speed at which stars orbit the center of their galaxies. Desde então, a busca por outras linhas de evidência para a matéria escura tem sido interessante.
um dos maiores sucessos aparentava ser uma colisão de aglomerados de galáxias chamados de aglomerado de bala. Ele forneceu uma das indicações mais espetaculares e intuitivas que pareciam mostrar que a matéria negra era real. O nosso próprio relatório sobre a primeira prova do aglomerado de balas, escrito há mais de uma década, estava bastante animado. E nas histórias que se seguiram sobre a existência de matéria negra, nós tendemos a tratar o aglomerado de balas como um padrão de ouro. Se não consegues explicar o aglomerado de balas, então a tua teoria é provavelmente um pouco inútil.
a imagem acima mostra O remanescente de dois aglomerados de galáxias que colidiram, com uma menor “bala” que passou através do maior cluster. A energia da colisão é tal que a matéria regular tem sido aquecida a temperaturas muito altas, fazendo-a brilhar como louco no regime de raios-X (que é mostrado em vermelho). Assim, um telescópio de raios-X pode produzir uma imagem clara da distribuição de matéria tanto da bala como do aglomerado maior. Melhor ainda, esta colisão parece estar quase do nosso lado, por isso temos o melhor lugar nesta casa para a observar.
além disso, ambos os aglomerados têm massa significativa e agem como lentes gravitacionais. Por imagens de objetos que estão por trás dos aglomerados e entendendo como as imagens são distorcidas pela lente interveniente, podemos mapear a massa do aglomerado de bala. Isto é mostrado em azul.
sobrepondo as duas imagens mostra que a massa não está onde a matéria está—portanto, a matéria escura. Esta é apenas uma das várias colisões entre aglomerados que mostram características semelhantes—gravidade sem matéria aparente—mas o aglomerado de bala é, sem dúvida, o exemplo mais limpo de todos eles.
No entanto, o aglomerado de balas mostra algo que é, sem dúvida, mais importante: a ciência funciona. Embora a publicação inicial fosse apresentada como evidência para a matéria escura, foi rapidamente percebido que a história pode ser mais complicada do que isso. Na verdade, a história até começou a inclinar-se para o aglomerado de balas, sendo provas contra a matéria negra. Físicos teóricos deixaram suas imaginações soltas, trazendo energia escura e teorias modificadas da gravidade para a mesa. Mas eventualmente, à medida que a poeira assentava, o pensamento voltava para a interpretação original sendo correta.
olhando para trás para o aglomerado de balas hoje-como chegamos daqui até lá e de volta novamente-destaca como a ciência funciona da mesma forma limpa. Os dados são rei, mas a teoria é o reino; você precisa de ambos, e nenhum deles é colocado em pedra.
explicando que os dados levantam questões
pouco depois da análise do aglomerado de balas ter sido publicada em 2006, os cientistas começaram a dar uma olhada mais de perto nos dados. Inicialmente, tudo parecia um pouco confuso. As tentativas de modelar a colisão não pareciam funcionar.uma das indústrias cottage da astrofísica é modelagem de galáxias e aglomerados de galáxias. Você pode, em seu computador, criar dois grupos que correspondem aproximadamente à distribuição de massa de algumas observações, em seguida, juntá-los a qualquer velocidade que você gosta. Você também pode produzir um modelo que tem muitos clusters diferentes e olhar para as estatísticas das colisões para ver como o crash médio do cluster se parece.
Este processo de duas etapas diz-nos coisas diferentes. Um modelo nos diz, dados os dados observacionais, quão grandes eram os aglomerados e quão rápido eles estavam se aproximando quando eles colidiram. O segundo modelo nos diz, dado o nosso Universo, que tamanho dos aglomerados de galáxias devemos esperar e quão rápido eles tipicamente colidem.
para o modelo collisional, não é suficiente corresponder à distribuição de matéria visível e lensing gravitacional que foi observado. Há toda uma série de características que os modelos precisam Reproduzir. Como mencionamos acima, a matéria normal é tão quente que produz muitos raios-X. Mas não é suficiente para um modelo produzir apenas raios-X; ele deve produzir o mesmo espectro de raios-X – isto é, Devemos ser capazes de prever o brilho relativo de cada cor de raios-X. Outras restrições têm a ver com o material nos aglomerados. Durante a colisão, a matéria (matéria comum, isto é) é transferida entre aglomerados. Nossas observações fornecem uma estimativa de quanto é transferido, e os modelos devem prever a transferência.
O segundo modelo é tudo sobre probabilidades. Quando você mapeia os resultados do primeiro modelo em modelos de muitos aglomerados de galáxias colidindo aleatoriamente uns com os outros, você deve descobrir que a colisão prevista não é muito extraordinária. Sim, é possível que atingimos o equivalente a um bilhete de lotaria vencedor. Mas se os modelos preveem que a colisão requer condições excepcionais, devemos presumir que cometemos um erro algures. Ou, mais precisamente, para cada colisão que requer condições extremas, devemos ter observado lotes que estão dentro da faixa normal. Já que não temos muitos outros conflitos, a Bala de Cluster deve estar dentro do intervalo normal
Mas os primeiros artigos publicados após o Marcador de análise de Cluster mostrou que, talvez, apenas talvez, não está tudo bem. O feixe de balas é especial?
a need for speed?
a primeira indicação de que algo poderia estar errado veio de modelos que colidiram com dois grupos.
para colidir com dois aglomerados de galáxias, você tem que decidir o que a física deve incluir. Nas primeiras tentativas, os modelos eram relativamente simples. Cada aglomerado consistia de um número de matéria ordinária e partículas de matéria escura. Estes passaram uns pelos outros, colidindo no caso da matéria comum (a matéria escura ignora tudo em seu caminho). O aumento da pressão da colisão aumenta a temperatura, fazendo com que as partículas emitam raios-X. Ao mesmo tempo, a colisão gera uma onda de choque que também faz subir a pressão e produz um gás ainda mais quente que emite mais raios-X.
embora computacionalmente intensivo devido ao número de partículas, o modelo apenas contém a física mínima de um fluido bastante simples. E a análise foi igualmente simples: Nosso modelo reproduz as principais características em nossas observações? Os pesquisadores focaram na frente de choque observada, distribuição de massa e emissões de raios-X. Sua tentativa de reproduzir essas características envolveu tentar diferentes combinações de velocidades de colisão, densidades e massas totais dos dois grupos.
para um dado conjunto de condições iniciais, qualquer propriedade observacional particular poderia ser reproduzida. No entanto, para obter todas as características necessárias que os dois aglomerados têm um conjunto bastante restrito de densidades, razões de massa, e, mais importante, velocidade de colisional.como é típico de novos resultados excitantes, outros estavam tentando fazer a mesma coisa, todos usando modelos ligeiramente diferentes. Mas todos eles chegaram a conclusões semelhantes. O intervalo de velocidades de colisão também parecia errado-ele variou de 2.700 km / s até um massivo 4.050 km/s. Toda a gama parecia alta, considerando que a teoria predominante da matéria escura é intitulada “matéria escura fria”, onde o frio é outra maneira de dizer movimento lento.
mas não fazemos ideia se os aglomerados de galáxias obedecem a qualquer tipo de limite de velocidade (além de “mais lento que a luz”). Para ter mais do que um palpite intuitivo sobre se esses resultados eram altos, os pesquisadores precisavam se virar para um tipo diferente de modelo, um que modela o movimento dos aglomerados de galáxias. O primeiro passo para construir este tipo de modelo é decidir de que é feito o seu universo.
porque nós podemos vê-lo, nós já sabemos quanto matéria comum está ao redor, e nós sabemos o tipo de velocidade que ele está se movendo. A matéria negra é uma história diferente. Se você assumir que a matéria escura existe, então você tem que decidir como ela é distribuída e quão rápido ela está se movendo.
a velocidade das trevas (matéria)
Esta não é uma escolha inteiramente livre. O Big Bang e o fato de que as galáxias conseguiram se formar após esse evento, ambos colocaram limites na velocidade e distribuição da matéria escura. O movimento das galáxias dentro de um aglomerado também lhe diz sobre a distribuição da matéria escura. Então, todos esses dados observacionais vão como um ponto de partida, o que coloca alguns limites na flexibilidade do modelo. Afinal, a realidade é que manda. Se o ponto de partida não resultasse em galáxias, por exemplo, então ele será rejeitado.
para descobrir se a velocidade colisional era excepcional, o próximo passo era examinar modelos de colisões de aglomerados. Para isso, pesquisadores criaram uma caixa grande (mais de 4GigaParsecs de um lado) e encheram—na com matéria escura-a matéria comum é um componente menor, e a maioria, mas não todos, os modelos negligenciam-na. Os pesquisadores deixaram o modelo correr para evoluir o universo. Em diferentes pontos do tempo, congelariam o modelo e examiná-lo-iam. Os pesquisadores estavam à procura de grandes aglomerados que tinham prendido um pequeno aglomerado em seu poço gravitacional. Nestas condições, o pequeno grupo estaria condenado a colidir com o seu vizinho maior.
para fazer a comparação com a Feira do aglomerado de balas, os investigadores restringiram-se a aglomerados com uma razão de massa semelhante à da colisão do aglomerado de balas. Além disso, removeram golpes velozes, uma vez que o aglomerado de balas parece estar perto de uma colisão frontal.
colisões pareciam acontecer em uma base bastante regular: os pesquisadores encontraram pouco menos de 80 exemplos de colisões que se pareciam com o aglomerado de balas. No entanto, nenhum deles reproduziu os detalhes da colisão do feixe de balas. Apenas uma colisão tinha uma velocidade infall superior a 2.000 km/s, que ainda era muito lento—lembre-se, todos os modelos de colisão tinham sugerido uma velocidade muito maior.
tensão presente
ainda mais preocupante, colisões de aglomerado de balas não aconteceram no passado. O modelo mostrou que todas as colisões com a razão de massa direita (por exemplo, pouco aglomerado mergulha em grande aglomerado) acontecem nos dias atuais. Lá fora, no universo, neste momento, há pequenos aglomerados a serem sugados indefesos na vó dos grandes. No passado, porém, os pesquisadores não encontraram nenhum desses pares. Porque observamos o aglomerado de balas hoje, sabemos que aconteceu no passado. Até sabemos há quanto tempo aconteceu.
assim, para encaixar os dados observáveis, devemos encontrar pequenos aglomerados colidindo com grandes aglomerados no passado. No entanto, os nossos modelos não mostraram nada disso.
em vez disso, o passado é dominado por clusters de tamanho semelhante que se lançam uns nos outros. Esse processo pode ser o que cria a disparidade nos tamanhos de aglomerados que, eventualmente, permite colisões Tipo Aglomerado-Bala. Mas isso leva tempo – de acordo com estes modelos, muito tempo.
A grande questão acabou por ser que, em cada modelo de computador, os pesquisadores têm uma série de escolhas a fazer: o que a física incluir, o que excluir, e o que aproximar. Além disso, há também escolhas técnicas a serem feitas: Qual é o tamanho do Universo que você planeja simular? Qual é a menor característica que o seu modelo vai lidar com? Estas duas são escolhas acopladas que são limitadas pela quantidade de poder computacional disponível. E eles realmente importam.
acontece que o tamanho da caixa Modelo e a resolução importam. Ou, mais precisamente, quanto maior a caixa e mais partículas houver na caixa, mais você pode chegar aos extremos da distribuição de velocidade. Para o tipo de modelo utilizado na análise inicial, prevê-se que as colisões de alta velocidade sejam raras. Trabalhos posteriores sugeriram que a caixa precisava ter um volume cerca de oito vezes maior do que qualquer que tinha sido tentado até agora se você queria ver uma única colisão que correspondia às velocidades previstas pelos modelos de colisão.
mas nós não sabíamos disso na época. O consenso então parecia ser que algo estava errado-não necessariamente com a matéria escura, e certamente não com as observações. A expectativa era que ou os modelos que simulavam a formação de aglomerados galácticos e dinâmica estavam faltando algo, ou o modelo que colidiu com aglomerados estava faltando algo. Mas qual deles estava desligado, e o que é que faltava exactamente?
O grande mundo da física teórica
neste ponto, físicos teóricos começam a ficar um pouco animada—Resultados Que não São Explicados™ significa Nova Física™. Talvez a energia negra possa acelerar o aglomerado? E, se não for energia escura, podemos tentar uma dinâmica Newtoniana modificada, uma ideia que substitui a matéria negra por uma teoria modificada da gravidade? Em ambos os casos, você pode obter maiores velocidades de colisional. Mas eles vieram a um custo: usando um modelo físico que tinha algumas evidências muito escassas que o sustentavam.
neste caso, todas estas ideias se revelaram erradas, mas considerá-las foi uma parte essencial do processo. Não considerá-los sugeriria que nos recusamos a reavaliar a correção da física fundamental. Há sempre ideias que devem ser discutidas quando as provas experimentais e a teoria actual não estão de acordo. Quase sempre estarão errados, mas o aspecto” quase ” é bastante crítico.
neste caso, apesar de haver diferenças entre teoria e observações, a história não terminou com uma nova teoria. Em vez disso, os investigadores descobriram como resolver as diferenças. O processo começou revisitando o modelo para a colisão de aglomerado. O trabalho original tinha olhado apenas para algumas características grosseiras: onde estava o centro de massa para cada aglomerado, qual era a forma da frente de choque, etc.
o modelo assumiu que os aglomerados eram, antes de colidir, esféricos simétricos. Isso é muito realista, e a enorme discrepância significava que era hora de levar a sério. Os clusters foram transformadas em elipses, e o efeito de campos magnéticos foi adicionado ao fluido como a física. Este último é importante porque os campos magnéticos confinar cobrado (ordinária) a matéria para mover-se em torno de linhas de campo. Isso pode aumentar as pressões e temperaturas.
Mesmo sem essas adições, o modelo antigo, já está apto bruto características do Bullet Cluster. Agora também era hora de tentar explicar os detalhes. A maioria dos dados astronômicos vem na forma de imagens e não necessariamente imagens de luz visíveis. Raios-X, dados de radiotelescópio, e muitas outras partes do espectro são comuns. Alguns destes dados são usados para fornecer estimativas pixel-por-pixel das propriedades físicas mais interessantes, como a temperatura.
pixels de processamento
é para aqui que os investigadores se dirigiram: comparando os modelos com a melhor resolução dos dados que deveriam modelar. Isto envolveu uma comparação pixel-a-pixel entre os dados experimentais e as previsões do modelo.fazer isso requer um pouco de subtileza. Há apenas um aglomerado de balas e, portanto, apenas um conjunto de dados completo. O modelo tem algumas incógnitas que têm de ser definidas com base nos dados experimentais, também. Então, como você usa os dados para configurar seu modelo e ainda comparar os resultados com os dados? No final, uma equipe usou os dados de lentes gravitacionais e a parte de baixa energia do espectro de emissão de raios X para fixar os parâmetros em seu modelo. Eles então compararam a saída do modelo a todos os outros dados.
no final, o modelo que incorporava os campos magnéticos reproduzia os dados observacionais muito bem. Não perfeitamente, e de certa forma mal, mas foi melhor do que o trabalho anterior. Mesmo assim, não era óbvio que isso nos levou a algum lugar, já que a velocidade de colisão prevista ainda parecia bastante alta (cerca de 2.800 km/s a 2.900 km/s). Havia, no entanto, uma diferença importante: para reproduzir a colisão, o cluster principal tinha que ser maior do que o previsto pelo modelo anterior.com a física da colisão aparentemente reproduzida, os pesquisadores voltaram à velocidade de colisão. Em seu modelo, a velocidade de colisão ainda era uma massiva 2.800 km/s, o que não é tão diferente dos valores obtidos por pesquisadores anteriores. No entanto, eles alegaram que esta velocidade é OK. Qual é a diferença?
a diferença está na massa do aglomerado maior. O novo modelo previu uma massa três vezes maior do que se pensava anteriormente. Isso dá uma atração gravitacional adicional à medida que atrai o pequeno, acelerando o impacto. Re-executando modelos de aglomerados usando um universo modelo muito maior e com muitos mais aglomerados de galáxias, os pesquisadores foram capazes de ver que aglomerados desta massa não eram tão incomuns, e havia muitas colisões que pareciam aglomerados de bala.
Mais importante, para os aglomerados maiores, as velocidades colisionais eram maiores. O feixe de balas ainda está um pouco acima da média. O que significa? Isso significa que a colisão do aglomerado de balas ainda é excepcional, mas apenas no sentido de um em CEM e não no sentido de um em 100 milhões indicado pela primeira pesquisa.a história está completamente resolvida? Provavelmente não. Tenho a certeza que o modelo revisto ainda vai precisar de mais escrutínio, mas o aglomerado de balas—e a ciência em geral—é uma história lenta. As observações iniciais do aglomerado de balas foram anunciadas há cerca de dez anos; o modelo revisto tem apenas dois anos. E isso simplesmente reflete a natureza da ciência. Na maior parte, é sobre suar as coisas pequenas, porque essa é a única maneira de entender as coisas grandes. É um processo de auto-correcção. Está gerando modelos que você sabe que estão errados e colocando – os lá para ver o quão errados eles realmente estão.
ciência é, em suma, brincar com o fracasso e amá-lo.
