Rotationen av stjärnor i galaxer som Vintergatan är förbryllande. Stjärnornas omloppshastighet bör minska med deras avstånd från galaxens centrum, men egentligen, stjärnor i mitt- och ytterområdena av galaxer har samma rotationshastighet. Detta kan bero på gravitationseffekten av materia som vi inte kan se. Men även om forskare har sökt det i decennier, existensen av mörk materia har ännu inte definitivt bevisats och vi vet fortfarande inte vad den kan vara gjord av. Med detta i åtanke, fysikerna Dmitri Ryutov, Dmitry Budker och Victor Flambaum har föreslagit att rotationsdynamiken hos galaxer kan förklaras av andra faktorer. De antar att massan av fotoner, som är partiklar av ljus, kan vara ansvarig.

Professor Dmitri Ryutov, som nyligen gick i pension från Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, U.S., är expert på plasmafysik. Han tilldelades American Physical Society (APS) 2017 Maxwell Prize for Plasma Physics för sina prestationer inom området. Fysiker krediterar i allmänhet Ryutov med att fastställa den övre gränsen för fotonens massa. Eftersom denna massa är extremt liten, även om det inte är noll, det ignoreras vanligtvis när man analyserar atomära och nukleära processer. Men även en försvinnande liten massa kunde, enligt samarbetsförslaget, ha effekt på storskaliga astrofysiska fenomen.

När du besökte Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), Ryutov, hans värd professor Dmitry Budker vid Helmholtz Institute Mainz (HIM), och professor Victor Flambaum, fellow vid Gutenberg Research College vid Mainz University, bestämde sig för att titta närmare på idén. De var intresserade av hur den oändligt lilla massan av fotonen kunde ha en effekt på massiva galaxer. Mekanismen i kärnan i fysikernas antagande är en konsekvens av vad som kallas Maxwell-Proca-ekvationer. Dessa skulle tillåta att ytterligare centripetalkrafter genereras som ett resultat av de elektromagnetiska spänningarna i en galax.

Är effekterna lika starka som de som utövas av mörk materia?

"Den hypotetiska effekten vi undersöker är inte resultatet av ökad gravitation, " förklarade Dmitry Budker. Denna effekt kan uppstå samtidigt med den antagna påverkan av mörk materia. Den kan till och med – under vissa omständigheter – helt eliminera behovet av att framkalla mörk materia som en faktor när det gäller att förklara rotationskurvor. Rotationskurvor uttrycker förhållandet mellan omloppshastigheterna för stjärnor i en galax och deras radiella avstånd från galaxens centrum. "Genom att anta en viss fotonmassa, mycket mindre än den nuvarande övre gränsen, vi kan visa att denna massa skulle vara tillräcklig för att generera ytterligare krafter i en galax och att dessa krafter skulle vara ungefär tillräckligt stora för att förklara rotationskurvorna, sade Budker. Den här slutsatsen är oerhört spännande.

Fysikerna tog till och med ett steg längre. De undersökte hur protostjärnor bildas och upptäckte att deras hypotes har andra implikationer. Den förutspår att långlivade, relativt lätta stjärnor, som solen, skulle ha mycket elliptiska banor. "Faktiska observationer stämmer helt klart inte överens med denna förutsägelse, vilket betyder att vår teori inte kan förklara allt." Proca-kraftseffekter kan alltså bara vara ansvariga för vissa av anomalierna i rotationskurvorna. "Vi anser för närvarande inte att fotonmassa är lösningen på rotationskurvans problem. Men det kan vara en del av lösningen, avslutade Budker. "Men, vi måste ha ett öppet sinne så länge vi inte faktiskt vet vad mörk materia är."