Jag kommer att vara den första att erkänna att vi inte förstår mörk materia. När vi till exempel tittar på en galax och räknar upp alla heta glödande bitar som stjärnor och gas och damm, får vi en viss massa. När vi använder någon annan teknik alls för att mäta massan får vi ett mycket högre antal. Så den naturliga slutsatsen är att inte allt ämnet i universum är allt hett och glödigt. Kanske några om det är, du vet, mörkt.
Men håll på. Först ska vi kolla vår matematik. Är vi säkra på att vi inte bara tar fel fysik?
Dark Matter Detaljer
En viktig del av pusslet med mörk materia (även om det verkligen inte är det enda, och det kommer att vara viktigt senare i artikeln) kommer i form av så kallade galaxrotationskurvor. När vi tittar på stjärnor som rullar runt i rotation runt centrum av deras galaxer, av alla rättigheter borde de längre från mitten röra sig långsammare än de som är närmare centrum. Detta beror på att de flesta av den galaktiska massan är trångt in i kärnan, och de yttersta stjärnorna är långt borta från allt det där, och genom enkel Newtonian gravitation bör de följa långsamma lata banor.
Men de gör det inte.
Istället kretsar de yttersta stjärnorna lika snabbt som deras kusiner till deras stad.
Eftersom detta är ett tyngdspel finns det bara två alternativ. Antingen får vi tyngdkraften fel, eller så är det extra osynliga saker som blöter varje galax. Och så långt vi kan veta så får vi allvar, väldigt rätt (det är en annan artikel), så boom: mörk materia. Något håller dessa frihjuliga stjärnor fångade in i deras galaxer, annars skulle de ha kastat sig ut som en out-of-control merry-go-round för miljoner år sedan; ergo, det finns en hel massa saker som vi inte direkt kan se men indirekt kan upptäcka.
Blir tung
Men vad händer om detta inte bara är ett tyngdspel? Det finns trots allt fyra grundläggande krafter i naturen: stark kärnkraft, svag kärnkraft, gravitation och elektromagnetism. Får någon av dem att spela i detta greatgalactic spel?
Stark kärnkraftsverksamhet fungerar bara på teensiska små subatomära skalor, så det är rätt ut. Och ingen bryr sig om svaga kärnkraft utom i vissa sällsynta förfall och interaktioner, så vi kan sätta det åt sidan också. Och elektromagnetism ... ja, uppenbarligen spelar strålning och magnetfält en roll i det galaktiska livet, men strålning skjuter alltid utåt (så uppenbarligen kommer inte att hjälpa till att hålla snabbrörande stjärnor i linje) och galaktiska magnetfält är otroligt svaga (inte starkare än en miljondel jordens eget magnetfält). Så ... nej gå, eller hur?
Liksom nästan allt inom fysik finns det en smygig genomgång. Så långt vi kan veta är fotonen - bäraren av själva elektromagnetisk kraft - helt masslös. Men observationer är observationer och ingenting i vetenskapen är känt med säkerhet, och nuvarande uppskattningar placerar fotonens massa på högst 2 x 10-24 elektronens massa. För alla syften och syften är detta i princip noll för nästan allt som någon bryr sig om. Men om fotonen görhar massa, även under denna gräns, det kan göra några ganska roliga saker för theuniverse.
Med närvaron av massa i fotonen tar Maxwells ekvationer, hur vi förstår elektricitet, magnetism och strålning, en modifierad form. Extra termer visas i matematiken och nya interaktioner tar form.
Kan du känna det?
De nya interaktionerna är lämpligt komplicerade och beror på det specifika scenariot. När det gäller galaxer börjar deras svaga magnetfält att känna sig något speciellt. På grund av magnetiska fältets trassliga och vridna uppnatur ändrar närvaron av massiva fotoner Maxwells ekvationer i bara rätten att lägga till en ny attraktiv kraft som i vissa fall kan vara starkare uppsving.
Med andra ord kanske den nya elektromagnetiska kraften kan hålla snabbrörande stjärnor ihop och avskaffa behovet av mörk materia helt.
Men det är inte lätt. De magnetiska fälten tränger genom galaxens interstellära gas, inte själva stjärnorna. Så denna kraft kan inte dra på stjärnor direkt. Istället måste styrkan göra sitt drag känt för gasen, och på något sätt måste gasen låta stjärnorna veta att det finns en ny sheriffstad.
När det gäller massiva, kortlivade stjärnor är detta ganska enkelt. Själva gasen piskar runt den galaktiska kärnan i topphastighet, bildar en stjärna, stjärnan lever, stjärnan dör, och resterna återgår till att vara gas tillräckligt snabbt att för alla syften efterliknar dessa stjärnor gasens rörelse, vilket ger oss de rotationskurvor som vi behöver.
Big Trouble in Little Stars
Men små, långlivade stjärnor är ett annat odjur. De kopplas från gasen som bildade dem och lever sina egna liv och kretsar runt det galaktiska centret många gånger innan de går ut. Och eftersom de inte känner den konstiga nya elektromagnetiska kraften, borde de bara driva bort från sina galaxer helt och hållet, för ingenting håller dem i kontroll.
Om detta scenario var riktigt och massivt foton skulle kunna ersätta mörk materia, borde vår egen sol inte vara där den är idag.
Dessutom har vi mycket god anledning att tro att fotoner verkligen är masslösa. Visst, Maxwells ekvationer kanske inte bryr sig särskilt mycket, men speciell relativitet och kvantfältteori gör det säkert. Du börjar krassa med fotonmassan och du har mycket att förklara att göra, herr.
Dessutom, bara för att alla älskar galaxrotationskurvor betyder det inte att de är vår enda väg till mörk materia. Galaxy-klusterobservationer, gravitationslinser, tillväxten av strukturen i universum och till och med den kosmiska mikrovågsbakgrunden pekar alla i riktning mot en slags osynlig komponent till vårt universum.
Även om fotonen hade massa och på något sätt kunde förklara rörelserna hos Allt stjärnor i en galax, inte bara de massiva, det skulle inte kunna förklara värdet av andra observationer (till exempel, hur skulle en ny elektromagnetisk kraft kunna förklara gravitationsböjningen av ljus runt ett galaxkluster? Det är inte en retorisk fråga - det kan inte). Med andra ord, till och med i ett kosmos fylt med massiva fotoner, behöver vi fortfarande mörk materia också.
Du kan läsa tidskriftartikeln här.
