En af de ting, jeg elsker ved astronomi, er, hvordan den hurtigt ændrer sig og udvikler sig over tid. Hver dag er der nye opdagelser og fremskridt i teorier, der fører os gradvist fremad i vores forståelse af universet.
Et af de bedste eksempler på dette er mørkt stof; mystisk og usynlig, men en væsentlig del af universet og tegner sig for langt størstedelen af massen derude.
Det blev først teoretiseret for næsten 100 år siden, da astronomer undersøgte den samlede masse af fjerne galaksehobe og fandt ud af, at den synlige masse, vi kan se, kun må være en brøkdel af det samlede materiale i hobene. Når du lægger stjerner og gas sammen, bevæger og roterer galakser på måder, der indikerer, at der er en enorm glorie af usynligt stof omkring dem.
Nogle af de bedste beviser kom fra Vera Rubin og Kent Ford i 60'erne og 70'erne, da de målte rotationshastigheden af spiralgalakser på kanten. De vurderede, at der måtte være omkring 6 gange så meget mørkt stof som almindeligt stof.
Dette NASA Hubble-rumteleskopbillede viser fordelingen af mørkt stof i midten af den gigantiske galaksehob Abell 1689
Mørkt stof blev et alvorligt mysterium i astronomi, og mange iagttagere og teoretikere har brugt det sidste halve århundrede på at finde ud af, hvad det er.
Og mørkt stof har ikke let opgivet sine hemmeligheder. Oprindeligt troede astronomer, at det måske ikke var en usynlig masse, men en misforståelse af, hvordan tyngdekraften fungerer på de største skalaer.
Men i løbet af de sidste par årtier er der blevet udviklet teknikker, der bruger selve mørkt stofs tyngdekraft til at måle, hvordan det bøjer lys fra fjernere objekter. Astronomer ved ikke, hvad mørkt stof er, men de er i stand til at bruge det som et teleskop. Nu er det imponerende.
De har fundet fantastiske træk i mørket stof-nettet derude, enorme vægge og filamenter, der definerer de største skalastrukturer i universet. Klynger, hvor mørkt stof og dets gas er blevet adskilt fra hinanden.
Husk, vi er på forkant med dette mysterium, og du ser det udfolde sig i realtid. Om 25 år er jeg sikker på, at vi vil se tilbage på vores sære forsøg på at forstå mørkt stof.
Et af de mest interessante spørgsmål, jeg har lige nu, er: kunne der være galakser med mørkt stof? Fuldstændig usynlig for vores øjne, men i stand til at interagere gennem tyngdekraften?
Dark Matter Distribution i Supercluster Abell 901/902
I tider som denne kan jeg selvfølgelig godt lide at tage en ringetone ind. Nogen, der har dedikeret deres liv til at studere disse spørgsmål.
Og i dag har jeg med min Sarah Pearson, en kandidatstuderende i astronomi ved Columbia University og værten for ' Plads med Sarah ”. Sarah studerer dannelsen og vekselvirkningerne mellem dværggalakser, der omgiver Mælkevejen, for at forstå, hvordan galakser byggede sig op på de tidligste tidspunkter i universet og danner de store galakser, vi ser i dag.
Fraser:Sarah, velkommen til guiden til rummet.
Sarah:Hej Fraser, tak.
Fraser:Kan du tale lidt om, hvordan astronomer kortlægger fordelingen af mørkt stof i universet?
Sarah:Ja helt sikkert. Så det er et svært spørgsmål, som du lige har forklaret, vi ser ikke det mørke stof. Men en antagelse om det univers, vi lever i, er, at det lette stof eller baryonisk stof. For eksempel, hvad du, mig og stjerner består af, og også galakser, på en måde sporer ud, hvor det mørke stof befinder sig.
Så en antagelse er, at det lette stof følger det mørke stof. På den måde kan vi faktisk kortlægge til enorme afstande, ligesom galakser og galaksehobe er placeret i vores univers. Og vi forestiller os, at strukturen af mørkt stof ligner noget.
Simulering af mørkt stof. Billedkredit: NASA
Og også for nylig har meget storskala struktursimuleringer af vores eget univers adresseret dette ved på en måde at starte med en næsten ensartet fordeling af mørkt stof i det meget tidlige univers. Og det, de ser, er, når de lader universet udvikle sig med tiden, for eksempel, når universet udvider sig, har du sådan set disse mørke stofklumper, der dannes til galakser i alle disse filamenter, som du diskuterede.
Du kan på en måde spore placeringen af mørkt stof ved at forstå udvidelsen af rummet kontra tyngdekraften, der skaber de galakser, vi ser.
Fraser:Og jeg ved i observationerne, at du ser disse forskellige fordelinger af stof og mørkt stof, det er ikke den perfekte 1:6-radio, som jeg lige har nævnt før. Du ser faktisk sammenklumpning af mørkt stof, der nogle gange er adskilt fra almindeligt stof. Så kan du faktisk have hele galakser, der udelukkende er lavet af mørkt stof?
Sarah:Ja, det er et af de emner, jeg er super begejstret for. Jeg arbejder på nogle af disse galakser, der kun er mørkt stof, og den måde, du kan tænke på, er, at det mørke stof er næsten ensartet fordelt i det tidlige univers. Men noget af det er lidt tættere end andre dele, som kollapser ned i galakser. Og mange af disse galakser vil faktisk være meget mindre end Mælkevejen. Og fordi de er så små, har de svært ved faktisk at holde fast i sagen i dem.
En lys ung stjerne skinner Kredit: NASA/JPL-Caltech
Vi tror, at når stjernedannelsen tændes i disse galakser, kan du faktisk blæse meget af den gas ud, der kan skabe flere stjerner, men du vil ikke blæse det mørke stof ud. Det betyder, at du kan ende med disse små bitte galakser, der kun har mørkt stof. De har måske noget gas, men de er meget svære for os astronomer at finde.
Fraser:Tja, hvis de er mørkt stof, og det mørke stof er usynligt, hvordan finder vi dem så?
Sarah:Åh, godt spørgsmål. Så for eksempel, omkring vores egen galakse Mælkevejen, antages det i vores nuværende paradigme for kosmologi og den måde, vi tænker om universet på, at der faktisk burde være tusindvis af mørkt stofklumper, disse mørkstofgalakser, der på en måde kredser om vores egen galakse.
Kunstnerens indtryk af mørkt stof omkring Mælkevejen. (ESO/L. Calçada)
Nogle af disse kan blive ødelagt, når de passerer gennem den enorme Mælkevejsskive, det er en måde at ødelægge dem på. De mindre kan blive ødelagt bare af tidevandet, når de kredser rundt om galaksen. Vi forestiller os dog, at nogle af dem kan overleve. Faktisk kan de pløje gennem det, vi kalder stjernestrømme, som dannes, når en rigtig galakse falder ned i vores egen Mælkevej og strækkes ud i tidevand. Du burde være i stand til at se disse tæthedssignaturer i stjernestrømmen, og det kan indikere, hvilken type mørkt stof-halo, der pløjede gennem dem.
Fraser:Du antydede en måde, de kunne dannes. Du har disse stjerner, da de tidligt dannes og sprænger sig selv fra hinanden, og klumpen af mørkt stof ikke kan holde på dem, så den del er væk. Er det den vigtigste måde, disse kan dannes på, er der andre måder, du kan få disse mørke galakser på?
Sarah:En anden hypotese er, at hvis du har en AGN, en aktiv galaktisk kerner i en galakse fra et sort hul, kan du faktisk også på den måde blæse meget af gassen ud fra en galakse. Men det er stadig ikke rigtig klart for os astronomer, hvilken type galakser, og om små galakser ville have disse aktive galaktiske kerner.
Denne kunstners indtryk viser omgivelserne af det supermassive sorte hul i hjertet af den aktive galakse NGC 3783 i den sydlige konstellation Centaurus (Kentauren). Kredit: ESO/M. Kornmesser
Så den bedste teori lige nu er, at nogle af dem måske havde tiltrukket meget gas i starten, fordi de ikke havde meget tyngdekraft til at trække gassen ind. Men også fordi denne gas er fuldstændig tabt. Også fra stjerner, der eksploderer, faktisk, ikke kun fra stjerner, der tændte i starten.
Fraser:Og jeg ved, at astronomer og fysikere forsøger at søge efter mørkt stof i Large Hadron Collider, og forsøger at se, om de kan forstå den underliggende partikel. Giver den søgning, du arbejder på, os nogen fornemmelse af den underliggende natur af mørkt stof?
Sarah:Ja, også et godt spørgsmål, for for eksempel hvis mørkt stof er koldt. Det kolde mørkt stof-paradigme er meget populært lige nu. Hvilket siger, at mørkt stof kan være en meget massiv, svagt interagerende partikel. Når vi siger varmt eller koldt mørkt stof, henviser vi også til, hvor hurtigt det bevæger sig. Og afhængigt af hvilken slags partikel mørkt stof er, sætter den slags strukturen for det tidlige univers.
Så vi kan begynde at tælle, hvis vi har koldt mørkt stof, ville vi forvente at se en vis mængde af disse kolde mørke galakser, hvor den mængde ville være anderledes, hvis vi havde varmt mørkt stof.
Den internationale Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) har opdaget, hvad der kan være den partikel, der menes at udgøre mørkt stof i hele universet.
Fraser:Det er virkelig fedt, så de observationer, du gør, giver fysikerne en bedre idé om, hvad de skal lede efter i deres partikelacceleratorer, og de to sider kan arbejde sammen. Det er virkelig fantastisk.
Okay Sarah, placer dine væddemål. Hvad tror du er den mest sandsynlige kandidat til mørkt stof?
Sarah:Jeg synes stadig, det er et svært spørgsmål, og jeg er ikke sikker på, om partikelfysikerne endnu tror, vi hjælper dem. Vi nærmer os stadig tingene fra forskellige sider, men vi får se.
Jeg tror stadig, at det vil være en af de svagt interaktive massive partikler, som vi bare ikke har opdaget endnu.
Fraser:Tusind tak fordi du sluttede dig til mig på Guide to Space Sarah, jeg sætter stor pris på, at du forklarer disse galakser med mørkt stof for os.
Nå der har du det. Mørkt stof er mærkelige, mærkelige ting. Vi ved stadig ikke, hvad det er, men vi kan se, hvordan det bevæger sig, interagerer med stof gennem dets tyngdekraft. Og vi kan se, hvordan den kan danne hele galakser af kun mørkt stof.
En stor tak til Sarah Pearson. Hvis du ikke allerede har gjort det, så gå ud og tjek hendes YouTube-kanal: Space with Sarah. Hun dækker store emner, som at spekulere på, hvornår Solen lukker af, hvor stort universet er, og hvordan galakser kan støde sammen i et ekspanderende univers.
Podcast (lyd): Hent (Varighed: 9:37 — 3,3 MB)
Abonner: Apple Podcasts | RSS
Podcast (video): Hent (Varighed: 9:40 — 126,0 MB)
Abonner: Apple Podcasts | RSS
