Tillit till indirekta bevisbränslen Mörk materia tvivlar


Det mesta av materien i universet saknas fortfarande i åtgärd, åtminstone det har länge varit det normala kosmologiska paradigmet. Nu utmanar dock en liten men vokal grupp av kosmologer de mörka materiens principer för den allmänt accepterade kosmologiska modellen, som hävdar att universum består av ungefär 70 procent mörk energi, 25 procent mörk materia och endast 5 procent normal (eller baryonisk) materia. Mörk mater

Det mesta av materien i universet saknas fortfarande i åtgärd, åtminstone det har länge varit det normala kosmologiska paradigmet.
Nu utmanar dock en liten men vokal grupp av kosmologer de mörka materiens principer för den allmänt accepterade kosmologiska modellen, som hävdar att universum består av ungefär 70 procent mörk energi, 25 procent mörk materia och endast 5 procent normal (eller baryonisk) materia. Mörk materia, oberoende av det, utövar ett gravitationstryck men samverkar bara med vanlig materia mycket svagt, om alls, bortom det. Ljus verkar inte ha någon effekt på mörk materia-därmed dess namn.
Bevis på det mörka materiens inflytande på kosmos sträcker sig tillbaka till 1930-talet och har bara blivit starkare de senaste åren. NASA: s banbrytande kosmologisatellit, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, har under decenniet sedan lanseringen levererat en robust indirekt detektering av det mörka materiens fotavtryck på det gamla ljusets eko som kallas kosmisk mikrovågsugnbakgrund. Och mörka materiens effekter är också avledda i gravitationsinteraktioner kring kluster av galaxer såväl som kring enskilda galaxer själva.
Men de mörka grejerna har ännu inte upptäckts, antingen direkt, i partikelfysiklaboratorierna som en ny subatomisk partikel, via neutrino-teleskop som också fungerar i det subatomära området eller med konkreta bevis på sådan dold materia genom att använda teleskop som arbetar i det elektromagnetiska spektrat. Vissa astrofysiker är hoppfulla att Fermi Gamma-Ray Space Telescope kommer att leverera bekräftande, om än något indirekt, bevis för ömsesidig förstörelse av mörka materiepartiklar i galaxen.
"Mörk materia kommer till följd av att människor otvivelaktigt hittar massskillnader i galaxer och klyftor av galaxer", säger Mordehai Milgrom, en astrofysiker vid Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel.
Stjärnor vid själva kanterna av spiralgalaxier roterar till exempel mycket snabbare än vad som kan förklaras av Newtons gravitation ensam; bilden förstår bara om astrofysiker antingen modifierar gravitationen själv eller åberopar ytterligare gravitationsacceleration på grund av en okänd masskälla, såsom mörk materia.
"Mängden synlig materia faller väldigt kort för vad som behövs för att ta hänsyn till den gravitation som dessa system visar", säger Milgrom. "Den vanliga antar att det beror på närvaron av mörk materia, medan andra, liksom jag, tycker att gravitationsteorin måste modifieras."
Milgroms tvivel om mörk materia har länge hållit honom på kanten av professionella astronomiska kretsar. Men som Rutgers University astronom Jerry Sellwood noterar, "människor börjar tänka att vi borde ha hittat några oberoende bevis för mörk materia, och det har inte hänt."
Det är förmodligen till stor del ett resultat av det faktum att mörk materia är teoretiserad för att interagera minimalt med normal materia. Men vissa observationskampanjer har inte sett effekterna av mörk materia där det förväntas existera. Teorin förutsäger att spiralgalaxerna, inklusive vårt eget Mjölkväge, är omslagen av massiva mörka materiahalter som ger galaxens saknade massa. Men Mjölkets egen mörka materiens halo har också hittats, även indirekt. Dess förmodade existens är främst härledd från de avvikande rotationerna av satellitgalaxer som Magellanic Clouds, som kretsar Mjölkvägen för snabbt för att förklaras av den vanliga gravitationen ensam.
Mer nyligen har det också förekommit förutsägelser om en skiva av mörk materia som skulle ligga i det galaktiska planet, som roterar med Vintergatan själv. Men i en analys av rörelserna på några 300 stjärnor som ligger minst 6 000 ljusår bortom galaktiskt plan, konstaterar Christian Moni Bidin, en astronom vid Concepción-universitetet i Chile, och hans kollegor att det inte finns "några tvingande bevis" för en sådan mörk disk. Med tanke på osäkerheter i sin egen analys erkänner de dock att en sådan skivans existens inte helt kan uteslutas.
Moni Bidin, ledande författare på ett papper som redogör för resultatet i november 20-utgåvan av The Astrophysical Journal Letters, säger att man alltid kan dra slutsatsen att det mörka materialet flyr upptäckt eftersom det har en exotisk natur eller oväntade egenskaper. "Men att inte upptäcka det i indirekta kinematiska mätningar som vår, " säger han, "att hitta en väg ut är hårdare."
En annan dynamisk komplikation kommer från det sk Tully-Fisher-förhållandet, som beskriver förhållandet mellan en galaxens ljusstyrka och dess rotationshastighet: Ju högre ljusstyrkan desto snabbare en galax roterar.
Den uppmätta rotationshastigheten i utkanten av en spiralgalax, säger Milgrom, beror på "ett mycket strikt sätt endast på galaxens totala synliga massa". Men om teorin om mörk materia är korrekt, bör hastigheten på stjärnorna som roterar på galaxens utkanter också bero på formen av galaxens mörka materiehalo.
"Dark matter halos ska vara klumpiga, underflätade fotbollsformer, inte sfäriska", säger Stacy McGaugh, en astronom vid University of Maryland, College Park. "Statistiskt betyder det att vi bör se många [olika galaktiska rotation] hastigheter för samma luminositet. Vi gör det inte."
I stället säger McGaugh, den "baryonala svansen vaggar den mörka materia hunden." Med andra ord kan astronomer förutsäga precis vad de galaktiska rotationskurvorna kommer från en given galaxens stjärnfördelning. McGaugh hävdar att om mörk materia dominerar, bör observatörer inte kunna förutsäga de galaktiska rotationskurvorna med det som de ser i normalt ljusämne.
"Eftersom varje mörk materiehalo borde vara unik bör du se mycket variation i rotationskurvor för samma galax, " säger han. "Du förväntar dig inte den typ av enhetlighet som vi observerar i hundratals galaktiska rotationskurvor."
Även om mörk materia väcker frågor om sådana stora galaktiska skalor är partikelfysiker hoppfulla att det kommer att detekteras i laboratoriet. Om mörkare partiklar i solen exempelvis genomgår självförintelse, kan sådana utrotningshändelser skapa hög energi-neutrinor som potentiellt kan detekteras med jordbaserade neutrino teleskop.
Därefter finns det detektorer, som Xenon100-experimentet vid Italiens nationella laboratorium i Gran Sasso, byggt för att registrera direkta träffar från partikelformig mörk materia. Xenon100 är utformad för att söka efter den mest gynnade partikelkandidaten med mörk materia-den svagt interagerande massiva partikeln (WIMP) - genom att titta på tecken på att en WIMP har recoiled av en atom i en tank av flytande xenon. En nyligen genomförd analys av en 11-dagars observationskörning under 2009 misslyckades med att identifiera några sådana mörka partiklar, vilket tvivlar på två konkurrerande gruppers tidigare krav på möjliga signaler med mörk materia.
Ett problem med att göra sådana upptäckter är osäkerheten över den mörka materiens täthet i det lokala universum, säger Chris Mihos, en astrofysiker vid Case Western Reserve University. "Finns inte den mörka partikelpartikeln, " undrar han, "eller är vi bara otur i fråga om den lokala mörka materia tätheten?"
Nuvarande direkta detekteringsscenarier inkluderar potentiella mörkmaterialpartiklar med massor mellan en och 1000 gånger massan av en proton och med interaktion "tvärsnitt" ungefär en triljon av storleken på en neutron.
Efter varje icke-upptäckt, säger McGaugh, teoretiker omdefinierar kontinuerligt interaktionstvärsnittet av WIMPs till säkert odetekterbara nivåer. Denna typ av beteende, adderar han, kan gnista ett oändligt spel av språngspring mellan experimentella fysiker och teoretiker, så att de kan fortsätta sin verksamhet som vanligt utan att någonsin ändra sin kosmologi.
"Det finns mycket felplacerad säkerhet i den mörka materiemodellen - en känsla av att det inte är" om "vi direkt upptäcker mörk materia, men" när ", säger Mihos.
Eller, som McGaugh säger: "När du väl övertygat dig om att universum är fullt av en osynlig substans som bara interagerar med vanlig materia genom gravitation, så är det praktiskt taget omöjligt att göra sig av med den tanken. Det finns alltid ett sätt att vifta ut av någon observation. "

Storbritanniens Brexit-planer kallar för att lämna EU: s kärnbyråFossilbränslekraftverk tar fortfarande inte av koldioxidutsläppÄr universitetslaboratorierna kriminellt farliga?Större amerikanska städer står inför fler blackouts under klimatförändringenSjälvförstörande batteri kan upplösas i 30 minuterMarketplace Red Snapper är fallet med bete och omkopplareVad gör en revolution?När Galaxy Clusters Crash, Light Warps och Particles Fly