Sarò il primo ad ammettere che non capiamo la materia oscura. Ad esempio, quando guardiamo una galassia e contiamo tutte le parti incandescenti come stelle, gas e polvere, otteniamo una certa massa. Quando usiamo qualsiasi altra tecnica per misurare la massa, otteniamo un numero molto più alto. Quindi la conclusione naturale è che non tutta la materia nell'universo è calda e luminosa. Forse un po 'se è, sai, buio.
Ma aspetta. Per prima cosa dovremmo controllare la nostra matematica. Siamo sicuri che non stiamo solo sbagliando un po 'di fisica?
Dettagli Dark Matter
Un pezzo importante del puzzle della materia oscura (anche se certamente non l'unico, e questo sarà importante più avanti nell'articolo) si presenta sotto forma di cosiddette curve di rotazione della galassia. Mentre osserviamo le stelle ruotare attorno al centro delle loro galassie, con tutti i diritti quelli più lontani dal centro dovrebbero muoversi più lentamente di quelli più vicini al centro. Questo perché la maggior parte della massa galattica è affollata nel nucleo, e le stelle più esterne sono lontane da tutta quella roba, e per semplice gravità newtoniana dovrebbero seguire orbite pigre lente.
Ma non lo fanno.
Invece, le stelle più esterne orbitano con la stessa velocità dei loro cugini delle città interne.
Poiché questo è un gioco di gravità, ci sono solo due opzioni. O stiamo sbagliando la gravità, o ci sono cose extra invisibili che assorbono ogni galassia. E per quanto possiamo dire, stiamo ottenendo la gravità molto, molto bene (questo è un altro articolo), quindi boom: materia oscura. Qualcosa sta mantenendo queste stelle a ruota libera intrappolate nelle loro galassie, altrimenti si sarebbero lanciate fuori come una giostra fuori controllo milioni di anni fa; ergo, ci sono un sacco di cose che non possiamo vedere direttamente ma possiamo rilevare indirettamente.
Diventa pesante
E se questo non fosse solo un gioco di gravità? Dopotutto, ci sono quattro forze fondamentali della natura: forte nucleare, debole nucleare, gravità ed elettromagnetismo. Qualcuno di loro riesce a giocare in questo fantastico gioco galattico?
Il forte nucleare funziona solo su piccolissime scale subatomiche, quindi è subito chiaro. E a nessuno interessa il nucleare debole se non in alcuni rari decadimenti e interazioni, quindi possiamo anche mettere questo da parte. E l'elettromagnetismo ... beh, ovviamente le radiazioni e i campi magnetici svolgono un ruolo nella vita galattica, ma le radiazioni spingono sempre verso l'esterno (quindi ovviamente non aiuterà a tenere sotto controllo le stelle in rapido movimento) ei campi magnetici galattici sono incredibilmente deboli (non più forti di un milionesimo del campo magnetico terrestre). Quindi ... no vai, vero?
Come qualsiasi cosa in fisica, c'è una via di fuga subdola. Per quanto ne sappiamo, il fotone - il vettore della forza elettromagnetica stessa - è completamente privo di massa. Ma le osservazioni sono osservazioni e nulla nella scienza è noto con certezza, e le stime attuali pongono la massa del fotone non più di 2 x 10-24 la massa dell'elettrone. Per tutte le intenzioni e scopi, questo è praticamente zero per qualsiasi cosa a cui qualcuno importi. Ma se il fotone faavere massa, anche al di sotto di questo limite, può fare cose piuttosto divertenti per l'universo.
Con la presenza di massa nel fotone, le equazioni di Maxwell, il modo in cui comprendiamo elettricità, magnetismo e radiazione, assumono una forma modificata. In matematica compaiono termini extra e nuove interazioni prendono forma.
Riesci a sentirlo?
Le nuove interazioni sono opportunamente complicate e dipendono dallo scenario specifico. Nel caso delle galassie, i loro deboli campi magnetici iniziano a sentire qualcosa di speciale. A causa della natura aggrovigliata e attorcigliata dei campi magnetici, la presenza di fotoni enormi modifica le equazioni di Maxwell in appena la strada giusta per aggiungere una nuova forza attrattiva che in alcuni casi può essere più forte della sola incisione.
In altre parole, la nuova forza elettromagnetica potrebbe essere in grado di mantenere bloccate le stelle in rapido movimento, eliminando del tutto la necessità di materia oscura.
Ma non è facile. I campi magnetici attraversano il gas interstellare della galassia, non le stelle stesse. Quindi questa forza non può lanciare direttamente sulle stelle. Invece, la forza deve far conoscere il gas e in qualche modo il gas deve far sapere alle stelle che c'è una nuova città di sheriffin.
Nel caso di stelle enormi e di breve durata, questo è piuttosto semplice. Il gas stesso ruota intorno al nucleo galattico alla massima velocità, forma una stella, la stella vive, la stella muore e i resti tornano ad essere gas abbastanza rapidamente che a tutti gli effetti quelle stelle imitano il movimento del gas, dando noi le curve di rotazione di cui abbiamo bisogno.
Grossi guai a Little Stars
Ma le piccole stelle di lunga durata sono un'altra bestia. Si separano dal gas che li ha formati e vivono la propria vita, orbitando attorno al centro galattico molte volte prima che scadano. E dal momento che non avvertono la strana nuova forza elettromagnetica, dovrebbero semplicemente allontanarsi dalle loro galassie, perché nulla li tiene sotto controllo.
In effetti, se questo scenario fosse accurato e i fotoni massicci potessero sostituire la materia oscura, il nostro sole non dovrebbe essere dove si trova oggi.
Inoltre, abbiamo ottime ragioni per credere che i fotoni siano davvero privi di massa. Certo, alle equazioni di Maxwell potrebbe non interessare molto, ma la relatività speciale e la teoria dei campi quantici lo fanno sicuramente. Inizi a fare casini con la massa di fotoni e hai molte spiegazioni da fare, signore.
Inoltre, solo perché a tutti piacciono le curve di rotazione della galassia non significa che siano la nostra unica via verso la materia oscura. Le osservazioni dei cluster di galassie, la lente gravitazionale, la crescita della struttura nell'universo e persino lo sfondo cosmico a microonde puntano tutti nella direzione di una sorta di componente invisibile verso il nostro universo.
Anche se il fotone aveva una massa ed era in qualche modo in grado di spiegare i movimenti di tutti stelle in una galassia, non solo quelle massicce, non sarebbe in grado di spiegare la moltitudine di altre osservazioni (per esempio, come potrebbe una nuova forza elettromagnetica spiegare la flessione gravitazionale della luce attorno a un ammasso di galassie? Non è una domanda retorica - non può). In altre parole, anche in un cosmo pieno di enormi fotoni, avremmo ancora bisogno della materia oscura.
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