Ich werde der Erste sein, der zugibt, dass wir dunkle Materie nicht verstehen. Wenn wir zum Beispiel eine Galaxie betrachten und alle heiß leuchtenden Teile wie Sterne, Gas und Staub zählen, erhalten wir eine bestimmte Masse. Wenn wir überhaupt eine andere Technik verwenden, um die Masse zu messen, erhalten wir eine viel höhere Zahl. Die natürliche Schlussfolgerung ist also, dass nicht die gesamte Materie im Universum heiß und strahlend ist. Vielleicht einige, wenn es dunkel ist.
Aber warte. Zuerst sollten wir unsere Mathematik überprüfen. Sind wir sicher, dass wir nicht nur etwas Physik falsch machen?
Details zur Dunklen Materie
Ein Hauptteil des Puzzles der Dunklen Materie (obwohl sicherlich nicht das einzige, und dies wird später in diesem Artikel wichtig sein) kommt in Form von sogenannten Galaxienrotationskurven. Während wir beobachten, wie sich Sterne in Rotation um das Zentrum ihrer Galaxien drehen, sollten sich diejenigen, die weiter vom Zentrum entfernt sind, langsamer bewegen als diejenigen, die näher am Zentrum sind. Dies liegt daran, dass der größte Teil der galaktischen Masse in den Kern gedrängt ist und die äußersten Sterne weit von all dem Zeug entfernt sind und durch einfache Newtonsche Schwerkraft langsamen, faulen Umlaufbahnen folgen sollten.
Aber sie tun es nicht.
Stattdessen kreisen die äußersten Sterne genauso schnell wie ihre Cousins in der Stadt.
Da dies ein Schwerkraftspiel ist, gibt es nur zwei Möglichkeiten. Entweder verstehen wir die Schwerkraft falsch oder es gibt zusätzliche unsichtbare Dinge, die jede Galaxie durchnässen. Und soweit wir das beurteilen können, bekommen wir die Schwerkraft sehr, sehr richtig (das ist ein weiterer Artikel), also boom: dunkle Materie. Etwas hält diese freilaufenden Sterne in ihren Galaxien gefangen, sonst wären sie vor Millionen von Jahren wie ein außer Kontrolle geratenes Karussell herausgeschleudert worden. Ergo gibt es eine ganze Reihe von Dingen, die wir nicht direkt sehen, aber indirekt erkennen können.
Schwer werden
Aber was ist, wenn dies nicht nur ein Spiel der Schwerkraft ist? Es gibt schließlich vier grundlegende Naturkräfte: starke Nuklearkräfte, schwache Nuklearkräfte, Schwerkraft und Elektromagnetismus. Kann einer von ihnen in diesem großartigen galaktischen Spiel mitspielen?
Starkes Atomkraftwerk arbeitet nur in winzigen subatomaren Maßstäben. Und niemand kümmert sich um schwache Atomwaffen, außer in bestimmten seltenen Zerfällen und Wechselwirkungen, also können wir das auch beiseite legen. Und Elektromagnetismus… nun, offensichtlich spielen Strahlung und Magnetfelder eine Rolle im galaktischen Leben, aber Strahlung drückt immer nach außen (was offensichtlich nicht dazu beiträgt, sich schnell bewegende Sterne einzudämmen) und galaktische Magnetfelder sind unglaublich schwach (nicht stärker als) ein Millionstel des Erdmagnetfeldes). Also ... nein, richtig?
Wie fast alles in der Physik gibt es einen hinterhältigen Ausweg. Soweit wir das beurteilen können, ist das Photon - der Träger der elektromagnetischen Kraft selbst - völlig masselos. Aber Beobachtungen sind Beobachtungen, und nichts in der Wissenschaft ist mit Sicherheit bekannt, und aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass die Masse des Photons nicht mehr als 2 x 10 beträgt-24 die Masse des Elektrons. Für alle Absichten und Zwecke ist dies im Grunde genommen Null für fast alles, was irgendjemand interessiert. Aber wenn das Photon tutMasse haben, auch unterhalb dieser Grenze, kann es einige ziemlich lustige Dinge mit dem Universum tun.
Mit der Anwesenheit von Masse im Photon nehmen die Maxwellschen Gleichungen, wie wir Elektrizität, Magnetismus und Strahlung verstehen, eine modifizierte Form an. Zusätzliche Begriffe erscheinen in der Mathematik und neue Interaktionen nehmen Gestalt an.
Kannst du das fühlen?
Die neuen Interaktionen sind angemessen kompliziert und hängen vom jeweiligen Szenario ab. Bei Galaxien fühlen sich ihre schwachen Magnetfelder etwas Besonderes an. Aufgrund der verwickelten und verdrehten Natur der Magnetfelder verändert das Vorhandensein massereicher Photonen die Maxwellschen Gleichungen in gerade der richtige Weg, um eine neue Anziehungskraft hinzuzufügen, die in einigen Fällen allein eine stärkere Schwerkraft sein kann.
Mit anderen Worten, die neue elektromagnetische Kraft könnte in der Lage sein, sich schnell bewegende Sterne festzuhalten, wodurch die Notwendigkeit dunkler Materie insgesamt beseitigt wird.
Aber es ist nicht einfach. Die Magnetfelder ziehen sich durch das interstellare Gas der Galaxie, nicht durch die Sterne selbst. Diese Kraft kann also nicht direkt auf Sterne einwirken. Stattdessen muss die Truppe dem Gas ihren Zug bekannt machen, und irgendwie muss das Gas die Sterne wissen lassen, dass es eine neue Sheriffin-Stadt gibt.
Bei massiven, kurzlebigen Sternen ist dies ziemlich einfach. Das Gas selbst peitscht mit Höchstgeschwindigkeit um den galaktischen Kern, bildet einen Stern, der Stern lebt, der Stern stirbt und die Überreste werden schnell genug wieder zu Gas, so dass diese Sterne in jeder Hinsicht die Bewegung des Gases nachahmen und geben uns die Rotationskurven, die wir brauchen.
Großes Problem in kleinen Sternen
Aber kleine, langlebige Sterne sind ein anderes Tier. Sie entkoppeln sich von dem Gas, das sie gebildet hat, und leben ihr eigenes Leben. Sie kreisen viele Male um das galaktische Zentrum, bevor sie ablaufen. Und da sie die seltsame neue elektromagnetische Kraft nicht spüren, sollten sie einfach ganz von ihren Galaxien wegdriften, weil nichts sie in Schach hält.
Wenn dieses Szenario genau wäre und massive Photonen dunkle Materie ersetzen könnten, sollte unsere eigene Sonne nicht dort sein, wo sie heute ist.
Darüber hinaus haben wir sehr gute Gründe zu der Annahme, dass Photonen wirklich masselos sind. Sicher, Maxwells Gleichungen mögen nicht sehr wichtig sein, aber spezielle Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie sind sicher. Sie fangen an, mit der Photonenmasse herumzuspielen, und Sie müssen viel erklären, Herr.
Nur weil jeder Galaxienrotationskurven liebt, heißt das nicht, dass sie unser einziger Weg zur dunklen Materie sind. Beobachtungen von Galaxienhaufen, Gravitationslinsen, das Wachstum der Struktur im Universum und sogar der kosmische Mikrowellenhintergrund weisen alle in Richtung einer unsichtbaren Komponente unseres Universums.
Auch wenn das Photon Masse hatte und irgendwie in der Lage war, die Bewegungen von zu erklären alle Sterne in einer Galaxie, nicht nur die massiven, es wäre nicht in der Lage, die Vielzahl anderer Beobachtungen zu erklären (wie könnte beispielsweise eine neue elektromagnetische Kraft die Gravitationsbiegung von Licht um einen Galaxienhaufen erklären? Es ist keine rhetorische Frage - es kann nicht). Mit anderen Worten, selbst in einem Kosmos voller massiver Photonen brauchen wir immer noch dunkle Materie.
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