Don Lincoln adalah seorang saintis kanan di Fermilab Jabatan Tenaga A.S., sebuah institusi penyelidikan besar Hadron Collider terbesar di Amerika. Beliau juga menulis tentang sains untuk orang ramai, termasuk "The Hadron Collider Besar: Kisah Luar Biasa Higgs Boson dan Perkara-Perkara Lain yang Akan Meniup Pikiran Anda" (Johns Hopkins University Press, 2014). Anda boleh mengikutinya di Facebook. Lincoln menyumbangkan artikel ini kepada Suara Pakar Live Science: Op-Ed & Insights.
Ramai orang sains sains menganggap bahawa alam semesta itu bukan sahaja dibuat daripada Carl Sagan yang sering disebut "berbilion-bilion dan berbilion" galaksi, tetapi juga sejumlah besar bahan yang tidak kelihatan yang disebut perkara gelap. Perkara ganjil ini dianggap sebagai sejenis zarah subatom baru yang tidak berinteraksi melalui elektromagnetisme, atau kekuatan nuklear yang kuat dan lemah. Matematik juga sepatutnya menjadi lima kali lebih besar di alam semesta daripada perkara biasa atom.
Walau bagaimanapun, realiti ialah kewujudan materi gelap belum dibuktikan. Matlamat gelap masih merupakan hipotesis, walaupun ia agak disokong. Mana-mana teori saintifik perlu membuat ramalan, dan jika betul, maka ukuran yang anda lakukan harus selaras dengan ramalan. Perkara yang sama berlaku untuk perkara gelap. Sebagai contoh, teori perkara gelap membuat ramalan untuk seberapa pantas galaxies berputar. Tetapi, sehingga kini pengukuran yang dibuat dari pengedaran bahan gelap terperinci di pusat galaksi massa yang rendah tidak selaras dengan ramalan tersebut.
Pengiraan baru-baru ini telah mengubahnya. Pengiraan membantu menyelesaikan konvolusi hubungan Tully-Fisher, yang membandingkan galaksi yang kelihatan, atau biasa, dengan halaju putarannya. Dalam istilah yang sangat mudah, ahli sains mendapati bahawa lebih besar (dan oleh itu lebih cerah) galaksi spiral adalah, semakin pantas ia berputar.
Tetapi jika perkara gelap wujud, bagaimana "besar" galaksi harus ditentukan bukan hanya oleh benda yang kelihatannya, tetapi juga oleh benda gelapnya. Dengan sekeping besar persamaan - jumlah bahan gelap - hilang, hubungan Tully-Fisher tidak boleh dipegang. Tetapi ia berlaku. Sukar untuk membayangkan cara untuk mendamaikan hubungan ini dengan teori perkara gelap yang ada. Sehingga kini.
Asal usul gelap
Tulisan pertama yang mungkin memerlukan sesuatu seperti perkara gelap kembali ke tahun 1932. Ahli astronomi Belanda Jan Oort mengukur kelajuan orbit bintang-bintang dalam Bima Sakti dan mendapati mereka bergerak terlalu cepat untuk diterangkan oleh massa galaksi yang diamati.
Bintang mengorbit galaksi induk mereka dalam laluan hampir bulat dan graviti adalah daya yang memegang bintang di orbit tersebut. Persamaan Newton meramalkan bahawa daya yang menjadikan bintang-bintang bergerak di jalan bulat, F (bulat), sepadan dengan kekuatan akibat graviti pada bintang, F (graviti), atau bintang akan terbang ke ruang angkasa atau jatuh ke pusat galaksi. Bagi mereka yang ingat fizik sekolah menengah, F (pekeliling) adalah pernyataan inersia dan hanya Newton's F = ma. F (graviti) adalah hukum graviti universal Newton.
Berhampiran pusat galaksi, Rubin dan Ford mendapati bahawa F (bulat) hampir sama dengan F (graviti), seperti yang dijangkakan. Tetapi jauh dari pusat galaksi, kedua-dua belah persamaan itu tidak sepadan dengan sangat baik. Walaupun butiran bervariasi dari galaksi-ke-galaksi, pemerhatian mereka pada asasnya universal.
Percanggahan dramatik seperti ini memerlukan penjelasan. Berhampiran pusat galaksi, pengukuran Rubin dan Ford bermakna teori itu berfungsi, sementara perbezaan di jarak orbital yang lebih besar bermakna sesuatu sedang berlaku yang teori tidak dapat dijelaskan. Wawasan mereka mendedahkan sama ada kita tidak faham bagaimana keracunan berfungsi (mis., F (pekeliling)), atau kita tidak faham bagaimana graviti berfungsi (mis., F (graviti)). Kemungkinan ketiga adalah bahawa tanda yang sama adalah salah, yang bermaksud terdapat kekuatan atau kesan lain yang persamaan tidak termasuk. Mereka adalah satu-satunya kemungkinan.
Menjelaskan perbezaannya
Dalam 40 tahun sejak karya asal Rubin dan Ford, para saintis telah menguji banyak teori untuk cuba menerangkan kekurangan giliran galaksi yang mereka dapati. Ahli fizikal Mordehai Milgrom mencadangkan pengubahsuaian inersia, yang dinamakan "dinamik Newtonian diubahsuai," atau MOND. Dalam bentuk awalnya, ia memperlihatkan bahawa pada pecutan sangat rendah, persamaan Newton F = ma tidak berfungsi.
Ahli fizik lain telah mencadangkan pengubahsuaian undang-undang graviti. Relativiti umum Einstein tidak membantu di sini kerana, dalam alam ini, ramalan Einstein dan Newton pada dasarnya sama. Dan teori graviti kuantum, yang cuba menggambarkan graviti menggunakan zarah subatomik, tidak boleh dijelaskan dengan sebab yang sama. Walau bagaimanapun, terdapat teori-teori graviti yang membuat ramalan pada skala galaksi atau extragalactic yang berbeza dari graviti Newtonian. Jadi, mereka adalah pilihan.
Kemudian ada ramalan bahawa kekuatan baru wujud. Idea ini bertumpu bersama dengan nama "daya kelima", yang menyiratkan daya di luar graviti, elektromagnetisme dan daya nuklear yang kuat dan lemah.
Akhirnya, terdapat teori perkara gelap: Bahawa jenis perkara yang tidak berinteraksi dengan cahaya sama sekali, namun menghasilkan tarikan graviti, meresap alam semesta.
Jika ukuran putaran galaksi hanya satu-satunya data yang kita ada, mungkin sukar untuk memilih antara teori-teori yang berbeza ini. Lagipun, mungkin untuk mengubah setiap teori untuk menyelesaikan masalah putaran galaksi. Tetapi kini terdapat banyak pemerhatian banyak fenomena yang berbeza yang boleh membantu mengenal pasti teori yang paling munasabah.
Satu adalah kelajuan galaksi dalam kumpulan besar galaksi. Galaksi bergerak terlalu cepat untuk kelompok supaya tetap terikat. Satu lagi pemerhatian adalah cahaya dari galaksi yang sangat jauh. Pemerhatian galaksi-galaksi kuno yang sangat jauh ini menunjukkan bahawa cahaya mereka diputarbelitkan dengan melewati medan graviti dari kelompok galaksi yang lebih dekat. Terdapat juga kajian tentang keserupaan kecil dari latar gelombang mikro kosmik yang merupakan kelahiran alam semesta. Semua ukuran (dan banyak lagi) ini juga mesti ditangani oleh mana-mana teori baru untuk menerangkan kelajuan giliran galaksi.
Soalan yang tidak terjawab perkara gelap
Teori materi gelap telah melakukan pekerjaan yang munasabah untuk meramalkan banyak ukuran ini, oleh sebab itu ia dihormati dalam masyarakat saintifik. Tetapi perkara gelap masih merupakan model yang belum disahkan. Semua bukti kewujudannya setakat ini tidak langsung. Sekiranya terdapat bahan gelap, kita harus dapat melihat secara langsung interaksi bahan gelap ketika melintasi Bumi dan kita mungkin dapat membuat bahan gelap dalam pemecut zarah besar, seperti Collider Large Hadron. Namun pendekatan tidak berjaya.
Di samping itu, perkara gelap sepatutnya bersetuju dengan semua, bukan sahaja banyak, pemerhatian astronomi. Walaupun materi gelap adalah model paling berjaya setakat ini, ia tidak berjaya sepenuhnya. Model perkara gelap meramalkan lebih banyak galaksi satelit kurcaci mengelilingi galaksi besar seperti Bima Sakti daripada yang sebenarnya dikesan. Walaupun lebih banyak galaksi kerdil ditemui, masih banyak lagi berbanding ramalan perkara gelap.
Satu lagi soalan yang terbuka ialah bagaimana masalah gelap mempengaruhi hubungan antara kecerahan galaksi dan kelajuan putaran mereka. Hubungan ini, yang mula-mula dibentangkan pada tahun 1977, dipanggil hubungan Tully-Fisher, dan ia telah menunjukkan beberapa kali bahawa massa galaksi yang kelihatan berkorelasi baik dengan kelajuan putarannya.
Cabaran sukar untuk perkara gelap
Jadi, itu berakhir cerita belakang. Apa yang baru?
Hubungan Tully-Fisher merupakan cabaran yang sukar untuk model perkara gelap. Putaran galaksi dikawal oleh jumlah bahan yang terkandung di dalamnya. Jika perkara gelap benar-benar wujud, maka jumlah perkara adalah jumlah kedua-dua perkara biasa dan gelap.
Tetapi teori perkara gelap yang ada meramalkan bahawa sebarang galaksi rawak mungkin mengandungi pecahan yang lebih besar atau lebih kecil dari benda gelap. Oleh itu, apabila seseorang mengukur jisim yang kelihatan, anda berpotensi kehilangan sebahagian besar jisim. Akibatnya, jisim yang kelihatan harus menjadi prediktor yang sangat miskin dari jumlah jisim (dan dengan itu kelajuan putaran) galaksi. Jisim galaksi mungkin sama dengan jisim yang kelihatan (biasa) atau ia boleh menjadi lebih besar.
Oleh itu, tidak ada sebab untuk menjangkakan bahawa jisim yang kelihatan harus menjadi ramalan yang baik dari kelajuan putaran galaksi. Namun begitu.
Malah, dalam kertas yang dikeluarkan tahun ini, skeptik perkara gelap menggunakan pengukuran hubungan Tully-Fisher untuk pelbagai galaksi untuk menentang hipotesis gelap dan untuk versi inersia yang diubah suai, seperti MOND.
Lebih baik untuk perkara gelap
Walau bagaimanapun, dalam satu kertas yang dikeluarkan pada bulan Jun, saintis telah memberikan model perkara gelap rangsangan yang ketara. Bukan sahaja kerja baru membangkitkan kejayaan ramalan terdahulu model masalah gelap, ia juga menghasilkan semula hubungan Tully-Fisher.
Kertas baru adalah model "semi-analitik", yang bermaksud bahawa ia adalah gabungan persamaan analitik dan simulasi. Ia menyerupai pengikatan bahan gelap di alam semesta awal yang mungkin telah membina pembentukan galaksi tetapi juga termasuk interaksi perkara biasa, termasuk perkara-perkara seperti perkara biasa ke dalam benda angkasa lain kerana tarikan graviti, pembentukan bintang dan pemanasan gas yang menyedihkan oleh cahaya bintang dan supernovas. Dengan berhati-hati menyesuaikan parameter, para penyelidik lebih mampu memadankan hubungan yang diperkirakan Tully-Fisher. Kunci pengiraan ialah halaju putaran yang diramalkan termasuk nilai realistik untuk nisbah baryon kepada benda gelap di galaksi.
Pengiraan baru adalah langkah tambahan yang penting dalam mengesahkan model perkara gelap. Walau bagaimanapun, ia bukan perkataan terakhir. Mana-mana teori yang berjaya sepatutnya bersetuju dengan semua pengukuran. Kegagalan untuk bersetuju bermaksud sama ada teori atau data salah, atau sekurang-kurangnya tidak lengkap. Beberapa percanggahan antara ramalan dan pengukuran masih kekal (seperti bilangan galaksi satelit kecil di sekitar yang besar), tetapi kertas baru ini memberi kami keyakinan bahawa kerja masa depan akan menyelesaikan kesilapan-kesilapan ini. Matlamat gelap tetap menjadi teori ramalan yang kuat untuk struktur alam semesta. Ia tidak lengkap dan ia memerlukan pengesahan dengan menemui zarah perkara gelap yang sebenarnya. Jadi, masih ada kerja yang masih perlu dilakukan. Tetapi pengiraan terbaru ini adalah satu langkah penting ke arah hari dimana kita akan tahu sekali dan untuk semua jika alam semesta benar-benar dikuasai oleh sisi gelap.
