Vera Rubin och mörk materia
även om hennes far var tveksam till karriärmöjligheterna inom astronomi, stödde han hennes intresse genom att hjälpa henne att bygga sitt eget teleskop och gå med henne till amatör astronomer möten. Hon fick ett stipendium till det prestigefyllda Women ’ s college Vassar, där hon tog examen som den enda astronomiska majoren 1948. Ansökan till forskarskolor fick Rubin veta att ”Princeton accepterar inte kvinnor” i astronomiprogrammet. (Den politiken övergavs inte förrän 1975.) Oförskräckt ansökte Rubin på Cornell, där hon studerade fysik under Philip Morrison, Richard Feynman och Hans Bethe. Hon fortsatte sedan till Georgetown University, där hon tog sin doktorsexamen 1954 (under George Gamow, som var i närheten vid George Washington University).
” I en spiralgalax är förhållandet mellan mörk och ljus Materia ungefär en faktor tio. Det är förmodligen ett bra tal för förhållandet mellan vår okunnighet och kunskap. Vi är ute av dagis, men bara i ungefär tredje klass.”- Vera Rubin
Efter att ha undervisat i några år på Georgetown tog hon en forskningsposition vid Carnegie Institution i Washington, som hade ett blygsamt astronomiprogram. Hennes arbete fokuserade på observationer av galaxernas dynamik. Hon samarbetade med Kent Ford, en astronom som hade utvecklat en extremt känslig spektrometer.
Rubin och Ford använde spektrometern för att sprida ut spektrumet av ljus som kommer från stjärnorna i olika delar av spiralgalaxer. Stjärnorna i en galaxs skiva rör sig i ungefär cirkulära banor runt mitten. Om skivan är benägen till vår siktlinje, närmar sig stjärnorna på ena sidan oss medan de på andra sidan rör sig bort. När en ljuskälla rör sig mot oss ser vi en minskning av ljusets våglängder (ett skifte mot spektrumets blå ände), och när källan rör sig bort ser vi en ökning av våglängderna (ett skifte mot den röda änden). Detta kallas Doppler-effekten, och våglängdsförskjutningen är proportionell mot ljuskällans hastighet i förhållande till observatören. Rubin och Ford gjorde noggranna mätningar av dopplerskift över skivorna i flera galaxer. De kunde sedan beräkna stjärnornas omloppshastigheter i olika delar av dessa galaxer.eftersom kärnområdet i en spiralgalax har den högsta koncentrationen av synliga stjärnor, antog astronomer att det mesta av massan och därmed tyngdkraften i en galax också skulle koncentreras mot dess centrum. I så fall, ju längre en stjärna är från mitten, desto långsammare är dess förväntade omloppshastighet. På samma sätt rör sig de yttre planeterna i vårt solsystem långsammare runt solen än de inre. Genom att observera hur stjärnornas omloppshastighet beror på deras avstånd från galaxens centrum kan astronomer i princip beräkna hur massan fördelas över galaxen.
När Rubin och Ford började göra Doppler-observationer av orbitalhastigheterna i spiralgalaxer upptäckte de omedelbart något helt oväntat. Stjärnorna Långt från galaxernas centrum, i de glesbefolkade yttre regionerna, rörde sig lika snabbt som de närmare. Detta var konstigt, eftersom den synliga massan av en galax inte har tillräckligt med gravitation för att hålla sådana snabbt rörliga stjärnor i omlopp. Det följde att det måste finnas en enorm mängd osynlig materia i de yttre områdena av galaxer där de synliga stjärnorna är relativt få. Rubin och Ford fortsatte med att studera några sextio spiralgalaxer och hittade alltid samma sak. ”Vad du ser i en spiralgalax, ”avslutade Rubin,” är inte vad du får.”
hennes beräkningar visade att galaxer måste innehålla ungefär tio gånger så mycket” mörk ” massa som kan redovisas av de synliga stjärnorna. Kort sagt, minst nittio procent av massan i galaxer, och därför i det observerbara universum, är osynlig och oidentifierad. Sedan kom Rubin ihåg något hon lärde sig som doktorand om tidigare bevis för osynlig massa i universum. 1933 hade Fritz Zwicky analyserat Dopplerhastigheterna för hela galaxer inom Komaklustret. Han fann att de enskilda galaxerna i klustret rör sig så snabbt att de skulle fly om klustret hölls samman endast av tyngdkraften i sin synliga massa. Eftersom klustret inte visar några tecken på att flyga isär, måste det innehålla en övervägande av ”mörk materia”—ungefär tio gånger mer än den synliga materien—för att binda den ihop. Zwickys slutsats var korrekt, men hans kollegor hade varit skeptiska. Rubin insåg att hon hade upptäckt övertygande bevis för Zwickys mörka materia. Det mesta av universums massa är verkligen dold från vår åsikt.
många astronomer var ursprungligen ovilliga att acceptera denna slutsats. Men observationerna var så entydiga och tolkningen så enkel att de snart insåg att Rubin måste ha rätt. De lysande stjärnorna är bara de synliga spårarna av en mycket större massa som utgör en galax. Stjärnorna upptar endast de inre områdena av en enorm sfärisk ”halo” av osynlig mörk materia som omfattar det mesta av en galaxmassa. Kanske finns det även stora ansamlingar av mörk materia i de stora utrymmena mellan galaxerna, utan några synliga stjärnor för att spåra deras närvaro. Men i så fall skulle de vara mycket svåra att observera.
och precis vad är denna ”mörka materia” hittills obemärkt förutom av effekten av dess gravitation på stjärnorna? Frågan är en av de stora olösta mysterier astronomi idag. Många teoretiska och observationella astronomer arbetar hårt för att försöka svara på det.
Vera Rubin fortsätter att utforska galaxerna. 1992 upptäckte hon en galax (NGC 4550) där hälften av stjärnorna i skivan kretsar i en riktning och hälften i motsatt riktning, med båda systemen blandade! Kanske berodde detta på sammanslagningen av två galaxer som roterar i motsatta riktningar. Rubin har sedan dess hittat flera andra fall av liknande bisarrt beteende. På senare tid fann hon och hennes kollegor att hälften av galaxerna i great Virgo-klustret visar tecken på störningar på grund av nära gravitationsmöten med andra galaxer.
som ett erkännande av hennes prestationer valdes Vera Rubin till National Academy of Sciences och 1993 tilldelades National Medal of Science. Men under hela sin karriär har Rubin inte sökt status eller acclaim. Snarare har hennes mål varit den personliga tillfredsställelsen av vetenskaplig upptäckt. ”Vi har kikat in i en ny värld,” skrev hon, ”och har sett att den är mer mystisk och mer komplex än vi hade föreställt oss. Ännu fler mysterier i universum förblir dolda. Deras upptäckt väntar på framtidens äventyrliga forskare. Jag gillar det här sättet.”