สสารมืดเป็นของจริงหรือ

Don Lincoln เป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสที่ Fermilab ของกระทรวงพลังงานสหรัฐซึ่งเป็นสถาบันวิจัย Large Hadron Collider ที่ใหญ่ที่สุดของอเมริกา นอกจากนี้เขายังเขียนเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์สำหรับสาธารณชนรวมถึงเรื่องล่าสุด "The Had Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณไม่พอใจ" (Johns Hopkins University Press, 2014) คุณสามารถติดตามเขาบน Facebook ลินคอล์นมีส่วนร่วมในบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Live Science: Op-Ed & Insights

ผู้คนที่มีความรู้ทางวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าเอกภพไม่เพียง แต่ถูกสร้างขึ้นจากกาแลคซีที่มีมูลค่าหลายพันล้านของคาร์ลเซแกนเท่านั้น แต่ยังเป็นวัตถุที่มองไม่เห็นที่เรียกว่าสสารมืดอีกด้วย เรื่องแปลกนี้คิดว่าเป็นอนุภาคย่อยแบบใหม่ที่ไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับแม่เหล็กไฟฟ้าหรือพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ สสารมืดนั้นควรจะมีอยู่ทั่วไปในจักรวาลถึงห้าเท่ากว่าเรื่องปกติของอะตอม

อย่างไรก็ตามความจริงก็คือการมีอยู่ของสสารมืดยังไม่ได้รับการพิสูจน์ สสารมืดยังคงเป็นสมมติฐานแม้ว่าจะเป็นสิ่งที่ได้รับการสนับสนุนค่อนข้างดี ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ใด ๆ จะต้องทำการคาดคะเนและถ้ามันถูกต้องการวัดที่คุณทำควรสอดคล้องกับการทำนาย สิ่งเดียวกันนี้ก็เพื่อสสารมืด ยกตัวอย่างเช่นทฤษฎีสสารมืดทำการทำนายว่ากาแลคซีหมุนเร็วแค่ไหน แต่จนถึงขณะนี้การตรวจวัดที่ทำจากการกระจายสสารมืดอย่างละเอียดที่ใจกลางกาแลคซีมวลต่ำไม่ได้สอดคล้องกับการทำนายเหล่านั้น

การคำนวณล่าสุดได้เปลี่ยนไป การคำนวณช่วยแก้ไขปริศนาของความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์ซึ่งเปรียบเทียบสสารที่มองเห็นได้หรือสามัญของกาแลคซีกับความเร็วในการหมุน ในแง่ง่ายมากนักวิทยาศาสตร์ได้พบว่ายิ่งกาแลคซีเกลียวขนาดใหญ่ยิ่งขึ้น (ยิ่งสว่างขึ้น) ยิ่งหมุนเร็วเท่าไหร่

แต่ถ้าสสารมืดมีอยู่จริงกาแลคซีใหญ่นั้นควรถูกกำหนดไม่เพียง แต่จากสสารที่มองเห็นได้ แต่โดยสสารมืดด้วย ด้วยสมการชิ้นใหญ่ - ปริมาณสสารมืด - หายไปความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์ไม่ควรถือ และถึงกระนั้นก็ตาม มันยากที่จะจินตนาการถึงวิธีใด ๆ ที่จะคืนดีความสัมพันธ์นี้กับทฤษฎีสสารมืดที่มีอยู่ จนถึงตอนนี้.

ต้นกำเนิดสสารมืด

นักเขียนชาวดัตช์คนแรกที่อาจมีความต้องการสสารมืดในปี 1932 นักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ Jan Oort ทำการตรวจสอบความเร็วการโคจรของดาวในทางช้างเผือกและพบว่าพวกมันเคลื่อนที่เร็วเกินไปที่จะอธิบายได้โดยมวลกาแลคซีที่สังเกต

ดาวโคจรรอบกาแลคซีต้นกำเนิดของมันในเส้นทางเกือบเป็นวงกลมและแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ยึดดาวไว้ในวงโคจรเหล่านั้น สมการของนิวตันทำนายว่าแรงที่ทำให้ดาวเคลื่อนที่ในเส้นทางวงกลมคือวงกลม F (วงกลม) ควรเท่ากับแรงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงบนดาว F (แรงโน้มถ่วง) มิฉะนั้นดาวจะลอยไปในอวกาศหรือตกลงไป ศูนย์กลางของกาแลคซี สำหรับผู้ที่จำฟิสิกส์ของโรงเรียนมัธยม F (หนังสือเวียน) เป็นคำแถลงความเฉื่อยและเป็นเพียง F = ma ของนิวตัน F (แรงโน้มถ่วง) เป็นกฎแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตัน

รูบินและฟอร์ดใกล้กับใจกลางกาแลคซีพบว่า F (วงกลม) ใกล้เคียงกับ F (แรงโน้มถ่วง) ตามที่คาดไว้ แต่ไกลจากศูนย์กลางของกาแลคซีสมการทั้งสองด้านนั้นไม่ตรงกัน ในขณะที่รายละเอียดแตกต่างกันไปกาแลคซีกาแล็คซี่การสังเกตของพวกเขาเป็นสากล

ความคลาดเคลื่อนที่น่าทึ่งเช่นนี้ต้องการคำอธิบาย รูบินและฟอร์ดอยู่ใกล้ศูนย์กลางของกาแลคซีหมายความว่าทฤษฎีนี้ทำงานอยู่ในขณะที่ความคลาดเคลื่อนของระยะทางในวงโคจรที่กว้างขึ้นหมายความว่ามีบางสิ่งเกิดขึ้นที่ทฤษฎีที่มีอยู่ไม่สามารถอธิบายได้ ข้อมูลเชิงลึกของพวกเขาเปิดเผยว่าเราไม่เข้าใจว่าแรงเฉื่อยทำงานอย่างไร (เช่น F (วงกลม)) หรือเราไม่เข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไร (เช่น F (แรงโน้มถ่วง)) ความเป็นไปได้ที่สามคือเครื่องหมายเท่ากับไม่ถูกต้องซึ่งหมายความว่ามีแรงอื่นหรือผลกระทบที่สมการไม่รวม นั่นเป็นเพียงความเป็นไปได้เท่านั้น

อธิบายความแตกต่าง

ใน 40 ปีนับตั้งแต่งานต้นฉบับของรูบินและฟอร์ดนักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบทฤษฎีมากมายเพื่อพยายามอธิบายความคลาดเคลื่อนการหมุนของกาแลคซีที่พบ นักฟิสิกส์ Mordehai Milgrom เสนอการดัดแปลงความเฉื่อยที่เรียกว่า "การเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกของนิวตัน" หรือ MOND ในรูปแบบเริ่มต้นมันตั้งสมมติฐานว่าการเร่งความเร็วต่ำมากสมการของนิวตัน F = ma ไม่ทำงาน

นักฟิสิกส์คนอื่น ๆ ได้แนะนำการปรับเปลี่ยนกฎของแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ไม่ได้ช่วยที่นี่เพราะในการทำนายอาณาจักรของ Einstein และ Newton นั้นเหมือนกัน และทฤษฎีของแรงโน้มถ่วงควอนตัมซึ่งพยายามอธิบายแรงโน้มถ่วงด้วยอนุภาคของอะตอมไม่สามารถอธิบายได้ด้วยเหตุผลเดียวกัน อย่างไรก็ตามมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ทำให้การคาดการณ์เกี่ยวกับกาแลคซีหรือสเกล extragalactic ที่แตกต่างจากแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ดังนั้นตัวเลือกเหล่านั้นคือ

จากนั้นมีการคาดการณ์ว่ามีกองกำลังใหม่อยู่ ความคิดเหล่านี้รวมตัวกันภายใต้ชื่อ "พลังที่ห้า" หมายถึงพลังที่เกินกว่าแรงโน้มถ่วงแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอ

ในที่สุดก็มีทฤษฎีสสารมืด: สสารชนิดหนึ่งที่ไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับแสงเลย แต่มีแรงโน้มถ่วงดึงออกมาแทรกซึมเข้าไปในจักรวาล

การหมุนกาแลคซีเป็นการวัดข้อมูลที่เรามีเพียงอย่างเดียวอาจเป็นการยากที่จะเลือกระหว่างทฤษฎีต่าง ๆ เหล่านี้ ท้ายที่สุดอาจปรับแต่งแต่ละทฤษฎีเพื่อแก้ปัญหาการหมุนกาแลคซี แต่ขณะนี้มีการสังเกตปรากฏการณ์ต่าง ๆ มากมายที่สามารถช่วยระบุทฤษฎีที่น่าเชื่อถือที่สุดได้

หนึ่งคือความเร็วของกาแลคซีภายในกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ กาแลคซีเคลื่อนที่เร็วเกินไปสำหรับกลุ่มที่จะเกาะติดกัน การสังเกตอีกอย่างคือแสงจากกาแลคซีไกลโพ้นมาก การสำรวจกาแลคซีโบราณที่ห่างไกลเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแสงของพวกมันบิดเบี้ยวโดยผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของกระจุกกาแลคซีที่อยู่ใกล้เคียงมากขึ้น นอกจากนี้ยังมีการศึกษาเรื่องความไม่สม่ำเสมอของพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลซึ่งเป็นกำเนิดของเอกภพ การวัดทั้งหมดเหล่านี้ (และอีกมากมาย) ต้องได้รับการกล่าวถึงด้วยทฤษฎีใหม่ใด ๆ เพื่ออธิบายความเร็วการหมุนของกาแลคซี

คำถามที่ไม่ได้รับคำตอบของสสารมืด

ทฤษฎีสสารมืดได้ทำงานที่สมเหตุสมผลในการทำนายการวัดเหล่านี้จำนวนมากซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมันจึงเป็นที่เคารพในชุมชนวิทยาศาสตร์ แต่สสารมืดยังคงเป็นแบบจำลองที่ไม่ได้รับการยืนยัน หลักฐานการมีอยู่ทั้งหมดของมันคือทางอ้อม หากมีสสารมืดอยู่เราควรสังเกตปฏิกิริยาโดยตรงของสสารมืดเมื่อมันเคลื่อนผ่านโลกและเราอาจสร้างสสารมืดในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เช่น Large Hadron Collider และยังไม่มีวิธีการใดที่ประสบความสำเร็จ

นอกจากนี้สสารมืดควรเห็นด้วยกับทุกคนไม่ใช่แค่การสำรวจทางดาราศาสตร์ แม้ว่าสสารมืดเป็นแบบจำลองที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จอย่างสมบูรณ์ แบบจำลองสสารมืดทำนายกาแลคซีดาวเทียมแคระที่อยู่รอบกาแลคซีใหญ่เช่นทางช้างเผือกมากกว่าที่ตรวจพบได้จริง แม้ว่าจะพบกาแลคซีแคระมากขึ้น แต่ก็ยังมีน้อยเกินไปเมื่อเทียบกับการทำนายของสสารมืด

อีกคำถามที่เปิดกว้างคือสสารมืดมีผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างของกาแลคซีและความเร็วในการหมุนอย่างไร ความสัมพันธ์นี้ซึ่งถูกนำเสนอครั้งแรกในปี 1977 เรียกว่าความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์และมันแสดงให้เห็นหลายครั้งว่ามวลที่มองเห็นได้ของกาแลคซีสัมพันธ์กับความเร็วในการหมุนของมัน

ความท้าทายที่ยากสำหรับสสารมืด

ดังนั้นมันจึงจบเรื่องราวด้านหลัง อะไรใหม่?

ความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์เป็นความท้าทายที่ยากสำหรับโมเดลสสารมืด การหมุนของกาแลคซีขึ้นอยู่กับปริมาณสสารทั้งหมดที่อยู่ในนั้น หากสสารมืดมีอยู่จริงปริมาณของสสารทั้งหมดคือผลรวมของสสารธรรมดาและสสารมืด

แต่ทฤษฎีสสารมืดที่มีอยู่ทำนายว่ากาแลคซีแบบสุ่มใด ๆ อาจมีเศษสสารมืดที่ใหญ่กว่าหรือเล็กกว่า ดังนั้นเมื่อมีคนทำการวัดมวลที่มองเห็นได้คุณอาจจะพลาดก้อนมวลขนาดใหญ่ทั้งหมด เป็นผลให้มวลที่มองเห็นได้ควรเป็นตัวทำนายที่แย่มากของมวลรวม (และความเร็วในการหมุน) ของกาแลคซี มวลของกาแลคซีอาจคล้ายกับมวล (ธรรมดา) ที่มองเห็นหรืออาจมีขนาดใหญ่กว่ามาก

ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่จะคาดหวังว่ามวลที่มองเห็นควรเป็นตัวทำนายที่ดีเกี่ยวกับความเร็วในการหมุนของกาแลคซี แต่มันเป็น

ในความเป็นจริงในกระดาษที่เผยแพร่ในปีนี้ผู้คลาดเคลื่อนสสารมืดใช้การวัดความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์สำหรับกาแลคซีหลายแห่งเพื่อโต้แย้งกับสมมติฐานสสารมืดและสำหรับแรงเฉื่อยรุ่นที่แก้ไขเช่น MOND

เหมาะสำหรับสสารมืด

อย่างไรก็ตามในกระดาษเผยแพร่ในเดือนมิถุนายนนักวิทยาศาสตร์ได้ให้แบบจำลองสสารมืดเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ งานใหม่ไม่เพียง แต่สร้างความสำเร็จจากการทำนายแบบจำลองสสารมืดก่อนหน้านี้ แต่ยังสร้างความสัมพันธ์ทัลลี - ฟิชเชอร์อีกด้วย

กระดาษใหม่เป็นรูปแบบ "กึ่งวิเคราะห์" ซึ่งหมายความว่ามันเป็นการรวมกันของสมการวิเคราะห์และการจำลอง มันจำลองการรวมตัวกันของสสารมืดในเอกภพยุคแรก ๆ ที่อาจมีการก่อตัวของกาแลคซี แต่รวมถึงการมีปฏิสัมพันธ์ของสสารทั่วไปรวมถึงสิ่งต่าง ๆ เช่น infall ของสสารสามัญเข้าสู่วัตถุท้องฟ้าอื่นเนื่องจากแรงดึงดูด ของก๊าซที่ตกกระทบด้วยแสงดาวและซุปเปอร์โนวา โดยการปรับพารามิเตอร์อย่างระมัดระวังนักวิจัยสามารถจับคู่ความสัมพันธ์ทัลลีฟิชเชอร์ที่คาดการณ์ไว้ได้ดีขึ้น กุญแจของการคำนวณคือความเร็วในการหมุนที่ทำนายไว้นั้นมีค่าจริงสำหรับอัตราส่วนของแบริออนต่อสสารมืดในกาแลคซี

การคำนวณใหม่เป็นขั้นตอนเพิ่มเติมที่สำคัญในการตรวจสอบแบบจำลองสสารมืด อย่างไรก็ตามมันไม่ใช่คำสุดท้าย ทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จควรเห็นด้วยกับการวัดทั้งหมด ความล้มเหลวในการยอมรับหมายความว่าทั้งทฤษฎีหรือข้อมูลไม่ถูกต้องหรืออย่างน้อยก็ไม่สมบูรณ์ ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างการทำนายและการวัดยังคงอยู่ (เช่นจำนวนกาแลคซีดาวเทียมขนาดเล็กรอบ ๆ ที่ใหญ่) แต่รายงานฉบับใหม่นี้ทำให้เรามั่นใจว่างานในอนาคตจะแก้ไขความคลาดเคลื่อนที่เหลืออยู่เหล่านี้ สสารมืดยังคงเป็นทฤษฎีที่ทรงพลังในการทำนายโครงสร้างของจักรวาล มันไม่สมบูรณ์และต้องการการตรวจสอบโดยการค้นพบอนุภาคสสารมืดจริง ดังนั้นยังคงมีงานที่ต้องทำ แต่การคำนวณล่าสุดนี้เป็นขั้นตอนสำคัญต่อวันที่เราจะรู้ทันทีและสำหรับทุกคนถ้าจักรวาลถูกครอบงำโดยด้านมืด