Don Lincoln är en seniorforskare vid U.S. Department of Energy's Fermilab, USA: s största forskningsinstitution för Large Hadron Collider. Han skriver också om vetenskap för allmänheten, inklusive hans nyligen "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan följa honom på Facebook. Lincoln bidrog med den här artikeln till Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Många vetenskapsmanniga människor tar det för givet att universum inte bara är gjorda av Carl Sagans ofta citerade "miljarder och miljarder" galaxer, utan också en enorm mängd av en osynlig substans som kallas mörk materia. Denna udda fråga anses vara en ny typ av subatomär partikel som inte samverkar via elektromagnetism, inte heller de starka och svaga kärnkrafterna. Mörk materia ska också vara fem gånger vanligare i universum än atomer.
Men verkligheten är att den mörka materiens existens ännu inte har bevisats. Mörk materia är fortfarande en hypotes, om än en ganska väl stödd. Varje vetenskaplig teori måste göra förutsägelser, och om det är rätt, bör mätningarna du gör stämma överens med förutsägelserna. Detsamma gäller för mörk materia. Exempelvis gör teorier om mörk materia förutsägelser för hur snabba galaxer roterar. Men hittills har mätningar gjorda av den detaljerade mörkmaterialfördelningen i mitten av lågmassa galaxer inte i linje med dessa förutsägelser.
Den senaste beräkningen har ändrat det. Beräkningen hjälper till att lösa förhållandet till Tully-Fisher-förhållandet, som jämför den synliga eller vanliga substansen i en galax med dess rotationshastighet. I mycket förenklade termer har forskare funnit att ju mer massiv (och därför ljusare) en spiralgalax är, desto snabbare snurrar den.
Men om mörk materia finns, hur "stor" en galax är, bör inte bara bestämmas av dess synliga materia, utan också av dess mörka materia. Med en enorm bit av ekvationen - mängden mörk materia - saknas, bör Tully-Fisher-förhållandet inte hålla. Och ändå gör det det. Det var svårt att föreställa sig något sätt att förena detta förhållande med befintlig teori om mörk materia. Tills nu.
Mörk materia ursprung
De första inklingarna om att det kan finnas ett behov av något som mörk materia går tillbaka till 1932. Den nederländska astronomen Jan Oort mätte orbitalhastigheterna i Vintergatan och fann att de rörde sig för snabbt för att förklaras av galaxens observerade massa.
Stjärnor kretsar runt deras modergalax i nästan cirkulära banor och tyngdkraften är den kraft som håller stjärnorna i dessa bana. Newtons ekvationer förutspår att kraften som får stjärnorna att röra sig i en cirkulär bana, F (cirkulär), ska vara lika med kraften på grund av tyngdkraften på stjärnan, F (tyngdkraften), annars skulle stjärnan flyga ut i rymden eller falla in i centrum av galaxen. För dem som kommer ihåg gymnasiefysik är F (cirkulär) ett tröghetsförklaring och bara Newtons F = ma. F (gravitation) är Newtons lag om universell gravitation.
Nära centrum av galaxerna fann Rubin och Ford att F (cirkulärt) var ungefär lika med F (tyngdkraft), som förväntat. Men långt från galaxernas centrum matchade de två sidorna av ekvationen inte så bra. Medan detaljer varierade galaxen till galaxen, var deras iakttagelser väsentligen universella.
En sådan dramatisk avvikelse behöver förklaras. Nära centrum av galaxerna, betydde Rubin och Fords mätningar att teorin fungerade, medan avvikelsen vid större orbitalavstånd innebar att något på gång som befintliga teorier inte kunde förklara. Deras insikter avslöjade att antingen vi inte förstår hur tröghet fungerar (t.ex. F (cirkulär)), eller så förstår vi inte hur gravitation fungerar (t.ex. F (tyngdkraft)). En tredje möjlighet är att jämntecknet är fel, vilket betyder att det finns någon annan kraft eller effekt som ekvationen inte inkluderar. Det var de enda möjligheterna.
Förklara skillnaderna
Under de 40 år sedan Rubin och Fords ursprungliga arbete har forskare testat många teorier för att försöka förklara de galaktiska rotationsavvikelserna som de hittade. Fysiker Mordehai Milgrom föreslog en modifiering av tröghet, kallad "modifierad Newtonian dynamik" eller MOND. I sin ursprungliga form hävdade den att Newtons ekvation F = ma vid mycket låga accelerationer inte fungerade.
Andra fysiker har föreslagit ändringar av tyngdelagarna. Einsteins allmänna relativitet hjälper inte här eftersom Einsteins och Newtons förutsägelser är väsentligen identiska. Och teorier om kvanttyngd, som försöker beskriva tyngdkraften med hjälp av subatomära partiklar, kan inte vara förklaringen av samma anledning. Det finns dock gravitationsteorier som gör förutsägelser om galaktiska eller extragalaktiska skalor som skiljer sig från Newtons gravitation. Så det är alternativ.
Sedan finns det förutsägelser om att nya krafter finns. Dessa idéer klumpas samman under namnet "den femte kraften", vilket innebär en kraft utöver tyngdkraften, elektromagnetismen och de starka och svaga kärnkrafterna.
Slutligen finns det teorin om mörk materia: Att en typ av materia som inte interagerar med ljus alls, men ändå utövar en gravitationskraft, genomsyrar universum.
Om de galaktiska rotationsmätningarna var de enda data vi har, kan det vara svårt att välja mellan dessa olika teorier. När allt kommer omkring kan det vara möjligt att justera varje teori för att lösa det galaktiska rotationsproblemet. Men det finns nu många observationer av många olika fenomen som kan hjälpa till att identifiera den mest troliga teorin.
Den ena är galaxernas hastighet inom stora galaxkluster. Galaxerna rör sig för snabbt för att klustren förblir bundna ihop. En annan observation är av ljus från mycket avlägsna galaxer. Observationer av dessa mycket avlägsna forntida galaxer visar att deras ljus är förvrängd genom att passera genom tyngdfältet i mer närliggande galaxkluster. Det finns också studier av små icke-enhetligheter i den kosmiska mikrovågsbakgrunden som är universets födelsegråt. Alla dessa mätningar (och många fler) måste också tas upp av alla nya teorier för att förklara galaktiska rotationshastigheter.
Dark matter är obesvarade frågor
Mörkmaterialteorin har gjort ett rimligt jobb med att förutsäga många av dessa mätningar, varför den respekteras väl i det vetenskapliga samfundet. Men mörk materia är fortfarande en okontrollerad modell. Allt bevis på dess existens hittills är indirekt. Om mörk materia finns, borde vi kunna direkt observera växelverkan av mörk materia när den passerar genom jorden och vi kanske kan göra mörk materia i stora partikelacceleratorer, som Large Hadron Collider. Och ändå har ingen av metoderna varit framgångsrika.
Dessutom bör mörk materia överensstämma med alla, inte bara många, astronomiska observationer. Även om mörk materia är den mest framgångsrika modellen hittills är den inte helt framgångsrik. Mörkmaterialmodeller förutspår fler dvärgssatellitgalaxier som omger stora galaxer som Vintergatan än vad som faktiskt upptäcks. Även om fler dvärggalaxier hittas finns det fortfarande för få jämfört med mörka materiens förutsägelser.
En annan stor, öppen fråga är hur mörk materia påverkar förhållandet mellan galaxernas ljusstyrka och deras rotationshastigheter. Detta förhållande, som först presenterades 1977, kallas Tully-Fisher-förhållandet, och det har visat flera gånger att en galaxs synliga massa korrelerar väl med dess rotationshastighet.
Tuffa utmaningar för mörk materia
Så det slutar den bakre historien. Vad är nytt?
Tully-Fisher-förhållandet är en tuff utmaning för modeller av mörk materia. Rotationen av en galax styrs av den totala mängden materia som den innehåller. Om mörk materia verkligen existerar, är den totala mängden materia summan av både vanlig och mörk materia.
Men befintlig teori om mörk materia förutspår att varje slumpmässig galax kan innehålla större eller mindre fraktioner av mörk materia. Så när man mäter den synliga massan, kan du eventuellt sakna en enorm bit av den totala massan. Som ett resultat bör synlig massa vara en mycket dålig förutsägare av galaxens totala massa (och därmed rotationshastighet). Galaxens massa kan vara lik den för den synliga (vanliga) massan eller den kan vara mycket större.
Det finns således ingen anledning att förvänta sig att den synliga massan bör vara en bra förutsägare för galaxens rotationshastighet. Ändå är det.
I ett papper som släpptes i år använde faktiskt mörka ämneskeptiker mätningar av Tully-Fisher-förhållandet för en mängd olika galaxer för att argumentera mot den mörka materiehypotesen och för en modifierad version av tröghet, till exempel MOND.
Bättre passform för mörk materia
I ett papper som släpptes i juni har forskare emellertid gett modeller av mörka ämnen ett betydande uppsving. Inte bara reproducerar det nya verket framgångarna med tidigare förutsägelser av den mörka materia-modellen, utan också reproducerar Tully-Fisher-förhållandet.
Det nya uppsatsen är en "semi-analytisk" modell, vilket innebär att det är en kombination av analytiska ekvationer och simulering. Den simulerar klumpningen av mörk materia i det tidiga universum som kan ha frönat galaxbildning men inkluderar också växelverkan mellan vanlig materia, inklusive sådana saker som infall av vanlig materia i en annan himmelkropp på grund av dess gravitationella drag, stjärnbildning och uppvärmningen av infalling gas av stjärnbelysning och supernovor. Genom att noggrant ställa in parametrarna kunde forskarna bättre matcha det förutsagda Tully-Fisher-förhållandet. Beräkningens nyckel är att den förutsagda rotationshastigheten inkluderar ett realistiskt värde för förhållandet mellan baryoner och mörk materia i galaxen.
Den nya beräkningen är ett viktigt ytterligare steg i valideringen av mörkmaterialsmodellen. Men det är inte det sista ordet. Varje framgångsrik teori bör överensstämma med alla mätningar. Underlåtenhet att komma överens innebär att antingen teorin eller uppgifterna är felaktiga eller åtminstone ofullständiga. Några avvikelser mellan förutsägelse och mätning finns fortfarande kvar (som antalet små satellitgalaxer runt stora), men det här nya dokumentet ger oss förtroende för att framtida arbete kommer att lösa dessa återstående avvikelser. Mörk materia förblir en kraftfullt förutsägbar teori för universums struktur. Den är inte fullständig och den behöver valideras genom att upptäcka den faktiska mörkmaterialpartikeln. Så det finns fortfarande arbete att göra. Men denna senaste beräkning är ett viktigt steg mot dagen där vi kommer att veta en gång för alla om universum verkligen domineras av den mörka sidan.
