A sötét anyagot még soha nem sikerült közvetlenül kimutatni, de a létezésére vonatkozó csillagászati bizonyítékok elsöprőek. Vegyük át gyorsan a kötelező dolgokat, amiket tudnod kell!
Nemrégiben egy másik fizikus szövegben és videóban - miközben a szakterület egy hihetetlenül ellentmondásos ellenzéki vezetőjét követte - azt sugallta, hogy a sötét anyaggal kapcsolatos helyzet megváltozott, és a módosított gravitáció most már egyenlő figyelmet érdemel. Még nemrégiben egy másik neves fizikus is hasonlóan kétes érveket fogalmazott meg a sötét anyag nem létezése mellett. Hacsak nem a kozmikus bizonyítékok többségének figyelmen kívül hagyásával foglalkozunk, ez azonban egyszerűen nem így van. Íme öt igazság, amelyek ismeretében átláthatsz a hamis egyenértékűségeken, amelyeket azok állítanak, akiknek indokolatlan kétségeik akadnak a kozmológia egyik legnagyobb rejtélyével kapcsolatban.
Az Univerzumban lévő normál anyag teljes mennyisége egyértelműen ismert
Az Univerzumban lévő normál anyag teljes mennyisége egyértelműen ismert: a kritikus sűrűség 4,9%-a, és ennek az értéknek a bizonytalansága mindössze ±0,1%. A legfontosabb megfigyelési korlátozás a könnyű elemek: hidrogén, deutérium, hélium-3, hélium-4 és lítium-7 megfigyelt gyakorisága. A forró ősrobbanás első ~4 perce alatt ezek a könnyű elemek a korai Univerzum magtüzében keletkeztek. Az egyes elemek mennyisége nagymértékben függ attól, hogy mennyi normális anyag volt összesen azokban a korai pillanatokban. Ma ezeket a mennyiségeket közvetlenül, a gázfelhők spektroszkópiai méréseivel mérjük, de közvetve is: a kozmikus mikrohullámú háttér részletes megfigyeléseivel.
Mindkét típusú mérés ugyanazt a képet mutatja: az Univerzum energiájának 4,9% ± 0,1%-a normál anyag formájában van jelen. Ez túl gyors ahhoz, hogy fekete lyukak alakuljanak ki, így azok kiesnek. Az ősrobbanás nukleoszintézise a neutrínóktól függ, és csak három típus - az elektron, a müon és a tau - megengedett, és ezek sem lehetnek a sötét anyag. Az általunk megállapított normálanyag mennyiségét tekintve egy új típusú alapvető összetevőnek kell léteznie ahhoz, hogy összhangban legyen a kozmológiai megfigyeléseinkkel. Ezt az összetevőt "sötét anyagnak" nevezzük, és léteznie kell.
Sötét anyag nélkül nem lehet megmagyarázni sem a kozmikus mikrohullámú hátteret, sem az Univerzum nagyléptékű szerkezetét
A sötét anyag és a normál anyag egyaránt gravitál. Mindkettő a sugárzási nyomás növekedéséhez vezet, és ez a sugárzás kiáramlik egy túlsűrűsödött régióból, akár normál anyagból, akár sötét anyagból, akár mindkettőből áll. De a normál anyag ütközik más normál anyagokkal, és kölcsönhatásba lép a fotonokkal, míg a sötét anyag mindezek számára láthatatlan. Ennek eredményeként egy sötét anyaggal rendelkező Univerzumban kétszer annyi ingadozási csúcs és völgy található mind a kozmikus mikrohullámú háttér spektrumában, mind a nagyléptékű struktúra teljesítményspektrumában, mint egy olyan Univerzumban, amelyben csak normál anyag van.
Határozottan és egyértelműen sötét anyagra van szükség. Konkrétan, ennek a sötét anyagnak hidegnek, ütközésmentesnek és az elektromágneses sugárzás számára láthatatlannak kell lennie: nem lehet normál anyag. Ha feljebb akarod tekerni a szkepticizmus-mérő tárcsáját, tartsd nyitva a szemed az olyan ellenpólusú tanulmányoknál, amelyek sötét anyag nélkül próbálják megmagyarázni akár a kozmikus mikrohullámú hátteret, akár az anyag teljesítményspektrumát.
A sötét anyag részecskeként viselkedik, és ez alapvetően különleges ahhoz képest, ami mezőként viselkedik
A sötét anyag minden olyan tulajdonsága miatt, amelyre csak az asztrofizikai megfigyelésekből lehet következtetni - arra a következtetésre jutott a kutatók többsége, hogy a sötét anyag részecske-szerű természetű. Ez nem jelenti azt, hogy nem lehet nyomás nélküli folyadék, egyfajta rögös por, vagy hogy a keresztmetszete a gravitációs kölcsönhatáson kívül minden kölcsönhatás esetén nulla. Ez azt jelenti, hogy ha megpróbáljuk a sötét anyagot egy mezővel helyettesíteni, akkor ennek a mezőnek olyan módon kell viselkednie, amely asztrofizikai szempontból nem különböztethető meg egy nagy halmaz tömegű részecskék viselkedésétől.
A sötét anyagnak nem kell részecskének lennie, de ha azt mondjuk, hogy ugyanolyan könnyen lehet mező, mint részecske, azzal elhallgatjuk a nagy igazságot: a sötét anyag pontosan úgy viselkedik, ahogyan azt egy új, hideg, masszív, nem szóró részecskékből álló populációtól várnánk. Különösen nagy kozmikus léptékeken, azaz a galaxishalmazok (kb. ~10-20 millió fényév) és annál nagyobb léptékeken ezt a részecske-szerű viselkedést csak olyan mezővel lehet helyettesíteni, amely megkülönböztethetetlenül úgy viselkedik, mint ahogy a részecskés sötét anyag viselkedne.
Nagyon valós kis léptékű fizikai hatásokat, valamint nemlineáris hatásokat kell kidolgozni
A sötét anyaggal kapcsolatos problémák szinte kizárólag kis kozmikus léptékeken jelentkeznek: nagy, egyedi galaxisok és kisebb galaxisok léptékén. Igaz, a gravitáció bizonyos módosításai jobban megfelelnek a megfigyeléseknek ezeken a skálákon. De van itt egy piszkos titok: ezeken a kis léptékeken olyan zűrös fizika van, amelyről mindenki egyetért abban, hogy nem vették megfelelően figyelembe. Amíg ezeket nem tudjuk megfelelően figyelembe venni, addig nem tudjuk, hogy a módosított gravitációt vagy a sötét anyag megközelítést sikernek vagy kudarcnak nevezzük.
Ez kemény munka. Amikor az anyag egy masszív objektum középpontjába omlik össze, akkor:
- elveszíti a szögimpulzusát,
- felmelegszik,
- csillagkeletkezést indíthat el,
- ami ionizáló sugárzáshoz vezet,
- ami a középpontból kifelé nyomja a normál anyagot,
- ami gravitációsan felmelegíti a sötét anyagot a középpontban,
- és persze mindezt ki kell számolni.
Ráadásul eddig csak a legegyszerűbb sötétanyag-forgatókönyvet vettük figyelembe: tisztán hideg és ütközésmentes, külső kölcsönhatások és önkölcsönhatások nélkül. Persze, a hideg, ütközésmentes sötét anyag hozzáadása mellett módosíthatnánk a gravitációt is, vagy feltehetnénk a kérdést: milyen kölcsönhatási tulajdonságokkal rendelkezhet a sötét anyag, amelyek az általunk megfigyelt kisméretű struktúrához vezetnek?. Ezek a megközelítések egyformán érvényesek, de mindkettőhöz sötét anyag létezése szükséges - akár sötét anyagnak nevezzük, akár nem -, és számolniuk kell ezekkel az ismert, valós hatásokkal.
A kozmológiai bizonyítékok teljes sorát meg kell magyaráznod, különben csak válogatsz
Lehet, hogy valóban szükségünk van egy új gravitációs törvényre, hogy megmagyarázzuk az Univerzumunkat, de ezt nem teheted meg úgy, hogy ne legyen szükség sötét anyagra is. Van néhány nagyon fontos pont, amit soha nem szabad elfelejteni, amikor a sötét anyag és a módosított gravitáció kérdéséről van szó kis és nagy léptékben egyaránt. Nagy léptékeken csak a gravitációs hatások számítanak, és ezek jelentik a legtisztább asztrofizikai laboratóriumot a kozmológiai fizika tesztelésére. Kisebb léptékeken a csillagok, a gáz, a sugárzás, a visszacsatolás és a normál anyag fizikájából eredő egyéb hatások óriási szerepet játszanak, és a szimulációk még mindig javulnak.
Még nem jutottunk el odáig, hogy a kis léptékű fizikát egyértelműen meg tudjuk csinálni, de a nagy léptékű fizika már régóta ott van, és döntően a sötét anyag felé mutat utat. A legkönnyebb módja annak, hogy becsapjuk magunkat, ha olyasmit teszünk, ami a helyes választ adja, anélkül, hogy figyelembe vennénk a teljes csomagot, aminek szerepelnie kell. Ha rossz okból kapod meg a helyes választ - különösen, ha ellenőrizheted, hogy a válasz helyes-e -, az a legbiztosabb módja annak, hogy meggyőzd magad arról, hogy valami nagy dologra jutottál, még akkor is, ha az egyetlen dolog, amit megragadtál, az a fontos fizika hatása, amit nem vettél figyelembe. Bár nem tudjuk, hogy a gravitációs törvényt módosítani kell-e, abban biztosak lehetünk, hogy ami az Univerzumunkban lévő anyagot illeti, annak körülbelül 85%-a valóban sötét.
(Forrás: BigThink)
