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Throwback Thursday: Como o concorrente nº 1 de Dark Matter morreu

Crédito da imagem: John Dubinski (U de Toronto).

Throwback Thursday: Como o concorrente nº 1 de Dark Matter morreu

A única saída é modificar as leis da gravidade, e nossas melhores observações descartam essas modificações.

A discrepância entre o que era esperado e o que foi observado cresceu ao longo dos anos, e estamos nos esforçando cada vez mais para preencher a lacuna. – Jeremiah P. Ostriker

Se você tem algum tipo de interesse no espaço sideral, no Universo e no que toda essa existência é composta, provavelmente já ouviu falar de matéria escura – ou pelo menos a matéria escura problema - antes de. Em resumo, vamos dar uma olhada no que você pode ver se olhar para o Universo com a maior tecnologia de telescópio que já desenvolvemos como espécie.

Crédito da imagem: NASA; ESA; e Z. Levay, STScI / pequenas modificações por mim.

Não esta imagem, claro. Isto é o que você veria para o significativamente ajudado olho humano: uma pequena região do espaço que contém apenas um punhado de estrelas fracas e fracas presentes dentro de nossa própria galáxia, e aparentemente nada além disso.

O que fizemos foi olhar não apenas para esta região em particular, mas para muitas outras como ela, com instrumentos incrivelmente sensíveis. Mesmo em uma região como esta, desprovida de estrelas brilhantes, galáxias ou aglomerados ou grupos conhecidos, tudo o que temos a fazer é apontar nossas câmeras para ela por períodos de tempo arbitrariamente longos. Se deixarmos passar o suficiente, começamos a coletar fótons de fontes incrivelmente fracas e distantes. Essa pequena caixa marcada como XDF acima é a localização do Hubble eXtreme Deep Field , uma região tão pequena que levaria 32.000.000 deles para cobrir todo o céu noturno. E, no entanto, aqui está o que o Hubble viu.

Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.

tem 5.500 galáxias únicas identificadas nesta imagem, o que significa que existem pelo menos 200 bilhões de galáxias em todo o Universo. Mas, por mais impressionante que seja esse número, não é nem a coisa mais impressionante que aprendemos sobre o Universo ao estudar o grande número e diversidade de galáxias, grupos e aglomerados dentro dele.

Pense no que está fazendo essas galáxias brilharem, seja ao nosso lado ou a dezenas de bilhões de anos-luz de distância.

Crédito da imagem: classificação espectral Morgan-Keenan-Kellman, pelo usuário da Wikipédia Kieff; anotações de E. Siegel.

São as estrelas brilhando dentro deles! Nos últimos 150 anos, uma das maiores conquistas da astronomia e da astrofísica foi nossa compreensão de como as estrelas se formam, vivem, morrem e brilham enquanto estão vivas. Quando medimos a luz estelar proveniente de qualquer uma dessas galáxias, podemos imediatamente inferir exatamente como que tipos de estrelas estão presentes nela e qual o total massa das estrelas dentro é.

Mantenha isso em sua mente enquanto avançamos: a luz que observamos das galáxias, grupos e aglomerados que vemos nos diz quanta massa existe nas estrelas dessa galáxia, grupo ou aglomerado . Mas a luz das estrelas não é o só coisa que podemos medir!

Crédito da imagem: Helene Courtois, Daniel Pomarede, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman e Denis Courtois.

Também podemos medir como essas galáxias são em movimento , quão rápido eles estão girando, quais são suas velocidades em relação umas às outras e assim por diante. Isso é incrivelmente poderoso, porque baseado nas leis da gravidade, se medir as velocidades desses objetos, podemos inferir quanta massa e matéria deve haver dentro deles!

Pense nisso por um momento: a lei da gravitação é universal, o que significa que é a mesma em todo o Universo. A lei que rege o Sistema Solar deve ser a mesma que rege as galáxias. E então aqui temos dois diferentes maneiras de medir a massa das maiores estruturas do Universo:

Podemos medir a luz das estrelas que vem deles e, como sabemos como as estrelas funcionam, podemos inferir quanta massa há nas estrelas desses objetos.
Podemos medir como eles estão se movendo, sabendo se e como eles estão gravitacionalmente ligados. Da gravitação, podemos inferir quanto total massa existe nesses objetos.

Então agora fazemos a pergunta crucial: esses dois números combinam e, em caso afirmativo, quão bem?

Crédito da imagem: NASA, ESA e M. Postman e D. Coe (Space Telescope Science Institute) e a equipe CLASH, via http://www.spacetelescope.org/images/heic1217c/ .

Não só eles não combinam, eles não são mesmo Fechar ! Se você calcular a quantidade de massa presente nas estrelas, obterá um número, e se calcular a quantidade de massa que a gravitação nos diz devo estar lá, você recebe um número isso é 50 vezes maior . Isso é verdade independentemente de você olhar para pequenas galáxias, grandes galáxias ou grupos ou aglomerados de galáxias.

Bem, isso nos diz algo importante: qualquer o que quer que esteja compondo 98% da massa do Universo não é estrelas, ou nossa compreensão da gravitação está errada. Vamos dar uma olhada na primeira opção, porque temos um muito de dados lá.

Crédito da imagem: Chandra X-ray Obserory / CXC, via http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/chandraSimulations.html .

Poderia haver muitas outras coisas lá fora além do mais estrelas que compõem a massa de galáxias e aglomerados, incluindo:

aglomerados de matéria não luminosa como planetas, luas, luas, asteróides, bolas de gelo, etc.,
gás interestelar neutro e ionizado, poeira e plasma,
buracos negros,
remanescentes estelares como anãs brancas e estrelas de nêutrons
e estrelas muito fracas ou estrelas anãs.

A questão é que medimos a abundância desses objetos e – de fato – o total quantidade de matéria normal (isto é, feita de prótons, nêutrons e elétrons) no Universo a partir de uma variedade de linhas independentes, incluindo a abundância de elementos leves, o fundo cósmico de microondas, a estrutura em grande escala do Universo e de pesquisas astrofísicas . Nós até restringimos fortemente a contribuição dos neutrinos; aqui está o que aprendemos.

Crédito da imagem: eu, criado em http://nces.ed.gov/ .

Cerca de 15-16% da quantidade total de matéria no Universo é composta de prótons, nêutrons e elétrons, a maioria dos quais está em gás interestelar (ou intergaláctico) e plasma. Talvez haja mais 1% na forma de neutrinos, e o resto deve ser algum tipo de massa que não é composta por nenhuma partícula presente no Modelo Padrão .

Isso é o problema da matéria escura. Mas é possível que postulando alguma nova forma invisível de matéria não é a solução, mas que as leis da gravidade nas maiores escalas estão simplesmente erradas. Deixe-me orientá-lo através de uma breve história do problema da matéria escura e o que aprendemos sobre isso com o passar do tempo.

Crédito da imagem: Rogelio Bernal Andreo de http://www.deepskycolors.com/ .

A formação de estruturas em grande escala - pelo menos inicialmente - era mal compreendida. Mas a partir da década de 1930, Fritz Zwicky começou a medir a luz estelar proveniente de galáxias presentes em aglomerados, bem como a rapidez com que as galáxias individuais se moviam uma em relação à outra. Ele notou a enorme discrepância mencionada acima entre a massa presente nas estrelas e a massa que devo estar presente para manter esses grandes grupos ligados uns aos outros.

Este trabalho foi amplamente ignorado por cerca de 40 anos.

Crédito da imagem: 2dF GRS, via http://www2.aao.gov.au/2dfgrs/Public/Survey/description.html .

Quando começamos a fazer grandes levantamentos cosmológicos na década de 1970, como o PSCz, seus resultados começaram a indicar que, além dos problemas de dinâmica de clusters de Zwicky, a estrutura que estávamos vendo em escalas ainda maiores exigia uma fonte de massa invisível e não bariônica. reproduzir as estruturas observadas. (Isso foi melhorado por pesquisas como 2dF, acima, e SDSS.)

Também na década de 1970, o trabalho original e extremamente influente de Vera Rubin trouxe uma nova atenção às galáxias em rotação e ao problema da matéria escura que elas apresentavam tão detalhadamente.

Crédito das imagens: Van Albada et al. (L), A. Carati, via arXiv: 1111,5793 (R).

Com base no que se sabia sobre a lei da gravidade e no que foi observado sobre a densidade da matéria normal nas galáxias, você esperaria que, à medida que se afastasse do centro de uma galáxia espiral giratória, as estrelas que a orbitam diminuiriam a velocidade. . este devemos ser muito semelhante ao fenômeno observado no Sistema Solar, onde Mercúrio tem a maior velocidade orbital, seguido por Vênus, depois pela Terra, depois por Marte, etc. em vez de é que a velocidade de rotação parece permanecer constante à medida que você se move para distâncias cada vez maiores, o que nos diz que qualquer há mais massa do que pode ser explicada pela matéria normal, ou que a lei da gravidade precisa ser modificada.

Crédito da imagem: The Aquarius Project / Virgo Consortium; V. Springel et ai.

A matéria escura foi a principal solução proposta para esses problemas, mas ninguém sabia se era tudo bariônico ou não, quais eram suas propriedades de temperatura e se/como interagia tanto com a matéria normal quanto com ela mesma. Tínhamos alguns limites e restrições sobre o que não podia fazer, e algumas simulações iniciais que pareciam promissoras, mas nada concretamente convincente. E então surgiu a primeira grande alternativa.

Crédito da imagem: Stacy McGaugh, 2011, via http://www.astro.umd.edu/~ssm/mond/ .

MOND - abreviação de MODified Newtonian Dynamics - foi proposto no início dos anos 80 como um ajuste fenomenológico e empírico para explicar as galáxias em rotação. Funcionou muito bem para estrutura de pequena escala (escala de galáxia), mas falhou em grandes escalas em todos os modelos. Não poderia explicar aglomerados de galáxias, não poderia explicar a estrutura em grande escala e não poderia explicar a abundância de elementos leves, entre outros.

Enquanto a dinâmica das galáxias, as pessoas se apegaram ao MOND porque ele é mais bem sucedido em prever curvas de rotação galáctica do que a matéria escura, todos os outros eram altamente céticos, e por boas razões.

Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA, via http://www.spacetelescope.org/images/potw1403a/ , do Twin Quasar, o primeiro objeto com lente gravitacional em 1979.

Além de suas falhas em todas as escalas maiores do que as de galáxias individuais, não era uma teoria viável da gravidade. Não era relativista, o que significa que não poderia explicar coisas como a curvatura da luz das estrelas devido à massa interveniente, dilatação do tempo gravitacional ou desvio para o vermelho, o comportamento de pulsares binários ou qualquer outro fenômeno gravitacional relativístico verificado para ocorrer de acordo com as previsões de Einstein. . O santo graal do MOND - e o que muitos defensores da matéria escura exigiam, inclusive eu - era uma versão relativista que poderia explicar as curvas de rotação das galáxias junto com todos os outros sucessos de nossa atual teoria da gravidade.

Crédito das imagens: NASA, ESA e equipe HST Frontier Fields (STScI).

Hoje mais cedo, NASA divulgou uma série de imagens do Telescópio Espacial Hubble que remonta ao passado do Universo graças ao fenômeno das lentes gravitacionais, uma consequência da gravidade de Einstein, do que nunca. O próprio MOND não pode explicar esse fenômeno da maneira como é observado: nem por nenhuma das galáxias com lentes, pelas múltiplas imagens, pelos arcos esticados ou pela magnitude da curvatura da luz.

Para tudo isso, você precisa de matéria escura ou alguma fonte de massa invisível que não seja composta de nenhuma das partículas conhecidas do Modelo Padrão. Mas essa não é a única linha de evidência que temos que desfavorece alternativas à relatividade de Einstein, ou mesmo hipotético modificações que ainda não foram descobertas que poderiam reproduzir o MOND.

Crédito da imagem: A. Sanchez, Sparke/Gallagher CUP 2007.

Enquanto isso, com o passar dos anos, a matéria escura começou a ter um grande número de sucessos cosmológicos. À medida que a estrutura em grande escala do Universo passou de mal compreendida a bem compreendida, e à medida que o espectro de potência da matéria (acima) e as flutuações na radiação cósmica de fundo (abaixo) foram medidos com precisão, descobriu-se que a matéria escura funcionava maravilhosamente em as maiores escalas.

Créditos da imagem: eu, usando o software disponível publicamente CMBfast, com parâmetros contendo matéria escura (esquerda) combinando com as flutuações observadas, e parâmetros sem matéria escura (direita) falhando em fazê-lo espetacularmente.

Em outras palavras, essas novas observações - assim como as da Nucleossíntese do Big Bang - eram consistentes com um Universo composto por cerca de cinco vezes mais matéria escura (não bariônica) do que matéria normal.

E então, em 2005, a suposta arma fumegante foi observada. Pegamos dois aglomerados de galáxias no ato de colisão, o que significa que, se a matéria escura estivesse correta, veríamos a matéria bariônica - o gás interestelar/intergaláctico - colidindo e aquecendo, enquanto o matéria escura , e, portanto, o sinal gravitacional, deve passar direto sem diminuir a velocidade. Abaixo, você pode ver os dados de raios-X do aglomerado Bullet em rosa, com os dados de lentes gravitacionais sobrepostos em azul.

Créditos da imagem composta: Raio-X: NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch et ai.;
Mapa de Lentes: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D. Clowe et al. .;
Óptico: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Este foi um imenso vitória para a matéria escura e um desafio igualmente grande para todos os modelos de gravidade modificada: se não houvesse matéria escura, como um aglomerado saberia separar a massa do gás após uma colisão, mas não antes?

No entanto, as pequenas escalas ainda representavam um problema para a matéria escura; isto ainda não é tão bom em explicar a rotação de galáxias individuais quanto o MOND. E graças a TeVeS , uma versão relativista de MOND formulada por Jacob Bekenstein (R.I.P.), parecia que o MOND finalmente teria uma chance justa.

Lente gravitacional (pela matéria normal) e alguns fenômenos relativísticos poderiam ser explicados, e finalmente havia uma maneira clara de distinguir entre os dois: encontrar um teste observacional onde as previsões de TeVeS e as previsões da Relatividade Geral diferia um do outro! Surpreendentemente, tal configuração já existe na natureza.

Crédito da imagem: Max Planck Research, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf .

Estrelas de nêutrons giratórias – remanescentes estelares de estrelas ultramassivas que se transformaram em supernovas e deixaram um núcleo atômico de massa solar para trás – são coisas minúsculas, com apenas alguns quilômetros de diâmetro. Imagine que se você quiser: um objeto 300.000 vezes tão massivo quanto o nosso planeta, comprimido em um volume de apenas um centésimo de milionésimo do tamanho do nosso mundo! Como você pode imaginar, campos gravitacionais perto desses caras ficam realmente intenso, fornecendo alguns dos mais rigorosos testes de relatividade de campo forte de todos os tempos.

Bem, existem alguns casos em que as estrelas de nêutrons têm seus feixes axiais apontados diretamente para nós, então o pulso para nós toda vez que a estrela de nêutrons completa uma órbita, algo que pode acontecer até 766 vezes por segundo para objetos tão pequenos! (Quando isso acontece, as estrelas de nêutrons são conhecidas como pulsares .) Mas em 2004, um sistema ainda mais raro foi descoberto: um pulsar duplo !

Crédito da imagem: John Rowe Animations, via http://www.jodrellbank.manchester.ac.uk/news/2004/doublepulsar/ .

Ao longo da última década, esse sistema foi observado em sua dança gravitacional muito apertada, e a Teoria Geral da Relatividade de Einstein foi posta à prova como nunca antes. Você vê, como corpos massivos orbitam uns aos outros em campos gravitacionais muito fortes, eles devem emitir uma quantidade muito específica de radiação gravitacional. Embora não tenhamos a tecnologia para medir essas ondas diretamente, Faz têm a capacidade de medir como as órbitas estão decaindo devido a essa emissão! Michael Kramer, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, foi um dos cientistas que trabalhou nisso, e aqui está o que ele tinha a dizer sobre as órbitas desse sistema (ênfase minha):

Descobrimos que isso faz com que a órbita encolha 7,12 milímetros por ano, com uma incerteza de nove milésimos de milímetro.

O que TeVeS e a Relatividade Geral têm a dizer sobre essa observação?

Crédito da imagem: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer, via http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf .

Concorda com a relatividade de Einstein no nível de 99,95% (com uma incerteza de 0,1%) e - aqui está o grande - exclui todo encarnações fisicamente viáveis do TeVeS de Bekenstein . Como disse o cientista Norbert Wex com brevidade sem paralelo,

Em nossa opinião, isso refuta TeVeS.

De fato, a simulação mais precisa da história da formação de estruturas (usando a Relatividade Geral e a matéria escura) acaba de ser lançada e concorda com todas as observações consistentes até o limite de nossas capacidades tecnológicas. Veja o vídeo incrível de Mark Vogelsberger e surpreenda-se!

E com tudo isso em mente, é por isso que o concorrente número 1 da matéria escura não é mais uma competição. Não foi dogma, consenso ou política que o matou, mas as próprias observações: de pulsares, de aglomerados em colisão, da CMB, de estrutura em grande escala e de lentes gravitacionais juntas. Ainda é um mistério por que o MOND é mais bem-sucedido em escalas de galáxias, mas até que possa fornecer uma explicação para todos os outros fenômenos observados, é apenas um fantasma de uma teoria.

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