materia întunecată a fost propusă pentru a explica viteza cu care stelele orbitează centrul galaxiilor lor. De atunci, căutarea altor linii de dovezi pentru materia întunecată a fost una interesantă.
unul dintre cele mai mari succese pare să fie o coliziune a clusterelor de galaxii numite Bullet Cluster. A oferit una dintre cele mai spectaculoase și intuitive indicații care păreau să arate că materia întunecată era reală. Propriul nostru raport despre primele dovezi ale clusterului de gloanțe, scris acum mai bine de un deceniu, a fost destul de încântat. Și în poveștile care au urmat despre existența materiei întunecate, am avut tendința de a trata clusterul de gloanțe ca pe un etalon de aur. Dacă nu puteți explica grupul de gloanțe, atunci teoria dvs. este probabil puțin inutilă.
imaginea de mai sus arată rămășița a două clustere de galaxii care s-au ciocnit, cu un „glonț” mai mic care a trecut prin clusterul mai mare. Energia coliziunii este de așa natură încât materia obișnuită a fost încălzită la temperaturi foarte ridicate, determinând-o să strălucească ca o nebunie în regimul cu raze X (care este prezentat în roșu). Deci, un telescop cu raze X poate produce o imagine clară a distribuției materiei atât a glonțului, cât și a clusterului mai mare. Și mai bine, această coliziune pare a fi aproape laterală pentru noi, așa că avem cel mai bun loc din casă pentru a o observa.în plus, ambele grupuri au o masă semnificativă și acționează ca lentile gravitaționale. Prin imagistica obiectelor care se află în spatele clusterelor și înțelegerea modului în care imaginile sunt distorsionate de lentila care intervine, putem cartografia masa clusterului de gloanțe. Acest lucru este afișat în albastru.suprapunerea celor două imagini arată că masa nu este acolo unde este materia—deci, materia întunecată. Aceasta este doar una dintre mai multe coliziuni între clustere care prezintă caracteristici similare—gravitație fără materie aparentă—dar Clusterul Bullet este, fără îndoială, cel mai curat exemplu dintre toate.
cu toate acestea, Clusterul Bullet arată ceva care este, fără îndoială, mai important: știința funcționează. Deși publicația inițială a fost prezentată ca dovadă a materiei întunecate, s-a realizat rapid că povestea poate fi mai complicată decât atât. De fapt, povestea chiar a început să umbrească spre clusterul de gloanțe fiind dovezi împotriva materiei întunecate. Fizicienii teoretici și-au lăsat imaginația liberă, aducând energia întunecată și teoriile modificate ale gravitației la masă. Dar în cele din urmă, pe măsură ce praful s-a așezat, gândirea a revenit la interpretarea originală fiind corectă.
Privind înapoi la Bullet Cluster astăzi—cum am ajuns de aici până acolo și înapoi din nou—evidențiază modul în care știința funcționează în același mod curat. Datele sunt rege, dar teoria este împărăția; ai nevoie de amândouă și niciuna nu este pusă în piatră.
explicarea datelor ridică întrebări
la scurt timp după ce analiza Bullet Cluster a fost publicată în 2006, oamenii de știință au început să arunce o privire mai atentă asupra datelor. Inițial, totul părea un pic încurcat. Încercările de a modela coliziunea nu par să funcționeze.
una dintre industriile cabana în astrofizică este modelarea galaxii și grupuri de galaxii. Puteți, în computerul dvs., să creați două clustere care se potrivesc aproximativ cu distribuția în masă a unor observații, apoi să le ramați împreună cu orice viteză doriți. Puteți produce, de asemenea, un model care are o mulțime de clustere diferite și priviți Statisticile coliziunilor pentru a vedea cum arată prăbușirea medie a clusterului.
acest proces în doi pași ne spune lucruri diferite. Un model ne spune, Având în vedere datele observaționale, cât de mari erau clusterele și cât de repede se apropiau unul de celălalt când s-au ciocnit. Al doilea model ne spune, Având în vedere universul nostru, Ce dimensiune a clusterelor de galaxii ar trebui să ne așteptăm și cât de repede se ciocnesc de obicei.
pentru modelul colizional, nu este suficient să se potrivească distribuția materiei vizibile și a lentilelor gravitaționale observate. Există o serie întreagă de caracteristici pe care modelele trebuie să le reproducă. Așa cum am menționat mai sus, materia normală este atât de fierbinte încât produce o mulțime de raze X. Dar nu este suficient ca un model să producă doar raze X; ar trebui să producă același spectru de raze X-adică ar trebui să putem prezice luminozitatea relativă a fiecărei culori a razelor X. Alte constrângeri au legătură cu materialul din clustere. În timpul coliziunii, Materia (materia obișnuită, adică) este transferată între clustere. Observațiile noastre oferă o estimare a cantității transferate, iar modelele ar trebui să prezică transferul.
al doilea model este despre probabilități. Când mapați rezultatele primului model pe modele ale multor clustere de galaxii care se ciocnesc aleatoriu între ele, ar trebui să constatați că coliziunea prezisă nu este prea extraordinară. Da, este posibil să atingem echivalentul unui bilet câștigător la loto. Dar dacă modelele prezic că coliziunea clusterului necesită condiții destul de excepționale, ar trebui probabil să presupunem că am făcut o greșeală undeva. Sau, mai precis, pentru fiecare coliziune care necesită condiții extreme, ar fi trebuit să observăm loturi care se află în limitele normale. Din moment ce nu avem o mulțime de alte coliziuni, clusterul de gloanțe ar trebui să se încadreze în acel interval normal
dar primele lucrări publicate după analiza clusterului de gloanțe au arătat că, poate, doar poate, totul nu este bine. Grupul de gloanțe este special?
o nevoie de viteza?
primul indiciu că ceva ar putea fi rău a venit de la modele care s-au ciocnit două clustere.
pentru a ciocni două grupuri de galaxii, trebuie să decideți ce fizică să includeți. În primele încercări, modelele au fost relativ simple. Fiecare grup consta dintr-un număr de particule obișnuite de materie și materie întunecată. Acestea au trecut unul prin celălalt, ciocnindu-se în cazul materiei obișnuite (materia întunecată ignoră totul în calea sa). Creșterea presiunii din coliziune determină creșterea temperaturii, determinând particulele să emită raze X. În același timp, coliziunea generează o undă de șoc care conduce, de asemenea, presiunea în sus și produce un gaz și mai fierbinte care emite mai multe raze X.
deși intensiv din punct de vedere al calculului datorită numărului de particule, modelul conține doar fizica minimă a unui fluid destul de simplu. Și analiza a fost la fel de simplă: modelul nostru reproduce caracteristicile majore din observațiile noastre? Cercetătorii s-au concentrat asupra emisiilor de șoc observate, a distribuției masei și a emisiilor de raze X. Încercarea lor de a reproduce aceste caracteristici a implicat încercarea diferitelor combinații de viteze de coliziune, densități și mase totale ale celor două clustere.
pentru un anumit set de condiții inițiale, orice proprietate observațională particulară ar putea fi reprodusă. Cu toate acestea, pentru a obține toate caracteristicile necesare ca cele două clustere să aibă un set destul de restrâns de densități, raporturi de masă și, cel mai important, viteză de coliziune.așa cum este tipic de rezultate noi interesante, alții au încercat să facă același lucru, toate folosind modele ușor diferite. Dar toți au ajuns la concluzii similare. Gama de viteze de coliziune părea, de asemenea, greșită—a variat de la 2.700 km/s până la un masiv 4.050 km/s. Întreaga gamă părea ridicată, având în vedere că teoria predominantă a materiei întunecate este intitulată „materia întunecată rece”, unde frigul este un alt mod de a spune mișcare lentă.
dar nu avem nicio idee dacă grupurile de galaxii respectă orice fel de limită de viteză (alta decât „mai lentă decât lumina”). Pentru a avea mai mult decât o presupunere intuitivă cu privire la faptul dacă aceste rezultate au fost ridicate, cercetătorii au trebuit să apeleze la un alt tip de model, unul care modelează mișcarea clusterelor de galaxii. Primul pas pentru construirea acestui tip de model este să decideți din ce este format universul vostru.
pentru că o putem vedea, știm deja cât de multă materie obișnuită este în jur și știm tipul de viteză cu care se mișcă. Cu toate acestea, materia întunecată este o altă poveste. Dacă presupuneți că materia întunecată există, atunci trebuie să decideți cum este distribuită și cât de repede se mișcă.
viteza întunericului (materiei)
aceasta nu este o alegere complet liberă. Big Bang-ul și faptul că galaxiile au reușit să se formeze după acel eveniment au pus limite vitezei și distribuției materiei întunecate. Mișcarea galaxiilor într-un cluster vă spune, de asemenea, despre distribuția materiei întunecate. Deci, toate aceste date observaționale intră ca punct de plecare, ceea ce pune unele limite flexibilității modelului. La urma urmei, realitatea guvernează. Dacă punctul de plecare nu ar duce la galaxii, de exemplu, atunci acesta va fi respins.
pentru a afla dacă viteza de coliziune a fost excepțională, următorul pas a fost examinarea modelelor de coliziuni de cluster. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au creat o cutie mare (mai mult de 4gigaparsecs pe o parte) și au umplut—o cu materie întunecată-materia obișnuită este o componentă minoră, iar majoritatea, dar nu toate, modelele o neglijează. Cercetătorii au lăsat modelul să ruleze pentru a evolua Universul. În diferite momente, ar îngheța modelul și l-ar examina. Cercetătorii căutau grupuri mari care au prins un mic grup în puțul său gravitațional. În aceste condiții, micul cluster ar fi sortit să se ciocnească cu vecinul său mai mare.
pentru a face comparația cu Bullet Cluster echitabil, cercetatorii s-au limitat la grupuri cu un raport de masă similar cu cel al coliziunii Bullet Cluster. În plus, au îndepărtat loviturile de privire, deoarece clusterul de gloanțe pare că este aproape de o coliziune frontală.
coliziunile păreau să se întâmple destul de regulat: cercetătorii au găsit puțin sub 80 de exemple de coliziuni care arătau ca clusterul de gloanțe. Cu toate acestea, niciunul dintre ei nu a reprodus detaliile coliziunii Bullet Cluster. O singură coliziune a avut o viteză de cădere mai mare de 2.000 km/s, care era încă prea lentă—amintiți-vă, toate modelele de coliziune sugeraseră o viteză mult mai mare.
tensiunea actuală
și mai îngrijorător, coliziunile cu Bullet Cluster nu s-au întâmplat în trecut. Modelul a arătat că toate coliziunile cu raportul de masă corect (de exemplu, scufundările micului cluster în cluster mare) se întâmplă în zilele noastre. Acolo, în univers, chiar acum, există grupuri mici care sunt aspirate neputincioase în maw-ul celor mari. În trecut, însă, cercetătorii nu au găsit niciuna dintre aceste perechi. Pentru că observăm clusterul de gloanțe astăzi, știm că s-a întâmplat în trecut. Știm chiar cât de mult timp în urmă sa întâmplat.deci, pentru a se potrivi datelor observabile, ar trebui să găsim clustere mici care se ciocnesc cu clustere mari în trecut. Cu toate acestea, modelele noastre nu au arătat nimic de acest fel.
În schimb, trecutul este dominat de clustere de dimensiuni similare care se aruncă unul în celălalt. Acest proces poate fi ceea ce creează disparitatea dimensiunilor clusterului care, în cele din urmă, permite coliziuni asemănătoare Bullet-Cluster. Dar asta necesită timp—conform acestor modele, mult timp.
marea problemă s-a dovedit a fi că, în fiecare model de computer, cercetătorii au o serie de alegeri de făcut: ce fizică să includă, ce să excludă și ce să aproximeze. Dincolo de asta, există și alegeri tehnice care trebuie făcute: care este dimensiunea universului pe care intenționați să îl simulați? Care este cea mai mică caracteristică cu care se va ocupa modelul dvs.? Aceste două sunt opțiuni cuplate care sunt limitate de cantitatea de putere de calcul disponibilă. Și chiar contează.
se pare că dimensiunea casetei modelului și rezoluția contează. Sau, mai precis, cu cât cutia este mai mare și cu cât sunt mai multe particule în cutie, cu atât puteți ajunge mai departe în extremele distribuției vitezei. Pentru tipul de model utilizat în analiza inițială, se așteaptă ca coliziunile de mare viteză să fie rare. Lucrările ulterioare au sugerat că cutia trebuie să aibă un volum de aproximativ opt ori mai mare decât oricare dintre cele încercate până acum dacă doriți să vedeți o singură coliziune care să corespundă vitezelor prezise de modelele de coliziune.
dar nu știam asta la acea vreme. Consensul părea atunci că ceva nu era în regulă—nu neapărat cu materia întunecată și, cu siguranță, nu cu observațiile. Așteptarea a fost că fie modelelor care simulează formarea și dinamica clusterelor de galaxii lipseau ceva, fie modelului care a ciocnit clustere lipsea ceva. Dar care a fost oprit și ce anume lipsea?
lumea rotitoare a fizicii teoretice
în acest moment, fizicienii teoretici încep să devină puțin entuziasmați—rezultate care nu sunt explicate, înseamnă o nouă fizică. Poate energia întunecată ar putea accelera clusterul? Și, dacă nu energie întunecată, am putea încerca dinamica Newtoniană modificată, o idee care înlocuiește materia întunecată cu o teorie modificată a gravitației? În ambele cazuri, puteți obține viteze mai mari de coliziune. Dar au venit cu un cost: folosind un model fizic care avea unele dovezi destul de rare care îl susțineau.
în acest caz, toate aceste idei s-au dovedit a fi greșite, dar considerarea lor a fost o parte esențială a procesului. A nu le lua în considerare ar sugera că am refuzat să reevaluăm corectitudinea fizicii fundamentale. Există întotdeauna idei care ar trebui să fie discutate atunci când dovezile experimentale și teoria actuală nu reușesc să fie de acord. Aproape întotdeauna vor greși, dar aspectul” aproape ” este destul de critic.
în acest caz, chiar dacă au existat diferențe între teorie și observații, povestea nu s-a încheiat cu o nouă teorie. În schimb, cercetătorii și-au dat seama cum să rezolve diferențele. Procesul a început prin revizuirea modelului pentru coliziunea clusterului. Lucrarea originală a analizat doar câteva caracteristici brute: unde era centrul de masă pentru fiecare grup, care era forma frontului de șoc etc.
modelul a presupus că clusterele erau, înainte de coliziune, simetrice sferic. Acest lucru este destul de nerealist, iar discrepanța uriașă însemna că era timpul să fim serioși. Clusterele au fost transformate în elipse, iar efectul câmpurilor magnetice a fost adăugat fizicii asemănătoare fluidelor. Aceasta din urmă este importantă deoarece câmpurile magnetice limitează Materia încărcată (obișnuită) pentru a se deplasa în jurul liniilor de câmp. Acest lucru poate crește presiunile și temperaturile.
chiar și fără aceste adăugiri, vechiul model se potrivește deja caracteristicilor brute ale clusterului Bullet. Acum a fost și timpul să încercăm să explicăm detaliile. Cele mai multe date astronomice vin sub formă de imagini și nu neapărat imagini luminoase vizibile. Razele X, datele telescopului radio și multe alte părți ale spectrului sunt comune. Unele dintre aceste date sunt utilizate pentru a furniza estimări pixel cu pixel ale proprietăților fizice mai interesante, cum ar fi temperatura.
procesarea pixelilor
aici s-au îndreptat cercetătorii: compararea modelelor cu cea mai bună rezoluție a datelor pe care trebuiau să le modeleze. Aceasta a implicat o comparație pixel-cu-pixel între datele experimentale și predicțiile modelului.
a face asta necesită un pic de finețe. Există un singur grup de gloanțe și, prin urmare, un singur set complet de date. Modelul are unele necunoscute care trebuie să fie stabilite pe baza datelor experimentale, de asemenea. Deci, cum utilizați datele pentru a vă configura modelul și pentru a compara rezultatele cu datele? În cele din urmă, o echipă a folosit datele de lentile gravitaționale și partea cu energie redusă a spectrului de emisie de raze X pentru a fixa parametrii din modelul lor. Apoi au comparat rezultatul modelului cu restul datelor.
în cele din urmă, modelul care a încorporat câmpurile magnetice a reprodus datele observaționale destul de bine. Nu perfect, și în unele moduri prost, dar a fost mai bine decât munca anterioară. Chiar și așa, nu era evident că acest lucru ne-a dus nicăieri, deoarece viteza de coliziune pe care o anticipa părea încă destul de mare (în jur de 2.800 km/s până la 2.900 km/s). Cu toate acestea, a existat o diferență importantă: pentru a reproduce coliziunea, clusterul principal trebuia să fie mai mare decât cel prevăzut de modelul anterior.
cu fizica coliziunii aparent reprodusă, cercetătorii au revenit la viteza de coliziune. În modelul lor, viteza de coliziune era încă de 2.800 km/s, ceea ce nu este atât de diferit de valorile obținute de cercetătorii anteriori. Cu toate acestea, ei au susținut că această viteză este OK. Care este diferența?
diferența este în masa clusterului mai mare. Noul model a prezis o masă de trei ori mai mare decât se credea anterior. Aceasta oferă o atracție gravitațională suplimentară pe măsură ce o atrage pe cea mică, accelerând impactul. Reluând modele de clustere folosind un univers model mult mai mare și cu mult mai multe clustere de galaxii, cercetătorii au putut vedea că clusterele acestei mase nu erau atât de neobișnuite și au existat o mulțime de coliziuni care arătau ca niște clustere de gloanțe.
cel mai important, pentru clusterele mai mari, vitezele de coliziune au fost mai mari. Clusterul de gloanțe este încă puțin peste medie. Ce înseamnă asta? Aceasta înseamnă că coliziunea Bullet Cluster este încă excepțională, dar numai în sensul unu la o sută și nu în sensul unu la 100 de milioane indicat de primele cercetări.
este povestea rezolvată în întregime? Probabil că nu. Sunt sigur că modelul revizuit va avea nevoie în continuare de mai multă examinare, dar Clusterul Bullet—și știința în general—este o poveste lentă. Observațiile originale ale clusterului Bullet au fost anunțate în urmă cu aproximativ zece ani; modelul revizuit are doar doi ani. Și aceasta reflectă pur și simplu natura științei. În cea mai mare parte, este vorba despre transpirația lucrurilor mici, pentru că aceasta este singura modalitate de a înțelege lucrurile mari. Este un proces de auto-corectare. Generează modele despre care știți că greșesc și le pune acolo pentru a vedea cât de greșite sunt cu adevărat.
știința înseamnă, pe scurt, să te joci cu eșecul și să-l iubești.
