mörk materia föreslogs först för att förklara hastigheten med vilken stjärnor kretsar i mitten av sina galaxer. Sedan dess har sökandet efter andra bevis för mörk materia varit intressant.

en av de största framgångarna tycktes vara en kollision av galaxkluster som kallas Bullet Cluster. Det gav en av de mest spektakulära och intuitiva indikationerna som tycktes visa att mörk materia var verklig. Vår egen rapport om det första beviset på Bullet Cluster, skrivet för mer än ett decennium sedan, var ganska upphetsad. Och i berättelserna som följde om förekomsten av mörk materia har vi tenderat att behandla Kulklustret som en guldstandard. Om du inte kan förklara Kulklustret är din teori förmodligen lite värdelös.

Visa mer

bilden ovan visar resterna av två galaxkluster som har kolliderat, med en mindre” kula ” som har passerat genom det större klustret. Kollisionsenergin är sådan att vanlig materia har värmts upp till mycket höga temperaturer, vilket gör att den lyser som galen i Röntgenregimen (som visas i rött). Så, ett röntgenteleskop kan ge en tydlig bild av materiens fördelning av både kula och det större klustret. Ännu bättre, denna kollision verkar vara nästan sida på oss, så vi har den bästa platsen i huset för att observera den.

dessutom har båda kluster betydande massa och fungerar som gravitationslinser. Genom att avbilda objekt som ligger bakom klustren och förstå hur bilderna förvrängs av den mellanliggande linsen kan vi kartlägga Kulklustrets massa. Detta visas i blått.

överlagring av de två bilderna visar att massan inte är där saken är-alltså mörk materia. Detta är bara en av flera kollisioner mellan kluster som visar liknande egenskaper—gravitation utan uppenbar materia—men Kulklustret är utan tvekan det renaste exemplet på dem alla.

Bulletklustret visar dock något som förmodligen är viktigare: vetenskapen fungerar. Även om den ursprungliga publikationen utsågs som bevis för mörk materia, insåg man snabbt att historien kan vara mer komplicerad än så. Faktum är att historien till och med började skugga mot Kulklustret som bevis mot mörk materia. Teoretiska fysiker släpper sina fantasier, vilket ger mörk energi och modifierade gravitationsteorier till bordet. Men så småningom, när dammet bosatte sig, kom tänkandet tillbaka till att den ursprungliga tolkningen var korrekt.

ser tillbaka på Bullet Cluster idag-hur vi kom härifrån till där och tillbaka igen—belyser hur vetenskapen fungerar på samma rena sätt. Data är kung, men teorin är Kungariket; du behöver båda, och ingen av dem är i sten.

förklara data väcker frågor

strax efter att Bullet Cluster-analysen publicerades 2006 började forskare titta närmare på data. Inledningsvis verkade allt lite förbryllande. Försök att modellera kollisionen verkade inte fungera.

en av stugindustrierna inom astrofysik är modellering av galaxer och kluster av galaxer. Du kan, i din dator, skapa två kluster som ungefär matchar massfördelningen av vissa observationer, sedan ram dem tillsammans med vilken hastighet du vill. Du kan också producera en modell som har många olika kluster och titta på statistiken över kollisionerna för att se hur den genomsnittliga klusterkraschen ser ut.

denna tvåstegsprocess berättar olika saker. En modell berättar, med tanke på observationsdata, hur stora klusterna var och hur snabbt de närmade sig varandra när de kolliderade. Den andra modellen berättar, med tanke på vårt universum, vilken storlek av galaxkluster vi borde förvänta oss och hur snabbt de vanligtvis kolliderar.

för kollisionsmodellen räcker det inte att matcha fördelningen av synlig materia och gravitationslinsning som observerades. Det finns en hel rad funktioner som modellerna behöver reproducera. Som vi nämnde ovan är den normala frågan så varm att den producerar massor av röntgenstrålar. Men det räcker inte för en modell att bara producera röntgenstrålar; det borde producera samma spektrum av röntgenstrålar-det vill säga vi borde kunna förutsäga den relativa ljusstyrkan för varje röntgenfärg. Andra begränsningar har att göra med materialet i klusterna. Under kollisionen överförs Materia (vanlig materia, det vill säga) mellan kluster. Våra observationer ger en uppskattning av hur mycket som överförs, och modellerna bör förutsäga överföringen.

den andra modellen handlar om sannolikheter. När du kartlägger resultaten från den första modellen på modeller av många galaxkluster som slumpmässigt kolliderar med varandra, bör du upptäcka att den förutsagda kollisionen inte är för extraordinär. Ja, det är möjligt att vi träffar motsvarande en vinnande lotto-biljett. Men om modellerna förutspår att klusterkollisionen kräver ganska exceptionella förhållanden, borde vi antagligen anta att vi har gjort ett misstag någonstans. Eller, mer exakt, för varje kollision som kräver extrema förhållanden, borde vi ha observerat massor som ligger inom det normala intervallet. Eftersom vi inte har många andra kollisioner bör Kulklustret ligga inom det normala intervallet

men de första papper som publicerades efter Kulklusteranalysen visade att kanske, bara kanske, allt är inte bra. Är Bullet Cluster speciellt?

ett behov av hastighet?

den första indikationen på att något kunde vara fel kom från modeller som kolliderade två kluster.

för att kollidera två galaxkluster måste du bestämma vilken fysik som ska inkluderas. I de första försöken var modellerna relativt enkla. Varje kluster bestod av ett antal vanliga Materia-och mörkmaterialpartiklar. Dessa passerade genom varandra och kolliderade i fallet med vanlig materia (den mörka materien ignorerar allt i sin väg). Ökningen av trycket från kollisionen driver upp temperaturen, vilket gör att partiklarna avger röntgenstrålar. Samtidigt genererar kollisionen en chockvåg som också driver upp trycket och producerar en ännu varmare gas som avger fler röntgenstrålar.

även om beräkningsintensiv på grund av antalet partiklar innehåller modellen endast den minimala fysiken hos en ganska enkel vätska. Och analysen var lika enkel: återger vår modell de viktigaste funktionerna i våra observationer? Forskarna fokuserade på de observerade chockfronten, massfördelningen och Röntgenutsläppen. Deras försök att reproducera dessa funktioner innebar att man försökte olika kombinationer av kollisionshastigheter, densiteter och totala massor av de två klusterna.

för en given uppsättning initiala villkor kan någon särskild observationsegenskap reproduceras. Men för att få alla funktioner krävs att de två klusterna har en ganska begränsad uppsättning densiteter, massförhållanden och, viktigast av allt, kollisionshastighet.

som är typiskt för spännande nya resultat försökte andra göra samma sak, alla med lite olika modeller. Men de kom alla till liknande slutsatser. Kollisionshastigheterna verkade också fel-det varierade från 2700 km/s till massiva 4050 km/s. Hela sortimentet verkade högt, med tanke på att den dominerande teorin om mörk materia heter ”kall mörk materia”, där kyla är ett annat sätt att säga långsam rörelse.

men vi har ingen aning om galaxkluster följer någon form av hastighetsgräns (annat än ”långsammare än ljus”). För att ha mer än en intuitiv gissning om huruvida dessa resultat var höga, behövde forskare vända sig till en annan typ av modell, en som modellerar rörelsen av galaxkluster. Det första steget att bygga denna typ av modell är att bestämma vad ditt universum är gjord av.

eftersom vi kan se det, vet vi redan om hur mycket vanlig materia är runt, och vi vet vilken typ av hastighet det rör sig på. Mörk materia är en annan historia, fastän. Om du antar att mörk materia finns, måste du bestämma hur den distribueras och hur snabbt den rör sig.

mörkets hastighet (Materia)

detta är inte ett helt fritt val. Big Bang och det faktum att galaxer lyckades bildas efter den händelsen sätter båda gränser för hastigheten och fördelningen av mörk materia. Galaxernas rörelse i ett kluster berättar också om fördelningen av mörk materia. Så, alla dessa observationsdata går in som utgångspunkt, vilket sätter vissa gränser för modellens flexibilitet. När allt kommer omkring reglerar verkligheten. Om utgångspunkten inte skulle resultera i galaxer, till exempel, kommer den att avvisas.

för att ta reda på om kollisionshastigheten var exceptionell var nästa steg att undersöka modeller av klusterkollisioner. För att göra detta skapade forskare en stor låda (mer än 4gigaparsek på en sida) och fyllde den med mörk materia—vanlig materia är en mindre komponent, och de flesta, men inte alla, modeller försummar det. Forskarna lät modellen springa för att utveckla universum. Vid olika tidpunkter skulle de frysa modellen och undersöka den. Forskarna letade efter stora kluster som hade fångat ett litet kluster i sin gravitationsbrunn. Under dessa förhållanden skulle det lilla klustret vara dömt att kollidera med sin större granne.

för att göra jämförelsen med Bullet Cluster fair, begränsade forskarna sig till kluster med ett massförhållande som liknar kollisionen med Bullet Cluster. Dessutom tog de bort blickande slag, eftersom Kulklustret ser ut som det är nära en frontalkollision.

kollisioner verkade hända ganska regelbundet: forskarna hittade knappt 80 exempel på kollisioner som såg ut som Kulklustret. Ändå reproducerade ingen av dem detaljerna i Kulklusterkollisionen. Endast en kollision hade en infallhastighet större än 2000 km/s, vilket fortfarande var för långsamt—kom ihåg att alla kollisionsmodeller hade föreslagit en mycket högre hastighet.

nuvarande spänning

ännu mer oroande inträffade inte kollisioner med kula i det förflutna. Modellen visade att alla kollisioner med rätt massförhållande (t.ex. små klusterdyk i stort kluster) händer i dag. Där ute i universum just nu finns det små kluster som sugs hjälplöst i maw av stora. Tidigare hittade forskarna dock ingen av dessa parningar. Eftersom vi observerar Kulklustret idag vet vi att det hände tidigare. Vi vet till och med hur länge sedan det hände.

så för att passa observerbara data borde vi hitta små kluster som kolliderar med stora kluster tidigare. Ändå visade våra modeller ingenting av det slaget.

istället domineras det förflutna av kluster av samma storlek som slungar in i varandra. Den processen kan vara det som skapar skillnaden i klusterstorlekar som så småningom tillåter Kulklusterliknande kollisioner. Men det tar tid-enligt dessa modeller, en lång tid.

den stora frågan visade sig vara att forskare i varje datormodell har ett antal val att göra: vilken fysik som ska inkluderas, vad som ska uteslutas och vad som ska approximeras. Utöver det finns det också tekniska val att göra: vad är storleken på universum du planerar att simulera? Vad är den minsta funktionen som din modell kommer att hantera? Dessa två är kopplade val som begränsas av mängden datorkraft tillgänglig. Och de spelar verkligen roll.

det visar sig att storleken på modellrutan och upplösningen är viktig. Eller, mer exakt, ju större lådan och ju fler partiklar det finns i lådan, desto längre kan du nå in i ytterligheterna av hastighetsfördelningen. För den typ av modell som används i den initiala analysen förväntas höghastighetskollisioner vara sällsynta. Senare arbete föreslog att lådan behövde ha en volym ungefär åtta gånger större än någon som hittills hade prövats om du ville se en enda kollision som matchade de hastigheter som förutsågs av kollisionsmodellerna.

men det visste vi inte vid den tiden. Konsensus verkade då vara att något var fel – inte nödvändigtvis med mörk materia, och absolut inte med observationerna. Förväntningen var att antingen modellerna som simulerar galaxklusterbildning och dynamik saknade något, eller modellen som kolliderade kluster saknade något. Men vilken var avstängd, och vad saknades det exakt?

den roiling världen av teoretisk fysik

vid denna tidpunkt börjar teoretiska fysiker bli lite upphetsade—resultat som inte förklaras betyder ny fysik. Kanske kan mörk energi påskynda klustret? Och om inte mörk energi, kan vi prova modifierad newtonsk dynamik, en ide som ersätter mörk materia med en modifierad gravitationsteori? I båda fallen kan du få större kollisionshastigheter. Men de kom till en kostnad: med hjälp av en fysisk modell som hade några ganska glesa bevis som stödde det.

i det här fallet visade sig alla dessa tankar vara felaktiga, men att betrakta dem var en väsentlig del av processen. Att inte överväga dem skulle föreslå att vi vägrade att omvärdera riktigheten i grundläggande fysik. Det finns alltid tankar som bör diskuteras när experimentella bevis och nuvarande teori misslyckas med att komma överens. De kommer nästan alltid att vara fel, men ”nästan” aspekten är ganska kritisk.

i det här fallet, även om det fanns skillnader mellan teori och observationer, slutade historien inte med en ny teori. Istället räknade forskare ut hur man löser skillnaderna. Processen började med att se över modellen för klusterkollisionen. Det ursprungliga arbetet hade bara tittat på några få bruttofunktioner: var var masscentrum för varje kluster, vad var formen på chockfronten etc.

modellen antog att klusterna före kollisionen var sfäriskt symmetriska. Det är ganska orealistiskt, och den stora skillnaden innebar att det var dags att bli allvarlig. Klusterna förvandlades till ellipser, och effekten av magnetfält tillsattes till den fluidliknande fysiken. Det senare är viktigt eftersom magnetfält begränsar laddad (vanlig) materia för att röra sig runt fältlinjer. Detta kan öka tryck och temperaturer.

även utan dessa tillägg passar den gamla modellen redan Bruttofunktionerna i Kulklustret. Nu var det också dags att försöka förklara detaljerna. De flesta astronomiska data kommer i form av bilder och inte nödvändigtvis synliga ljusbilder. Röntgenstrålar, radioteleskopdata och många andra delar av spektrumet är vanliga. En del av dessa data används för att ge pixel-för-pixel uppskattningar av de mer intressanta fysikaliska egenskaperna, som temperatur.

Processing pixels

det är här forskarna ledde: jämföra modellerna med den bästa upplösningen av de data de skulle modellera. Detta innebar en pixel-för-pixel jämförelse mellan experimentella data och modellförutsägelser.

att göra det kräver lite finess. Det finns bara en kula kluster, och därmed bara en komplett datamängd. Modellen har några okända som måste ställas in baserat på experimentella data också. Så, hur använder du data för att ställa in din modell och ändå jämföra resultaten med data? I slutändan använde ett team gravitationslinsdata och Lågenergidelen av Röntgenutsläppsspektret för att fixa parametrarna i sin modell. De jämförde sedan modellens utgång med resten av data.

i slutändan reproducerade modellen som införlivade magnetfälten observationsdata ganska bra. Inte perfekt, och på vissa sätt dåligt, men det var bättre än tidigare arbete. Ändå var det inte uppenbart att detta fick oss någonstans, eftersom kollisionshastigheten som förutspåddes fortfarande verkade ganska hög (cirka 2800 km/s till 2900 km/s). Det var emellertid en viktig skillnad: för att reproducera kollisionen måste huvudklustret vara större än förutsagt av den tidigare modellen.

med kollisionens fysik som uppenbarligen reproducerades återvände forskarna till kollisionshastigheten. I sin modell var kollisionshastigheten fortfarande en massiv 2800 km / s, vilket inte skiljer sig från de värden som tidigare forskare erhållit. Men de hävdade att denna hastighet är OK. Vad är skillnaden?

skillnaden är i massan av det större klustret. Den nya modellen förutspådde en massa som är tre gånger större än tidigare trott. Det ger en extra gravitationsattraktion när den drar in den lilla, vilket påskyndar påverkan. Om man kör modeller av kluster med ett mycket större modelluniversum och med många fler galaxkluster kunde forskare se att kluster av denna massa inte var så ovanliga, och det fanns gott om kollisioner som såg Kulklusterliknande ut.

viktigast av allt, för de större klusterna var kollisionshastigheterna större. Kulklustret är fortfarande lite över genomsnittet. Vad betyder det? Det betyder att Kulklusterkollisionen fortfarande är exceptionell, men bara i en-i-hundra-mening och inte i den en-i-100-miljoner mening som indikeras av den tidigaste forskningen.

är historien helt löst? Förmodligen inte. Jag är säker på att den reviderade modellen fortfarande behöver mer granskning, men Kulklustret—och vetenskapen i allmänhet—är en långsam historia. De ursprungliga Bullet Cluster-observationerna tillkännagavs för ungefär tio år sedan; den reviderade modellen är bara två år gammal. Och detta återspeglar helt enkelt vetenskapens natur. För det mesta handlar det om att svettas de små grejerna, för det är det enda sättet att förstå de stora grejerna. Det är en självkorrigerande process. Det genererar modeller som du vet är fel och lägger dem där ute för att se hur fel de verkligen är.

vetenskap är kort sagt att leka med misslyckande och älska det.