Ik ben de eerste om toe te geven dat we donkere materie niet begrijpen. Als we bijvoorbeeld naar een sterrenstelsel kijken en alle hete gloeiende stukjes zoals sterren en gas en stof tellen, krijgen we een bepaalde massa. Als we een andere techniek gebruiken om de massa te meten, krijgen we een veel hoger getal. De natuurlijke conclusie is dus dat niet alle materie in het universum helemaal heet en gloeiend is. Misschien wat als het donker is.
Maar wacht even. Eerst moeten we onze wiskunde controleren. Weet je zeker dat we niet alleen wat natuurkunde verkeerd hebben?
Dark Matter Details
Een groot deel van de puzzel van donkere materie (hoewel zeker niet de enige, en dit zal later in het artikel belangrijk zijn) komt in de vorm van zogenaamde rotatiecurven van sterrenstelsels. Terwijl we sterren in rotatie rond het centrum van hun sterrenstelsels zien ronddraaien, zouden degenen die verder van het centrum verwijderd zijn, naar alle waarschijnlijkheid langzamer bewegen dan degenen die dichter bij het centrum staan. Dit komt omdat het grootste deel van de galactische massa zich in de kern bevindt en de buitenste sterren ver weg zijn van al dat spul, en door eenvoudige zwaartekracht van Newton zouden ze langzame luie banen moeten volgen.
Maar dat doen ze niet.
In plaats daarvan cirkelen de buitenste sterren net zo snel als hun neven in de binnenstad.
Aangezien dit een spel van zwaartekracht is, zijn er slechts twee opties. Of we krijgen de zwaartekracht verkeerd, of er zijn extra onzichtbare dingen die elk sterrenstelsel doordrenken. En voor zover we weten, krijgen we de zwaartekracht heel, heel goed (dat is een ander artikel), dus boem: donkere materie. Iets houdt deze vrijlopende sterren gevangen in hun sterrenstelsels, anders zouden ze miljoenen jaren geleden als een uit de hand gelopen draaimolen zijn uitgeslingerd; ergo, er is een heleboel dingen die we niet direct kunnen zien, maar die we indirect kunnen detecteren.
Zwaar worden
Maar wat als dit niet zomaar een spel van zwaartekracht is? Er zijn tenslotte vier fundamentele natuurkrachten: sterk nucleair, zwak nucleair, zwaartekracht en elektromagnetisme. Speelt een van hen mee in dit geweldige galactische spel?
Sterke kernenergie werkt alleen op kleine subatomaire schalen, dus dat klopt. En niemand geeft om zwakke kernenergie behalve in bepaalde zeldzame verval en interacties, dus we kunnen dat ook terzijde schuiven. En elektromagnetisme ... nou, natuurlijk spelen straling en magnetische velden een rol in het galactische leven, maar straling duwt altijd naar buiten (dus het zal duidelijk niet helpen om snel bewegende sterren binnen te houden) en galactische magnetische velden zijn ongelooflijk zwak (niet sterker dan een miljoenste van het eigen magnetische veld van de aarde). Dus ... nee, toch?
Zoals zo ongeveer alles in de natuurkunde, is er een stiekeme uitweg. Voor zover we weten, is het foton - de drager van de elektromagnetische kracht zelf - volkomen massaloos. Maar waarnemingen zijn waarnemingen en niets in de wetenschap is zeker bekend, en de huidige schattingen plaatsen de massa van het foton op niet meer dan 2 x 10-24 de massa van het elektron. Voor alle doeleinden en doeleinden is dit in feite nul voor zo ongeveer alles waar iemand om geeft. Maar als het foton doetmassa hebben, zelfs onder deze limiet, kan het behoorlijk grappige dingen doen aan het universum.
Met de aanwezigheid van massa in het foton nemen de vergelijkingen van Maxwell, de manier waarop we elektriciteit, magnetisme en straling begrijpen, een gewijzigde vorm aan. Extra termen komen voor in de wiskunde en er ontstaan nieuwe interacties.
Kunt u dat voelen?
De nieuwe interacties zijn behoorlijk gecompliceerd en hangen af van het specifieke scenario. In het geval van sterrenstelsels beginnen hun zwakke magnetische velden iets bijzonders te voelen. Vanwege de verwarde en verdraaide upnatuur van de magnetische velden, wijzigt de aanwezigheid van massieve fotonen de vergelijkingen van Maxwell in alleen maar de juiste manier om een nieuwe aantrekkingskracht toe te voegen die in sommige gevallen alleen de zwaartekracht kan versterken.
Met andere woorden, de nieuwe elektromagnetische kracht kan snel bewegende sterren binnenhouden, waardoor de behoefte aan donkere materie helemaal wegvalt.
Maar het is niet makkelijk. De magnetische velden lopen door het interstellaire gas van de melkweg, niet door de sterren zelf. Dus deze kracht kan niet rechtstreeks op sterren trekken. In plaats daarvan moet de kracht zijn aantrekkingskracht kenbaar maken aan de gassen, en op de een of andere manier moet het gas de sterren laten weten dat er een nieuwe sheriffin-stad is.
In het geval van massieve, kortlevende sterren is dit vrij eenvoudig. Het gas zelf zwaait met hoge snelheid rond de galactische kern, vormt een ster, de ster leeft, de ster sterft, en de restanten worden snel genoeg weer gas, zodat deze sterren in alle opzichten de beweging van het gas nabootsen, waardoor ons de rotatiecurven die we nodig hebben.
Grote problemen in Little Stars
Maar kleine, langlevende sterren zijn een ander beest. Ze ontkoppelen zich van het gas dat hen heeft gevormd en leven hun eigen leven, waarbij ze vele malen rond het galactische centrum cirkelen voordat ze aflopen. En aangezien ze de vreemde nieuwe elektromagnetische kracht niet voelen, moeten ze gewoon helemaal wegdrijven van hun sterrenstelsels, omdat niets hen in toom houdt.
Als dit scenario juist was en enorme fotonen donkere materie zouden kunnen vervangen, zou onze eigen zon niet moeten zijn waar hij vandaag is.
Bovendien hebben we heel goede redenen om te geloven dat fotonen echt massaloos zijn. Natuurlijk, Maxwell's vergelijkingen geven er misschien niet zoveel om, maar speciale relativiteitstheorie en kwantumveldentheorie doen dat zeker. Je begint te rotzooien met de fotonmassa en je moet veel uitleggen, meneer.
Bovendien betekent niet dat iedereen dol is op rotatiecurven van sterrenstelsels niet dat dit onze enige route naar donkere materie is. Melkwegclusters waarnemingen, zwaartekrachtlensing, de groei van structuur in het universum en zelfs de kosmische microgolfachtergrond wijzen allemaal in de richting van een soort van onzichtbare component naar ons universum.
Zelfs als het foton massa had en op de een of andere manier de bewegingen van kon verklaren allemaal sterren in een melkwegstelsel, niet alleen de massieve, het zou de vele andere waarnemingen niet kunnen verklaren (hoe zou bijvoorbeeld een nieuwe elektromagnetische kracht de zwaartekrachtbuiging van licht rond een melkwegcluster kunnen verklaren? Het is geen retorische vraag - het kan niet). Met andere woorden, zelfs in een kosmos gevuld met enorme fotonen, zouden we ook nog donkere materie nodig hebben.
Je kunt het tijdschriftartikel lezen hier.
