돈 링컨 (Don Lincoln)은 미국 최대의 대형 하드론 콜 라이더 연구소 인 미국 에너지 부의 Fermilab 수석 과학자입니다. 또한 최근의 "대형 충돌기 : iggs 스 보손의 특별한 이야기와 다른 것들을 떠올리게 할 다른 것들"(Johns Hopkins University Press, 2014)을 포함하여 대중을위한 과학에 관해 글을 씁니다. Facebook에서 그를 팔로우 할 수 있습니다. 링컨은이 기사를 Live Science의 Expert Voices : Op-Ed & Insights에 기고했습니다.
많은 과학에 정통한 사람들은 우주가 칼 사간 (Carl Sagan)의 "십억과 수십억"의 은하로 만들어 졌을뿐만 아니라 암흑 물질 (dark matter)이라 불리는 방대한 양의 보이지 않는 물질로 만들어 졌다는 것을 당연한 것으로 여깁니다. 이 이상한 물질은 전자 기나 강하고 약한 핵력을 통해 상호 작용하지 않는 새로운 종류의 아 원자 입자로 생각됩니다. 암흑 물질은 또한 우주에서 원자의 일반적인 물질보다 5 배 더 널리 퍼져 있어야한다.
그러나 현실은 암흑 물질의 존재가 아직 입증되지 않았다는 것입니다. 암흑 물질은 여전히 잘 뒷받침되지만 가설입니다. 모든 과학 이론은 예측을해야하며, 맞다면 측정과 예측이 일치해야합니다. 암흑 물질도 마찬가지입니다. 예를 들어 암흑 물질 이론은 은하가 얼마나 빠르게 회전하는지 예측합니다. 그러나 지금까지는 저 질량 은하 중심의 상세한 암흑 물질 분포에 대한 측정은 이러한 예측과 일치하지 않았습니다.
최근 계산으로 변경되었습니다. 이 계산은 Tully-Fisher 관계의 수수께끼를 해결하는 데 도움이되며, 은하의 가시적 또는 평범한 물질을 회전 속도와 비교합니다. 매우 단순화 된 용어로 과학자들은 나선 은하가 더 크고 (따라서 더 밝을수록) 더 빠르게 회전한다는 것을 발견했습니다.
그러나 암흑 물질이 존재한다면, 은하계가 얼마나 "큰"가 보이는 물질뿐만 아니라 암흑 물질에 의해서도 결정되어야합니다. 암흑 물질의 양과 같은 방대한 방정식으로 Tully-Fisher 관계를 유지해서는 안됩니다. 그러나 여전히 그렇습니다. 기존 암흑 물질 이론과이 관계를 조정하는 방법을 상상하기는 어려웠습니다. 지금까지.
암흑 물질 기원
네덜란드의 천문학 자 얀 오트 (Jan Oort)는 은하계에서 항성의 궤도 속도를 측정하여 관측 된 은하의 질량으로 설명하기에는 너무 빨리 움직 인 것을 발견했습니다.
별은 거의 원형 경로로 부모 은하를 공전하며 중력은 그 궤도에 별을 고정시키는 힘입니다. 뉴턴의 방정식은 별이 원형 경로로 이동하게하는 힘 F (원형)이 별의 중력, F (중력)으로 인한 힘과 같아야하거나 그렇지 않으면 별이 우주로 날아가거나 은하의 중심. 고등학교 물리학을 기억하는 사람들에게 F (원형)는 관성에 대한 진술이며 뉴턴의 F = ma입니다. F (중력)는 뉴턴의 보편적 인 중력의 법칙입니다.
은하 중심 근처에서 Rubin과 Ford는 F (circular)가 예상대로 F (gravity)와 거의 같음을 발견했습니다. 그러나 은하의 중심에서 멀어지면서 방정식의 양측은 잘 일치하지 않았습니다. 자세한 내용은 은하마다 다르지만, 관측은 본질적으로 보편적이었습니다.
이러한 극적인 차이는 설명이 필요합니다. 은하의 중심 근처에서 Rubin과 Ford의 측정은 이론이 작동하고 있음을 의미하고, 더 큰 궤도 거리에서의 불일치는 기존 이론이 설명 할 수없는 일이 진행되고 있음을 의미했습니다. 그들의 통찰력은 관성이 어떻게 작동하는지 이해하지 못하거나 (예 : F (원형), 중력이 어떻게 작동하는지 이해하지 못함 (예 : F (중력))을 밝혀 냈습니다. 세 번째 가능성은 등호가 잘못되어 방정식에 포함되지 않은 다른 힘이나 효과가 있음을 의미합니다. 그게 유일한 가능성이었습니다.
불일치 설명
Rubin과 Ford의 최초 연구 이후 40 년 동안 과학자들은 발견 한 은하 회전 불일치를 설명하기 위해 많은 이론을 테스트했습니다. 물리학 자 Mordehai Milgrom은 "변형 된 뉴턴 역학 (Modified Newtonian dynamics)"또는 MOND라고하는 관성 수정을 제안했습니다. 초기 형태에서, 매우 낮은 가속에서는 뉴턴 방정식 F = ma가 작동하지 않았다고 가정했습니다.
다른 물리학 자들은 중력 법칙의 수정을 제안했습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 여기서 도움이되지 않습니다. 왜냐하면이 영역에서 아인슈타인과 뉴턴의 예측은 본질적으로 동일하기 때문입니다. 그리고 아 원자 입자를 사용하여 중력을 설명하려는 양자 중력 이론은 같은 이유로 설명 할 수 없습니다. 그러나 뉴턴의 중력과는 다른 은하계 또는 은하계를 예측하는 중력 이론이 있습니다. 이것이 옵션입니다.
그런 다음 새로운 힘이 존재한다는 예측이 있습니다. 이러한 아이디어는 "제 5의 힘"이라는 이름으로 함께 모여 있으며, 중력, 전자기 및 강하고 약한 핵력 이상의 힘을 의미합니다.
마지막으로 암흑 물질의 이론이 있습니다. 빛과 전혀 상호 작용하지 않지만 중력을 유발하는 물질이 우주에 스며 들고 있습니다.
우리가 가지고있는 유일한 데이터는 은하 회전 측정 이었기 때문에, 서로 다른 이론들 중에서 선택하기가 어려울 수 있습니다. 결국, 은하 회전 문제를 해결하기 위해 각 이론을 조정할 수 있습니다. 그러나 이제 가장 타당한 이론을 식별하는 데 도움이 될 수있는 다양한 현상에 대한 많은 관찰이 있습니다.
하나는 큰 은하단 내 은하의 속도입니다. 은하단이 너무 빨리 움직여 클러스터가 서로 묶여 있지 않습니다. 또 다른 관측은 매우 먼 은하에서 나오는 빛에 대한 것입니다. 이 매우 먼 고대 은하의 관측은 더 가까운 은하단의 중력장을 통과함으로써 빛이 왜곡됨을 보여줍니다. 우주의 출생의 울음 인 우주 마이크로파 배경의 작은 비 균일성에 대한 연구도 있습니다. 은하 회전 속도를 설명하기 위해 새로운 이론으로 이러한 모든 측정을 수행해야합니다.
암흑 물질의 답이없는 질문
암흑 물질 이론은 이러한 많은 측정 값을 예측하는 데 합당한 일을 해왔 기 때문에 과학계에서 잘 평가되고 있습니다. 그러나 암흑 물질은 여전히 확인되지 않은 모델입니다. 그것의 존재에 대한 모든 증거는 간접적입니다. 암흑 물질이 존재한다면, 우리는 지구를 통과 할 때 암흑 물질의 상호 작용을 직접 관찰 할 수 있어야하며, 대형 하드론 충돌체와 같은 큰 입자 가속기에서 암흑 물질을 만들 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 어떤 접근법도 성공하지 못했습니다.
또한 암흑 물질은 많은 천문학적 관찰뿐만 아니라 모든 것과 일치해야합니다. 암흑 물질은 지금까지 가장 성공적인 모델이지만 완전히 성공하지는 못했습니다. 암흑 물질 모델은 실제로 은하수와 같은 큰 은하계 주변의 더 많은 왜소 위성 은하를 예측합니다. 더 많은 난쟁이 은하가 발견되고 있지만 암흑 물질의 예측에 비해 여전히 너무 적습니다.
또 다른 크고 개방적인 질문은 암흑 물질이 은하의 밝기와 회전 속도 사이의 관계에 어떤 영향을 미치는지입니다. 1977 년에 처음 발표 된이 관계를 툴리-피셔 관계라고하며, 은하의 가시 질량이 회전 속도와 잘 관련되어 있다는 것을 여러 번 보여주었습니다.
암흑 물질에 대한 어려운 과제
그래서 뒷이야기는 끝납니다. 의 새로운 기능?
Tully-Fisher 관계는 암흑 물질 모델에있어 어려운 과제입니다. 은하의 회전은 그것이 포함하는 총 물질의 양에 의해 좌우됩니다. 암흑 물질이 실제로 존재한다면, 총 물질량은 보통 물질과 암흑 물질의 합입니다.
그러나 기존의 암흑 물질 이론은 임의의 은하가 더 크거나 작은 암흑 물질을 포함 할 수 있다고 예측합니다. 따라서 가시 질량을 측정 할 때 전체 질량의 큰 덩어리가 없을 수 있습니다. 결과적으로, 가시 질량은 은하의 총 질량 (및 그에 따른 회전 속도)을 매우 잘 예측할 수 없어야한다. 은하의 질량은 보이는 (일반적인) 질량과 유사하거나 훨씬 클 수 있습니다.
따라서, 가시 질량이 은하의 회전 속도를 잘 예측할 것으로 기대할 이유가 없다. 그러나 그렇습니다.
실제로, 올해 발표 된 논문에서 암흑 물질 회의론자들은 다양한 은하계에서 Tully-Fisher 관계의 측정치를 사용하여 암흑 물질 가설과 MOND와 같은 수정 된 버전의 관성에 대해 논쟁했습니다.
암흑 물질에 더 적합
그러나 6 월에 발표 된 논문에서 과학자들은 암흑 물질 모델을 크게 향상시켰다. 새로운 작업은 암흑 물질 모델의 초기 예측 결과를 재현 할뿐만 아니라 툴리-피셔 관계도 재현합니다.
새로운 논문은 "반 분석 (semi-analytic)"모델로, 분석 방정식과 시뮬레이션의 조합이라는 의미입니다. 그것은 초기 우주에서 은하 형성을 뿌렸을지도 모르지만 중력 풀, 별 형성 및 가열로 인한 다른 천체로의 일반적인 물질의 유입과 같은 일반적인 물질의 상호 작용을 포함하는 암흑 물질의 덩어리를 시뮬레이션합니다. 별빛과 초신성에 의해 떨어지는 가스의. 신중하게 매개 변수를 조정함으로써 연구원들은 예측 된 Tully-Fisher 관계를보다 잘 일치시킬 수있었습니다. 계산의 핵심은 예측 된 회전 속도에 은하계에서의 암흑 물질과 암흑 물질의 비율에 대한 현실적인 값이 포함된다는 것입니다.
새로운 계산은 암흑 물질 모델을 검증하는 중요한 추가 단계입니다. 그러나 마지막 단어는 아닙니다. 성공적인 이론은 모든 측정에 동의해야합니다. 동의하지 않으면 이론이나 데이터가 잘못되었거나 적어도 불완전하다는 의미입니다. 예측과 측정 사이의 몇 가지 불일치 (여전히 큰 위성 주위의 작은 위성 은하의 수)가 여전히 남아 있지만,이 새로운 논문은 미래의 연구가 남은 불일치를 해결할 것이라고 확신합니다. 암흑 물질은 우주의 구조에 대한 강력한 예측 이론으로 남아 있습니다. 완료되지 않았으며 실제 암흑 물질 입자를 발견하여 검증이 필요합니다. 따라서 여전히해야 할 일이 남아 있습니다. 그러나이 가장 최근의 계산은 우주가 실제로 어두운면에 의해 지배되는 경우 우리가 한 번에 알 수있는 중요한 단계입니다.
