The Incredible Dark Matter Mystery: Varför astronomer säger att den saknas i aktion

Astronomer har ett problem. Närhelst de studerar universums storskaliga struktur blir det snart klart att mängden synlig materia omöjligen kan generera tillräckligt med gravitation för att hålla ihop strukturerna de kan se. Saker som galaxhopar och till och med galaxer själva borde flyga isär med tanke på mängden vanlig materia de innehåller.

Något annat måste hålla ihop dessa saker. Så astronomer har drömt upp idén om mörk materia - mystiska, osynliga och icke-interagerande saker som fyller universum och genererar den gravitation som krävs för att hålla ihop allt.

Detta är inte ett litet problem som kräver en liten mängd extra massa. Problemet är enormt. Enligt den senaste bilden av universums storskaliga struktur från rymduppdraget Planck utgör vanlig synlig materia bara 5 procent av universums totala massa/energi medan mörk materia utgör 27 procent (resten är den ännu mer mystiska mörka energin).

För att få siffrorna att fungera säger astrofysiker till oss att vår galax borde bestå av minst 80 procent mörk materia.

Det betyder att vårt solsystem borde simma i grejerna. Faktum är att fysiker har beräknat att partiklar av mörk materia borde slå in i varje människa på planeten med en hastighet av 100 000 gånger per år, som vi såg förra året.

Men det väcker en viktig fråga. Om vi ​​plöjer genom ett tjockt hav av mörk materia som astrofysiker föreslår, varför ser vi inga bevis på det?

De flesta mörk materiadetektorer fungerar genom att leta efter bevis för de kollisioner som mörk materia måste göra med vanlig materia. Några av dessa experiment säger att de har hittat preliminära bevis för dessa kollisioner.

Men det finns ett annat sätt att leta efter mörk materia – genom dess gravitationseffekter på själva solsystemet. Om solen är omgiven av en tjock soppa av mörk materia borde vi kunna se dess gravitationsinflytande på planeternas, månarnas och asteroidernas banor.

Idag har Nikolay Pitjev vid St. Petersburg State University och Elena Pitjeva vid Institutet för tillämpad astronomi i St Petersburg, båda i Ryssland, använt den mest detaljerade uppsättningen mätningar av planetbanor som någonsin gjorts för att studera denna fråga. Deras slutsats är att gravitationseffekten av mörk materia på solsystemet är försumbar.

Pitjev och Pitjeva har sammanställt en imponerande datamängd som består av cirka 677 000 mätningar av planetariska positioner som tagits sedan 1910. Dessa inkluderar optiska mätningar från observatorier på jorden, mätningar från olika rymdfarkoster som Cassini vid Saturnus och Mars- och Venus Express-uppdragen plus olika ryska mätningar radarmätningar av planetariska positioner tagna mellan 1961 och 1995.

Dessa uppgifter har blivit allt mer korrekta de senaste åren. Till exempel anger data från Cassini dess avstånd vid Saturnus till inom en meter eller så.

Astrofysiker har använt dessa mätningar för att modellera solsystemets beteende, med hänsyn till störningarna som orsakas av de stora planeterna, Månen, de 301 största asteroiderna, de andra asteroiderna modellerade som en enhetlig ring, de 21 största trans-neptuniska objekten och så vidare.

Efter att ha tagit hänsyn till allt detta letade Pitjev och Pitjeva efter onormala gravitationseffekter som kan vara resultatet av mörk materia. Om mörk materia finns i solsystemet borde det leda till ytterligare gravitationsinflytande på alla kroppar, säger de.

Den förbryllande nyheten är att Pitjev och Pitjeva inte hittar några bevis för detta i sin analys. Om det finns där måste dess effekt vara mindre än felen i data.

För att uppfylla denna gräns beräknar de faktiskt att mängden mörk materia inom Saturnus omloppsbana måste vara liten. Den mörka materiens massa i sfären inom Saturnus bana borde vara mindre än 1,7 10^−10M⊙, säger de. Det är ungefär massan av en stor asteroid.

Så astronomer kliar sig i huvudet. Å ena sidan säger de att mörk materia måste hålla ihop vår galax med ett lastliknande gravitationsgrepp. Å andra sidan är dess gravitationseffekt på solsystemet försumbar. Något måste ge.

Detta problem med de motsägelsefulla effekterna av mörk materia på olika skalor håller snabbt på att förvandlas till det mest fascinerande och akuta problemet inom fysik och astronomi,

Forskare lägger för närvarande stora pengar på att designa, bygga och driva gigantiska experiment som letar efter mörk materia i vår närhet. Och ändå tyder de bevis som redan samlats in från andra källor, som denna analys av Pitjev och Pitjeva, att denna investering kan ge en mycket dålig avkastning.

Det kommer inte att stoppa dem att leta och det borde det inte heller. Men problemet med mörk materia kommer sannolikt att skapa betydande kontroverser under de kommande månaderna och åren.

Ref: arxiv.org/abs/1306.5534 : Restriktioner för mörk materia i solsystemet

Dölj