Utvecklingen av storskalig struktur i universum, från ett tidigt, enhetligt tillstånd till det samlade universum som vi känner idag. Typen och överflödet av mörk materia skulle ge ett oerhört annorlunda universum om vi förändrade vad vårt universum har. (Angulo et al. 2008, via Durham University)

Endast Dark Matter (And Not Modified Gravity) kan förklara universum

Det har varit många offentliga förespråkare från lägret "ingen mörk materia", som fått mycket populär uppmärksamhet. Men universum behöver fortfarande mörk materia. Här är varför.

Om du tittade på alla galaxerna i universum, uppmätt där allt du kunde upptäcka var och sedan kartlade hur dessa galaxer rörde sig, skulle du hitta dig själv helt förbryllad. Medan solsystemet kretsar planeterna runt solen med sjunkande hastighet ju längre bort från centrum du går - precis som gravitationslagen förutspår - gör stjärnorna runt det galaktiska centret inget sådant. Även om massan är koncentrerad mot den centrala utbukten och i en planliknande skiva, piskar stjärnorna i de yttre regionerna av en galax runt den med samma hastigheter som de gör i de inre regionerna, och trotsar förutsägelser. Uppenbarligen saknas något. Två lösningar tänker på oss: antingen finns det någon typ av osynlig massa där ute som utgör underskottet, eller så måste vi ändra tyngdelagarna, som vi gjorde när vi hoppade från Newton till Einstein. Medan båda dessa möjligheter verkar rimliga är den osynliga massförklaringen, känd som mörk materia, långt ifrån det överlägsna alternativet. Här är varför.

Enskilda galaxer kan i princip förklaras av antingen mörk materia eller en modifiering av tyngdkraften, men de är inte det bästa beviset vi har för vad universum är gjord av, eller hur det måste bli som det är idag. (Stefania.deluca från Wikimedia Commons)

Till att börja med har svaret inget att göra med enskilda galaxer. Galaxer är några av de mest rörliga föremålen i det kända universum, och när du testar själva universumets natur vill du ha den renaste miljön som möjligt. Det finns ett helt studieområde som ägnas åt detta, känd som fysisk kosmologi. (Fullständig avslöjande: det är mitt område.) När universum först föddes var det mycket nära uniform: nästan exakt samma densitet överallt. Det uppskattas att den tätaste regionen universum började med var mindre än 0,01% tätare än den minst täta regionen i början av den heta Big Bang. Gravitation fungerar mycket enkelt och på ett mycket enkelt sätt, även i kosmisk skala, när vi har att göra med små avgångar från den genomsnittliga densiteten. Detta kallas den linjära regimen och ger ett stort kosmiskt test av både gravitation och mörk materia.

Storskalig projektion genom Illustris-volymen vid z = 0, centrerad på det mest massiva klustret, 15 Mpc / h djup. Visar mörkämnesdensitet (vänster) som övergår till gastäthet (höger). Universums storskaliga struktur kan inte förklaras utan mörk materia. (Illustris Collaboration / Illustris Simulation)

Å andra sidan, när vi har att göra med stora avvikelser från genomsnittet, placerar detta dig i det som kallas den icke-linjära regimen, och dessa tester är mycket svårare att dra slutsatser från. Idag kan en galax som Vintergatan vara en miljon gånger tätare än den genomsnittliga kosmiska densiteten, vilket placerar den ordentligt i den icke-linjära regimen. Å andra sidan, om vi tittar på universum på antingen mycket stora skalor eller vid mycket tidiga tider, är gravitationseffekterna mycket mer linjära, vilket gör detta till ditt perfekta laboratorium. Om du vill undersöka huruvida att ändra tyngdkraften eller lägga till den extra ingrediensen i mörk materia är vägen att gå, kommer du att leta var effekterna är tydligast, och det är där gravitationseffekterna lättast förutsäges: i den linjära regimen.

Här är de bästa sätten att undersöka universum i den eran och vad de berättar för er.

Svingningarna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden mättes först exakt med COBE på 1990-talet, sedan mer exakt med WMAP på 2000-talet och Planck (ovan) under 2010-talet. Denna bild kodar en enorm mängd information om det tidiga universum, inklusive dess sammansättning, ålder och historia. (ESA och Planck-samarbetet)

1.) Svängningarna i kosmisk mikrovågsugnbakgrund. Detta är vår tidigaste sanna bild av universum och fluktuationerna i energitätheten en gång bara 380 000 år efter Big Bang. De blå regionerna motsvarar överdensiteter, där materieklumpar har börjat sin oundvikliga gravitationsutveckling, på väg nedåt för att bilda stjärnor, galaxer och galaxkluster. De röda regionerna är underdenserade regioner, där materien förloras till de tätare regionerna som omger det. Genom att titta på dessa temperatursvängningar och hur de korrelerar - det vill säga i en specifik skala. vad är storleken på din genomsnittliga fluktuation bort från medeltemperaturen - du kan lära dig väldigt mycket om sammansättningen av ditt universum.

De relativa höjderna och positionerna för dessa akustiska toppar, härledda från uppgifterna i den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden, är definitivt förenliga med ett universum gjord av 68% mörk energi, 27% mörkt material och 5% normalt material. Avvikelser är tätt begränsade. (Resultat från Planck 2015. XX. Begränsningar för inflation - Planck-samarbete (Ade, PAR et al.) ArXiv: 1502.02114)

I synnerhet är positionerna och höjderna (särskilt de relativa höjderna) för de sju topparna som identifierats ovan överensstämmer spektakulärt med en speciell passform: ett universum som är 68% mörk energi, 27% mörk materia och 5% normal materia. Om du inte inkluderar mörk materia, kan de relativa storleken på de udda numrerade topparna och de jämna numrerade topparna inte matchas. Det bästa som modifierade gravitationspåståenden kan göra är att antingen få dig de två första topparna (men inte den tredje eller längre bort), eller att få dig rätt spektrum av toppar genom att också lägga till lite mörk materia, som besegrar hela syftet. Det finns inga kända modifieringar av Einsteins allvar som kan reproducera dessa förutsägelser, även efter det faktum, utan att också lägga till mörk materia.

En illustration av klustermönster på grund av Baryon akustiska svängningar, där sannolikheten för att hitta en galax på ett visst avstånd från någon annan galax styrs av förhållandet mellan mörk materia och normal materia. När universum expanderar expanderar detta karakteristiska avstånd också, vilket gör att vi kan mäta Hubble-konstanten. (Zosia Rostomian)

2.) Den storskaliga strukturen i universum. Om du har en galax, hur troligt är det att du hittar en annan galax på ett visst avstånd? Och om du tittar på universum i en viss volumetrisk skala, vilka avvikelser från det "genomsnittliga" antalet galaxer förväntar du dig att se där? Dessa frågor är kärnan i att förstå storskalig struktur, och deras svar beror mycket starkt på både gravitationslagarna och vad som finns i ditt universum. I ett universum där 100% av din materia är normal materia kommer du att ha stora undertryckningar av strukturbildning på specifika, stora skalor, medan om ditt universum domineras av mörk materia får du bara små undertryck överlagrade på en slät bakgrund . Du behöver inga simuleringar eller icke-linjära effekter för att undersöka detta; allt kan beräknas för hand.

Datapunkterna från våra observerade galaxer (röda punkter) och förutsägelserna från en kosmologi med mörk materia (svart linje) står otroligt bra. De blå linjerna, med och utan ändringar av tyngdkraften, kan inte reproducera denna observation utan mörk materia. (S. Dodelson, från http://arxiv.org/abs/1112.1320)

När vi tittar på universum på dessa största skalor och jämför med förutsägelserna i dessa olika scenarier, är resultaten obestridliga. Dessa röda punkter (med felstänger, som visas) är observationerna - data - från vårt eget universum. Den svarta linjen är förutsägelsen av vår vanliga ΛCDM-kosmologi, med normal materia, mörk materia (i sex gånger mängden normal materia), mörk energi och allmän relativitet som lagen som styr den. Lägg märke till de små vrikarna i den och hur väl - hur otroligt bra - förutsägelserna matchar uppgifterna. De blå linjerna är förutsägelserna om normal materia utan mörk materia, både i standard (fast) och modifierad tyngdkraft (prickade) scenarier. Och igen, det finns inga modifieringar av tyngdkraften som är kända som kan reproducera dessa resultat, även efter det faktum, utan att även inkludera mörk materia.

Den väg som protoner och neutroner tar i det tidiga universum för att bilda de lättaste elementen och isotoperna: deuterium, helium-3 och helium-4. Nukleon-till-foton-förhållandet avgör hur mycket av dessa element vi kommer att avveckla i vårt universum idag. Dessa mätningar tillåter oss att veta tätheten för normal materia i hela universum mycket exakt. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

3.) Det relativa överflödet av ljuselement som bildades i det tidiga universum. Detta är inte specifikt en fråga om mörk materia, och är inte heller extremt beroende av allvar. Men på grund av fysiken i det tidiga universum, där atomkärnor sprängs isär under tillräckligt höga energiförhållanden när universum är extremt enhetligt, kan vi förutsäga exakt hur mycket väte, deuterium, helium-3, helium-4 och litium- 7 bör finnas kvar från Big Bang i den ursprungliga gasen vi ser idag. Det finns bara en parameter som alla dessa resultat beror på: förhållandet mellan fotoner och baryoner (protoner och neutroner kombinerade) i universum. Vi har uppmätt antalet fotoner i universum tack vare både WMAP- och Planck-satelliterna, och vi har också uppmätt överflödet av dessa element.

De förutsagda mängderna av helium-4, deuterium, helium-3 och litium-7 som förutsagits av Big Bang Nucleosynthesis, med observationer som visas i de röda cirklarna. (NASA / WMAP Science Team)

De sätter ihop det och berättar för oss den totala mängden normal materia i universum: det är 4,9% av den kritiska densiteten. Med andra ord, vi vet den totala mängden normal materia i universum. Det är ett nummer som är i spektakulärt överensstämmelse med både den kosmiska mikrovågsbakgrundsdata och storskaliga strukturdata, och ändå är det bara cirka 15% av den totala mängden materia som måste finnas närvarande. Det finns återigen ingen känd modifiering av tyngdkraften som kan ge dig de storskaliga förutsägelserna och också ge dig detta låga överflöd av normal materia.

Kluster MACS J0416.1–2403 i det optiska, ett av Hubble Frontier-fälten som genom gravitationslinser avslöjar några av de djupaste, svagaste galaxerna som någonsin har sett i universum. (NASA / STScI)

4.) Gravitationsböjningen av stjärnljus från stora klustermassor i universum. När vi tittar på de största massaklumparna i universum, de som är närmast att befinna sig i den linjära strukturen för strukturbildning, märker vi att bakgrundsljuset från dem är förvrängd. Detta beror på gravitationsböjningen av stjärnbelysning i relativitet känd som gravitationslinsning. När vi använder dessa iakttagelser för att bestämma vad den totala mängden massa som finns i universum är, får vi samma antal som vi har fått hela tiden: cirka 30% av universumets totala energi måste vara närvarande i alla former av materia, tillsatt , för att återge dessa resultat. Med endast 4,9% närvarande i normal materia, innebär detta att det måste finnas någon form av mörk materia närvarande.

Gravitationslinsning i galaxkluster Abell S1063, som visar böjningen av stjärnljus genom närvaron av materia och energi. (NASA, ESA och J. Lotz (STScI))

När du tittar på den fulla datan, snarare än bara några små detaljer om vad som händer i den röriga, komplexa, olinjära regimen, finns det inget sätt att få det universum vi har idag utan att lägga till i mörk materia. Människor som använder Occams Razor (felaktigt) för att argumentera för MOND, eller MOdified Newtonian Dynamics, måste tänka på att ändra Newtons lag inte kommer att lösa dessa problem för dig. Om du använder Newton, missar du framgångarna med Einsteins relativitet, som är för många för att lista här. Det är Shapiro-tidsförseningen. Det finns gravidationstidsutvidgning och gravitational redshift. Det finns ramverket för Big Bang och konceptet med det expanderande universum. Det finns lins-trängande effekten. Det finns direkta upptäckter av gravitationsvågor, med deras uppmätta hastighet lika med ljusets hastighet. Och det finns rörelserna för galaxer i kluster och av att de galaxerade galaxerna själva på de största skalorna.

På de största skalorna kan inte galaxerna klustras ihop observativt (blått och lila) med simuleringar (rött) om inte mörk materia ingår. (Gerard Lemson & Virgo Consortium, med data från SDSS, 2dFGRS och Millennium Simulation)

Och för alla dessa observationer finns det ingen enda tyngdförändring som kan reproducera dessa framgångar. Det finns ett fåtal vokala individer i den offentliga sfären som förespråkar MOND (eller andra modifierade tyngdkraftsinkarnationer) som ett legitimt alternativ till mörk materia, men det är helt enkelt inte en just nu. Kosmologisamhället är inte alls dogmatisk om behovet av mörk materia; vi "tror på" det eftersom alla dessa observationer kräver det. Trots alla ansträngningar för att modifiera relativitet finns det inga kända modifieringar som kan förklara till och med två av dessa fyra punkter, mycket mindre alla fyra. Men mörk materia kan och gör det.

Bara för att mörk materia verkar vara en fudge-faktor för vissa, jämfört med idén att ändra Einsteins tyngdkraft, ger inte den senare någon extra vikt. Som Umberto Eco skrev i Foucaults pendel, "Som mannen sa, för varje komplex problem finns det en enkel lösning, och det är fel." Om någon försöker sälja dig modifierad tyngdkraft, fråga dem om den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Fråga dem om storskalig struktur. Fråga dem om Big Bang Nucleosynthesis och hela sviten med andra kosmologiska observationer. Tills de har ett robust svar som är så bra som mörk materia, låt dig inte vara nöjd.

Fyra kolliderande galaxkluster, som visar separationen mellan röntgenstrålar (rosa) och gravitation (blå), vilket tyder på mörk materia. På stora skalor är kall mörk substans nödvändig, och inget alternativ eller ersättare kommer att göra. (Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optisk / linsning: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. . (uppe till vänster); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al.; Optisk: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (överst till höger); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italien) / CFHTLS (längst ner till vänster); Röntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) och S. Allen (Stanford University) (längst ner till höger) ))

Den modifierade tyngdkraften kan inte framgångsrikt förutsäga universums storskaliga struktur på samma sätt som ett universum fullt av mörk materia kan. Period. Och tills det kan är det inte värt att vara uppmärksam på som en seriös konkurrent. Du kan inte ignorera fysisk kosmologi i dina försök att dechiffrera kosmos, och förutsägelserna i storskalig struktur, mikrovågsbakgrunden, ljuselementen och böjningen av stjärnljus är några av de mest grundläggande och viktiga förutsägelser som kommer ut ur fysisk kosmologi. . MOND har en stor seger över mörk materia: det förklarar galaxernas rotationskurvor bättre än mörk materia någonsin har gjort, inklusive hela vägen fram till idag. Men det är ännu inte en fysisk teori, och den överensstämmer inte med den fulla sviten av observationer vi har till vårt förfogande. Fram till den dagen kommer mörk materia förtjänst att vara den ledande teorin om vad som utgör massan i vårt universum.

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.