Isang composite view ng nakamamanghang kalawakan na Centaurus A, ang pinakamalapit na aktibong kalawakan sa Milky Way. Sinusukat ang 16 satellite galaxies sa paligid ng kalawakan na ito, na may 14 sa kanila na lumilitaw na namamalagi sa isang co-rotating eroplano, na tinutukoy ang walang kamalayan na pag-asa ng malamig na madilim na madilim na bagay. Credit ng larawan: ESO / WFI (Optical); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (X-ray).

Ang Satellite Galaxies Mabuhay Sa Parehong Plane Bilang Ang kanilang Mga Hukasan, Pagtatanggi sa Madilim na Matandang Paunang hula

Ngunit ito ba talaga ay isang problema para sa teorya? O ang pisika ba ang iligtas?

Ang madilim na bagay ay isa sa pinakamalakas, ngunit isa sa mga pinaka-kontrobersyal, mga ideya na magaganap sa modernong pisika. Nakikita namin ang hindi masasang-ayon na ebidensya na ang normal na bagay na naroroon sa Uniberso, na binubuo ng mga proton, neutron, at elektron, ay hindi maipaliwanag ang buong suite ng mga epekto ng gravitational sa kanilang sarili. Ang pagdaragdag ng isang karagdagang mapagkukunan ng masa na may mga partikular na pag-aari, ibig sabihin, madilim na bagay, ay nagdadala ng halos lahat ng mga hula ng gravitation na naaayon sa kung ano ang nakikita natin. Ngunit ang isa sa mga hula ng madilim na bagay ay ang maliit, dwarf, satellite galaxies ay dapat na bumubuo sa isang malaking halo sa paligid ng mga malalaking kalawakan. Ngunit sa paligid ng Milky Way, Andromeda, at ngayon Centaurus A, hindi sila nakatira sa isang halo, ngunit sa halip, isang disk. Ang mga mananaliksik na gumagawa ng pinakabagong pag-aaral na inaangkin na ito ay isang pangunahing hamon sa karaniwang larawan ng malamig na madilim na bagay (CDM) kosmolohiya. Ngunit ito ba, talaga? Ang paghanap ay nangangailangan ng isang malalim na hitsura.

Ang isang detalyadong pagtingin sa Universe ay nagpapakita na ito ay gawa sa bagay at hindi antimatter, ang madilim na bagay at madilim na enerhiya ay kinakailangan, at hindi natin alam ang pinagmulan ng anuman sa mga misteryong ito. Credit ng larawan: Chris Blake at Sam Moorfield.

Sa tuwing mayroon kang isang teorya na nakaka-akit, simple, malulutas ang maraming mga problema, ngunit na ang pangunahing paghula ay maaari lamang makita nang hindi direkta, dapat na magkaroon ng mga naysayers. Halimbawa, ang kosmikong inflation, ay nagpapaliwanag sa pinagmulan ng ating Uniberso, ngunit ang mga natitirang epekto lamang ang makikita ngayon. Ipinapaliwanag ng madilim na enerhiya ang mabilis na pagpapalawak ng Uniberso ng perpekto, ngunit walang nalalaman na paraan upang masuri ang pinagbabatayan nito. At ang madilim na bagay, nakakabigo, ay nagpapaliwanag ng isang buong suite ng kosmolohikal na mga obserbasyon, mula sa mga dinamika ng mga indibidwal na mga kalawakan hanggang sa malaking sukat na kosmiko web hanggang sa mga pagbabago sa labi ng labi ng labi ng kumanta. Ngunit walang sinumang direktang nakakakita ng isang madilim na butil ng bagay. Nakakaintriga, walang kahit na malapit. Gayunpaman, hindi nangangahulugan ito ng madilim na bagay ay hindi totoo; nangangahulugan ito na kailangan nating maging maingat sa aming mga pagsusuri.

Ayon sa mga modelo at simulation, ang lahat ng mga kalawakan ay dapat na naka-embed sa madilim na bagay halos, na ang mga density ay rurok sa mga galactic center. Gayunpaman, ang isang malaking bilang ng mga sub-halo na kumpol ay inaasahan na naroroon, na nagtatago sa mga miniature na mga galaksiya sa loob. Ang kanilang pamamahagi ay dapat na parang halo, hindi tulad ng disk. Credit ng larawan: NASA, ESA, at T. Brown at J. Tumlinson (STScI).

Ang problema sa satellite galaxy ay isang tunay na conundrum, dahil mayroong maraming masalimuot na pisika na kasangkot. Kapag nagpatakbo ka ng isang madilim na simulation na bagay, ito ay isang unibersal na tampok na, sa paglipas ng panahon, nagtatayo ka ng malalaking halos madilim na bagay na pinagsama, na naaayon sa malaking spiral at elliptical na mga kalawakan na alam natin ngayon. Ngunit ang nakapalibot sa kanila ay mas maliit na sub-halos, na lumilitaw, sa mga simulation, sa lahat ng mga orientasyon sa paligid ng mas malaking kalawakan. Gayunman, sa pagsasagawa, ang maliit, satellite galaxies na aktwal nating nakikita sa isang eroplano: ang parehong orbital na eroplano na ang pangunahing disk ng kalawakan ay matatagpuan.

Ang mga dwarf galaxies na natagpuan sa orbit sa paligid ng Centaurus Ang isang kalawakan ay nagpapakita ng isang malinaw na orientation sa eroplano ng kalawakan, isang hamon para sa mga teorya ng CDM. Credit ng larawan: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).

Bukod dito, habang ang hindi nakakaintriga na pag-asa ay ang mga dwarf na mga kalawakan na ito ay magpapakita rin ng mga random na pag-uugali, kung ano ang ating napansin ay nagpapakita ng makabuluhang ebidensya na ang mga satellite na ito ay co-rotating sa pangunahing galaxy mismo. Ito ay natagpuan muna para sa Milky Way at Andromeda, at ang bagong pananaliksik ay nagpapahiwatig na ito ay totoo para sa Centaurus A din, na may 14 sa 16 natuklasan na mga kalawakan ng satellite na lumilitaw na magkasama kasama ang gitnang kalawakan.

Alinman sa isang bagay na itinatago ang halos ito, ang isang bagay ay mali sa mga simulation, o isang bagay ay hindi ganap na isinasaalang-alang ng madilim na bagay. Tingnan natin ang bawat isa sa mga posibilidad.

Lamang sa humigit-kumulang na 1000 bituin ang naroroon sa kabuuan ng mga dwarf galaxies na Segue 1 at Segue 3, na mayroong gravitational mass na 600,000 Suns. Ang mga bituin na bumubuo sa dwarf satellite Segue 1 ay napapalibot dito. Credit ng larawan: Marla Geha at Keck Observatories.

1.) Ang mga halos ito ay totoo, ngunit ang mga out-of-disk dwarf satellite ay masyadong mahirap makita. Ang nawawalang problema sa satellite ay isang matagal na panahon sa kosmolohiya, dahil ang mga simulation ng CDM ay matagal nang ipinahiwatig na higit pang mga dwarf na mga kalawakan sa paligid ng mga malalaking kalawakan kaysa sa aming natuklasan. Kamakailan lamang, natagpuan ang mga mahahalagang bilang ng mga ultra-malabo na kalawakan ng dwarf, karamihan sa malapit. Ang mga ito ay fainter kaysa sa kahit na ang mga bukas na kumpol ng bituin na matatagpuan sa Milky Way, na may maraming naglalaman lamang ng daan-daang mga bituin, sa kabila ng madilim na bagay na masa sa daan-daang libong solar masa. Gayunpaman, hindi ito ganap na ipaliwanag ang problema sa orientation, dahil ang eroplano ay tila totoo.

Bukod dito, ang pangangatwiran na ang mga dwarf na ito ay maitatago ay dapat mailapat lamang sa Milky Way, yamang ang eroplano lamang nito ang makakatago ng mga satellite. Ang obserbasyon ng mga satellite ng Centaurus A at Andromeda ay lilitaw upang ilatag ito upang magpahinga. Mayroong mga argumento tungkol sa kung ang lahat ng mga sinusunod na eroplano ay pabago-bago na matatag sa mga mahabang beses, ngunit hindi ito lumilitaw na ang maliit, nawawalang mga dwarf ay maaaring ipaliwanag ang hindi inaasahang pag-align ng planar.

Malaking scale projection sa pamamagitan ng dami ng Illustris sa z = 0, nakasentro sa pinakalalakas na kumpol, malalim na 15 Mpc / h. Nagpapakita ng madidilim na bagay na bagay (kaliwa) na paglilipat sa density ng gas (kanan). Ang malakihang istraktura ng Uniberso ay hindi maipaliwanag nang walang madilim na bagay, bagaman maraming nabago ang mga pagtatangka sa grabidad. Gayunpaman, mas maliit ang mga istraktura ng scale, gayunpaman, madalas na magdulot ng mga problema para sa mga simulation ng madilim na bagay. Imahe ng Larawan: Paglinang ng Larawan / Pagsasalamin ng Larawan.

2.) Ang mga simulation na hinuhulaan ang isang halo-tulad ng pamamahagi ng mga satellite ay flawed. Ito ay isang potensyal na paliwanag na dapat isaalang-alang nang seryoso. Mayroong isang napakalaking bilang ng mga proseso sa pag-play sa ebolusyon ng galactic, kabilang ang mga pagsasanib ng mga mas maliit na mga kalawakan upang makabuo ng mga mas malalaki, malulubhang bagay sa mga kalawakan na ito, at ang daloy ng madilim at normal na bagay kasama ang mga cosmic filament. Ang mga filamentong ito ay kilala upang gumana bilang isang uri ng galactic highway, nakakatuwang maliit na mga kalawakan papunta sa mas malalaking mga higit sa bilyun-bilyong taon. Bilang karagdagan, may mga epekto ng puna mula sa pagbuo ng bituin, at ang interplay ng gas, plasma, at radiation ay maaaring maglaro ng isang papel na hindi maayos na naisip para sa mga karaniwang simulasi ng CDM. Ang pamamahagi na tulad ng halo ay maaaring hindi isang pangkaraniwang tampok, pagkatapos ng lahat, kapag ang lahat ng iba pang mga pisikal na epekto ay naitala.

Tulad ng nakikita sa nakikita na ilaw, ang kalawakan na Centaurus A ay mukhang isang halo ng isang pinamamahalaan ng disk at isang elliptical na kalawakan. Ang mga obserbasyon ng mga satellite na nag-orbit dito, gayunpaman, hamunin ang maginoo na paliwanag ng CDM, kahit gaano mo ito hiwa. Credit ng larawan: Christian Wolf & SkyMapper Team / Australian National University.

3.) May isang bagay na mali sa mismong ideya ng madilim na bagay. Gayunpaman, ang kamag-anak na kahalagahan ng mga pisikal na epekto na nakalista sa itaas, ay mainit na pinagtatalunan. Tulad ng tandaan ng mga may-akda ng bagong papel: "Kahit na nakita namin na ang mga kinematics ng [Centaurus] Isang satellite ay hindi malamang na mangyari nang hindi sinasadya, hindi ito pinahihintulutan sa amin na gumawa ng mga konklusyon tungkol sa kasunduan nito sa mga hula mula sa [malamig na madilim na bagay ] kosmolohiya. ” Ang pinaka-modernong simulation ay hindi nabubuong muling gawin kung ano ang sinusunod sa paligid ng mga kalawakan tulad ng Centaurus A, Milky Way, at Andromeda, at ang mga may-akda ng kasalukuyang papel ay iginiit na ang pag-igting na ito, samakatuwid, ay pinapaboran ang isang kahalili sa madilim na paliwanag ng bagay. Posible ito, tulad ng iminungkahi ng mga may-akda, na ang mga satellite na ito ay lumitaw mula sa isang makasaysayang pangunahing pagsama-sama sa pagitan ng dalawang maihahambing na laki ng mga kalawakan. Ito rin, ay maraming pinagtatalunan, ngunit kawili-wili, posibilidad.

Karaniwan ang mga pagsasanib ng Galaxy, at habang tumatagal, ang lahat ng mga galaksiyang nakagapos sa mga pangkat at mga kumpol ay kalaunan ay sumanib sa isang kalawakan sa pangunahing bawat istruktura. Kapag nangyari ang mga pangunahing pagsasanib, ang resulta ay madalas na isang higanteng elliptical, ngunit walang sinuman ang tiyak kung ano ang mangyayari sa malayo sa mga dwarf satellite galaxies. Credit ng larawan: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. ng Science / ESA / NASA.

Ang bawat pananaw ay may ilang katibayan upang suportahan ito, ngunit malinaw na ang hula ng isang halo-tulad ng pamamahagi ng lahat ngunit ang napakaliit na satellite ay hindi kung ano ang ibinibigay sa amin ng Uniberso. Para sa tatlong malalaking kalawakan, ngayon - ang Milky Way, Andromeda, at Centaurus A - lumilitaw ang mga obserbasyonal na katotohanan upang ipakita na ang mga dwarf satellite galaxies ay lumilitaw sa isang eroplano na nakapaligid sa mga malalaking ito. Bukod dito, mayroong iminumungkahi na katibayan na ang mga dwarf na mga kalawakan na ito ay gumagalaw kasama ang pag-ikot ng malaking kalawakan. Gayunpaman, kung titingnan mo ang kalapit na Universe, mayroong isang mahalagang kadahilanan sa paglalaro: may mga lokal na daloy ng bagay, parehong normal at madilim, sa mga kalawakan na ito din. Kung mayroong isang kagustuhan na direksyon sa kung paano ang bagay ay nahuhulog sa mga kalawakan na ito, nararapat na maging isang kagustuhan na direksyon sa mga dwarf satellite na maging nakatali sa kanila.

Ipinapakita ng figure na ito ang kasalukuyang stream ng mga kalawakan - ang daloy kasama ang kosmikong super-highway at sa tulay sa Virgo, sa rehiyon sa paligid ng Milky Way, Andromeda at Centaurus A. Image credit: 'Mga eroplano ng Satellite Galaxies at ang Cosmic Web , 'Noam Libeskind et al., 2015.

Noong 2015, isang koponan na pinamunuan ni Noam Libeskind ang natuklasan ang eksaktong epekto nito. "Ito ang unang pagkakataon na nagkaroon kami ng pag-verify ng pag-verify na ang mga malalaking filamentary super highway ay nagsusumite ng mga kalawakan ng kalawakan sa buong kosmos kasama ang mga magagandang tulay ng madilim na bagay," sabi ni Libeskind sa oras na iyon. Ngayon, halos tatlong taon mamaya, ang larawan ay nakumpirma na may mas mahusay na data sa mas malaking katumpakan. Walang karagdagang mga pahiwatig na ang madilim na bagay ay higit na mas malamang kaysa sa nauna sa pag-aaral na ito. Gayunpaman, ang kasalukuyang koponan na ito ay higit na nag-aalinlangan tungkol sa pangkalahatang CDM, at mas hilig na maghanap ng mga alternatibong paliwanag, tulad ng mga pangunahing pagsasanib, para sa pinagmulan ng mga satelayt ng eroplano.

Apat na nagbabanggaang mga kumpol ng kalawakan, na nagpapakita ng paghihiwalay sa pagitan ng X-ray (pink) at gravitation (asul), na nagpapahiwatig ng madilim na bagay. Sa malalaking mga kaliskis, kinakailangan ang CDM, ngunit sa maliit na kaliskis, hindi ito matagumpay sa sarili nitong gusto namin. Credit ng larawan: X-ray: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optical / Lensing: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (itaas na kaliwa); X-ray: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al.; Optical: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (kanang itaas); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italya) / CFHTLS (kaliwang kaliwa); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), at S. Allen (Stanford University) (kanang kanan).

Sa isang pakikipanayam sa coauthor sa pag-aaral na si Marcel Pawlowski ng University of California, Irvine, isinaysay niya ang sumusunod:

"Sa malaking kaliskis, ang [CDM] ay talagang matagumpay. Sa palagay ko, sa pangkalahatan, dapat tayong maging mas magkakaibang sa ating mga pamamaraan. Ang MOND, sa kabilang banda, ay matagumpay sa pagtula ng mga dinamikong maliit na scale. Natuwa talaga ako sa mga posibilidad na pagsamahin ang mga tagumpay ng pareho. Ang superfluid dark matter ay isa sa mga kagiliw-giliw na posibilidad, na nagbibigay sa iyo ng malaking sukat ng tagumpay ng madilim na bagay, ngunit binubuo din ang isang MOND na epekto sa maliit na kaliskis. Sa palagay ko dapat nating hikayatin at suriin pa ang mga posibilidad na ito. Sa palagay ko hindi namin dapat isuko ang anumang bagay, ngunit sa palagay ko dapat na ituloy ng bukid ang mga alternatibong pamamaraan na ito. "

Gayunpaman, tulad ng pagtuklas na ang mga mabibigat na elemento ay ginawa sa mga bituin, sa halip na ang unang bahagi ng Uniberso, ay hindi nagpapatunay sa Big Bang, posible na ang dalawang magkumpitensya na pananaw ay parehong tama. Posible na ang baryonic, gala-making matter ay dumadaloy sa mga kalawakan sa pamamagitan ng mga filamentary pathway, na ang CDM ay responsable para sa malakihang istraktura at tampok ng Uniberso, at din na ang mga dwarf satellite na ito ay lumitaw mula sa mga pangunahing pagsasanib sa kanilang sarili, hindi mula sa mga hula ng CDM. Kung ito ang kaso, gayunpaman, nais naming ganap na asahan ang mga "splashback" na mga kalawakan na pinamamahalaan ng mga baryon, hindi sa madilim na bagay. Kapansin-pansin, ang mga dwarf satellite galaxies ay nagpapakita ng isang halo: sa ilang mga kaso, ang mga resulta ay sumasang-ayon sa hula ng CDM halos, habang sa iba pa, ang mga hula ng CDM ay lumilitaw na labis na labis na pinalaki ang madilim na masa. Ang isang pinag-isang modelo, na accounting para sa buong suite ng mga obserbasyon, ay nakatatakot pa rin sa amin.

Iba't ibang mga pa rin mula sa isang kunwa ng pagsasama ng Milky Way at Andromeda galaxies. Kapag nangyari ang isang pangunahing pagsasama, maaaring ito ang kaso na ang isang malaking halaga ng mga labi ay sinipa, na lumilikha ng mga satellite galaxies na pinamamahalaan ng normal na bagay. Credit ng larawan: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas, at A. Mellinger.

Kaya sino ang tama? Tulad ng mga simulation na mas mahusay sa pagdaragdag sa mga karagdagang dinamika tulad ng madilim na bagay / radiation / normal na pakikipag-ugnayan sa bagay, puna ng pagbuo ng bituin, feedback ng lokal na kakaibang bilis at higit pa, mas mahusay silang tumutugma sa mga obserbasyon, ngunit hindi pa rin perpekto at tiyak na hindi pangkalahatan. Sa kabilang banda, ang mga kahalili sa madilim na bagay ay nagdurusa pa rin ng parehong mga pagkabigo kapag sinusubukang muling kopyahin ang kosmiko web, background ng kosmiko microwave, o ang dinamika ng mga nakabangga na kumpol ng kalawakan. Gayunpaman, mahalagang panatilihin ang isang bukas na pag-iisip hangga't ang ebidensya sa paninigarilyo para sa CDM ay nawawala, at tandaan din na ito ay isang palaisipan na maaaring sabihin nang higit pa tungkol sa kalawakan ng ebolusyon at pagsasanib kaysa sa tungkol sa madilim na bagay. Tulad ng sinabi ni Michael Boylan-Kolchin, "Ang mga resulta ay maaaring humantong sa alinman sa isang mas mahusay na pag-unawa sa pagbuo ng kalawakan sa loob ng modelo ng [cold dark matter] o isang pagtulak upang ibagsak ang pinagbabatayan nitong mga pagpapalagay."

Dahil sa buong suite ng mga tagumpay nito sa lahat ng mga kaliskis, ang madilim na bagay ay narito upang manatili, hindi bababa sa para sa oras. Gayunpaman, ang pagbuo at ebolusyon ng mga kalawakan, lalo na sa mas maliit at mas maliit na mga kaliskis, ay mananatiling isang aktibong lugar ng pananaliksik na may maraming mga hindi nalutas na mga palaisipan sa darating na taon.

Ang Starts With A Bang ay nasa Forbes na ngayon, at nai-publish sa Medium salamat sa aming mga tagasuporta ng Patreon. Mayroong akda si Ethan ng dalawang libro, Beyond The Galaxy, at Treknology: Ang Science of Star Trek mula sa Tricorder hanggang Warp Drive.