Avaruus

9 suurimmista vastaamattomista kysymyksistä pimeästä aineesta

9 suurimmista vastaamattomista kysymyksistä pimeästä aineesta



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Pimeää ainetta koskevat kysymykset ovat eräitä modernin aikakauden tärkeimmistä fysiikan mysteereistä. Pimeän aineen olemassaolon ehdotti alun perin hollantilainen tähtitieteilijä Jacobus Kapteyn vuonna 1922 tähtinopeuksien tutkimusta käyttäen. Sitten vuonna 1933 Fritz Zwicky huomasi jotain outoa kaukaisessa Coma-galaksiryhmässä.

Sveitsiläinen amerikkalainen tähtitieteilijä huomasi, että kaikkien tähtien massa Coman galaksiryhmässä muodosti vain noin yhden prosentin massasta, jota tarvitaan pitämään galaksit paeta klusterin painovoimasta. Itse asiassa pimeää ainetta kutsuttiin alun perin "puuttuvaksi aineeksi", koska tähtitieteilijät eivät löytäneet sitä tarkkailemalla maailmankaikkeutta millä tahansa sähkömagneettisen spektrin osalla. Vasta 1970-luvulla amerikkalaiset tähtitieteilijät Vera Rubin ja W. Kent Ford vahvistivat virallisesti pimeän aineen olemassaolon.

Joten, mikä on pimeää ainetta ympäröivä nykyinen hype? Olet ehkä nähnyt sen viittaavan tieteiselokuviin tai TV-ohjelmiin tai jopa lukenut siitä uutisissa, koska tiedeyhteisö pyrkii ymmärtämään sen paremmin. Tämän puuttuvan asian asianmukainen ymmärtäminen voi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin maailmankaikkeuden tarkan luonteen ja ehkä jopa siitä, miten maailmankaikkeutemme loppuu.

Joidenkin teorioiden mukaan pimeä aine on paljon yleisempää kuin luulemme. Pimeän aineen määrä voi osoittaa meille, jos maailmankaikkeus laajenee, tai jos se saattaa romahtaa joskus kaukaisessa tulevaisuudessa tai lopettaa liikkumisen kokonaan. Pimeä aine voi myös auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, miten painovoima toimii tai miten galaksit muodostuvat. Luettelo jatkuu. Pimeään aineeseen liittyy kuitenkin vielä monia vastaamattomia kysymyksiä, jotka on ratkaistava, ennen kuin tähtitieteilijät voivat edetä. Tänään aiomme tutkia sitä. Aloitetaan.

1. Mikä on pimeä aine?

Jos et vieläkään ole varma, mikä pimeä aine on, et ole yksin. Vaikka monet tutkijat uskovat, että pimeä aine muodostaa 85% maailmankaikkeuden aineesta, ei ole vielä päästy sopimukseen siitä, mikä pimeä aine on. Vielä enemmän, mitä enemmän tutkimme pimeää ainetta, sitä pimeämmät asiat näyttävät saavan. Pimeän aineen luonteesta on kuitenkin kaksi pääteoriaa.

Yksi on ehdotus siitä, että pimeä aine koostuu tavallisista, mutta vaikeasti havaittavista kuolleista tähdistä tai valtavista kylmistä planeettaesineistä. Nämä esineet kerääntyisivät galaksien sisälle "haloon", ja niin kutsutaan "Massiivisiksi kompakteiksi halo-esineiksi" tai MACHOiksi.

Toinen suosittu teoria on, että pimeä aine koostuu löytämättömistä hiukkasista, jotka on luotu Suuressa Bangsissa ja joita on kaikkialla. Näitä kutsutaan heikosti vuorovaikutuksessa oleviksi massiivisiksi hiukkasiksi tai WIMP :eiksi. Tämä on tällä hetkellä johtava teoria.

Fyysikko Don Lincoln Yhdysvaltain energiaministeriön Fermilabista laajensi tätä ajatusta Livescience-artikkelissaan sanoen: "Emme ole koskaan havainneet suoraan pimeää ainetta, mutta tiedämme paljon siitä, mitä sen on oltava: Sen on oltava massiivinen (koska se vaikuttaa galaksien pyöriminen); sen on oltava sähköisesti neutraali (koska emme näe sitä); sen on oltava erilainen kuin tavallinen aine (koska emme näe todisteita siitä, että se olisi vuorovaikutuksessa aineen kanssa tavallisilla tavoilla), ja sen on oltava vakaa (koska se on ollut olemassa maailmankaikkeuden alusta lähtien.) Nämä ominaisuudet ovat yksiselitteisiä. "

"Emme kuitenkaan tiedä tarkalleen, mikä se on. Suosituimmassa yleisessä teoriassa tumma-ainehiukkasta kutsutaan WIMP: ksi heikosti vuorovaikutuksessa oleville massiivisille hiukkasille. WIMP: t ovat kuin raskas neutroni (mutta ei varmasti neutroni), joiden massa on 10 - 100 kertaa raskaampi kuin protoni. Niitä luotiin suuria määriä Suuren räjähdyksen aikana, ja pieni jäännösjäännös säilyy tähän päivään saakka. "

Vaikka nämä WIMP: t ovat tuskin havaittavissa, niiden pitäisi olla kaikkialla, ja meidän pitäisi pystyä olemaan vuorovaikutuksessa niiden kanssa jollain tavalla. Tämä oli vallitseva teoria pitkään aikaan. Vuosikymmenien aikana tutkijat ovat rakentaneet koneita WIMP-pimeän aineen havaitsemiseksi turhaan viime aikoihin asti.

Yksi pimeän aineen ilmaisin Italiassa palasi äskettäin positiivisilla tuloksilla. Silti DAMA-koe on hyvin kiistanalainen, kuten muutkin pimeän aineen ilmaisimet ympäri maailmaa ja tarjoavat ristiriitaisia ​​tuloksia. Tällä hetkellä meillä ei ole vielä varmoja todisteita siitä, että näitä teoreettisia hiukkasia on edes olemassa.

2. Eikö pimeän aineen tulisi olla vuorovaikutuksessa jonkin kanssa?

Kyllä ehdottomasti. Mutta tämä on paljon vaikeampi kuin luulisi. Ensinnäkin tutkijat voivat tutkia pimeää ainetta vain näkemällä, kuinka se vaikuttaa ympäröivään maailmankaikkeuteen. Tähän asti ainoa havaittu asia on pimeän aineen gravitaatiovaikutukset, jotka pilkkovat edelleen ajatuksiamme aiheesta.

Aikaisemmista pimeän aineen ilmiötä koskevista tutkimuksista tiedämme, että se vaikuttaa taivaan esineisiin. Mutta entä jos pimeä aine ei ole hiukkanen? Ehkä se on kenttä? Tai ehkä emme ymmärrä täysin, miten painovoima toimii.

Vuonna 2015 tutkijat havaitsivat neljää törmäävää galaksia ympäröivän neljä isoa ainekokonaisuutta. Heidän havaintonsa osoittivat, että yksi lohkoista oli oudosti jäljessä galaksistaan. Tämä näytti paitsi vahvistavan, että pimeä aine vaikuttaa galakseihin, mutta se osoitti myös, että pimeä aine voi olla vuorovaikutuksessa muiden pimeän aineen kanssa. Silti emme ole vielä nähneet, onko pimeä aine vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa.

3. Onko mahdollista tutkia pimeää ainetta oikein?

Kuten edellä mainittiin, tutkijat ovat yrittäneet havaita tumman aineen hiukkasia vuosien ajan ilman menestystä. Jos WIMP-teoria on kuitenkin oikea, niitä olisi hyvin vaikea mitata oikein. Silti, jos oletetaan, että nämä hiukkaset kulkevat avaruuden läpi, pimeän aineen pitäisi jossain vaiheessa olla vuorovaikutuksessa tavallisemman aineen tutumman muodon, kuten protonin tai elektronin, kanssa.

Tämän mittaamiseksi tutkijat ovat rakentaneet kokeen jälkeen kokeen tutkia tavallisten hiukkasten vuorovaikutusta syvällä maan alla, jossa ne on suojattu häiritsevältä säteilyltä, joka voisi jäljitellä pimeän aineen ja hiukkasten törmäystä. Viimeisimmässäkin kiinalaisessa PandaX-kokeessa ei kuitenkaan ole vielä saatu lopullisia tuloksia. Yksi vallitseva teoria tämän selittämiseksi on, että tumman aineen hiukkaset ovat itse asiassa paljon pienempiä kuin WIMP: t ja niin vaikeasti havaittavissa.

4. Voisiko pimeä aine koostua useammasta kuin yhdestä hiukkasesta?

Tällä kysymyksellä on paljon järkeä. Loppujen lopuksi tavallinen aine ei koostu vain protoneista ja elektroneista. Se sisältää myös joukon "eksoottisia" hiukkasia, kuten neutriinoja, muoneja ja pioneja. Ei olisi liian kaukana uskoa, että pimeässä aineessa on samanlainen "eksoottinen" hiukkasten sekoitus. "Pimeän aineen hiukkaset koostuisivat lähinnä raskaista" tummista protoneista "ja kevyistä" pimeistä elektroneista "", sanoo Charles Q. Choi.

"Ne olisivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa paljon enemmän kuin muut pimeän aineen hiukkaset muodostaakseen" tummia atomeja ", jotka käyttävät" tummia fotoneja "vuorovaikutuksessa eräänlaisen" pimeän sähkömagnetismin "kautta, aivan kuten tavalliset elektronit ja elektronit ovat vuorovaikutuksessa fotonien kanssa tavanomaisessa sähkömagneettisuudessa. rakentaa atomeja, jotka muodostavat jokapäiväisen elämän. Jos tummat atomit ovat mahdollisia, ne voivat reagoida keskenään pimeän kemian suhteen, aivan kuten tavalliset atomit ovat vuorovaikutuksessa kemiallisesti. "

5. Entä pimeät voimat?

Ei, emme puhu Voiman Darksidesta. Silti se voisi toimia samalla tavalla kaikille tiedämme. Kuten edellä mainittiin, pimeä aine voisi koostua niin kutsutusta tummasta hiukkasesta. Tapa, jolla tummat protonit ja tummat elektronit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, voisi selittää, miksi pimeä aine kokoontuu yhteen muodostaen pallomaisia ​​haloja galaksien, tähtien ja planeettojen ympärille.

Tämä voisi myös avata mahdollisuuden tummien fotonien olemassaoloon. Mitä ovat tummat fotonit, kysyt? Lyhyesti sanottuna ne ovat fotoneja, joita vaihdetaan normaalien hiukkasten välillä, jotka aiheuttavat sähkömagneettisen voiman, paitsi että vain tumman aineen hiukkaset tuntevat ne. Tällaiset teoriat voisivat avata Pandoran laatikon aivan toiselle puolelle maailmankaikkeudelle.

6. Entä jos pimeä aine on aksioomien asia?

Vaikka jotkut tutkijat keskittyvät edelleen WIMP-teoriaan etsimällä heikkoja hiukkasia, huomio on siirretty toiselle hiukkaselle, aksioomille. Nämä ovat erittäin kevyitä hiukkasia, miljardeja kertoja kevyempiä kuin elektroni. Jotkut ajattelevat niiden olevan erinomainen ehdokas pimeässä aineessa useista syistä.

Ensinnäkin heidän näkymätön läsnäolo selittäisi, miksi maailmankaikkeus on paljon painavampi kuin miltä se näyttää. Toiseksi hiukkanen osoittaisi myös, miksi kaksi ydintä, jotka muokkaavat atomiytimiä, seuraavat erilaisia ​​sääntöjä. Washingtonin yliopiston Axion Dark Matter Experiment (ADMX) johtaa tällä hetkellä aksiooman ja pimeän aineen tieteen maksua.

Aksion on ehdokas pimeälle aineelle, koska se, kuten pimeä aine, ei myöskään voi olla vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa. Tämä syrjäytyminen tekee myös aksion, jos sellainen on, erittäin vaikea havaita. Tämä outo hiukkanen voi myös auttaa ratkaisemaan fysiikan pitkäaikaisen ongelman, joka tunnetaan nimellä "vahva CP-ongelma".

7. Jos pimeää ainetta on kaikkialla, eikö sen pitäisi olla jokaisessa galaksissa?

Yksi pimeän aineen johtavista teorioista on, että sillä on tärkeä rooli galaksien muodostumisessa. Uskotaan, että pimeällä aineella on rooli suurten taivaanrakenteiden muodostumisen hallitsemisessa ja järjestämisessä. Tutkijat ovat kuitenkin löytäneet galaksin, jolla ei näytä olevan lainkaan pimeää ainetta.

Jos ajattelemme pimeää ainetta maailmankaikkeutta yhdessä pitävänä telineenä, miksi galaksista puuttuisi nämä ratkaisevat rakenteet? Yksi vastaus on, että pimeällä aineella ei ehkä ole yhtä suurta merkitystä taivaankappaleiden muodostumisessa kuin aiemmin ajateltiin.

8. Entä pimeän aineen hiukkasten positiivinen havaitseminen?

Kuten edellä mainittiin, italialaisen DAMA-projektin tutkimus, jossa raportoitiin pimeän aineen löytämisestä, on erittäin kiistanalaista. Salaperäisten ja vaikeasti havaittavien pimeän aineen hiukkasten löytämiseksi tutkijat ympäri maailmaa ovat luoneet maanalaisia ​​ilmaisimia kokeilemaan WIMP-hiukkasia vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa.

Tähän mennessä DAMA on ainoa projekti, joka on onnistunut osoittamaan pimeän aineen hiukkasten olemassaolon. Muut johtavat ilmaisuprojektit, jotka sijaitsevat eri puolilla maailmaa, ovat ilmoittaneet ristiriitaisista tuloksista. Tähän päivään asti DAMA-tulosten tarkkuudesta keskustellaan kiivaasti.

9. Voivatko tavalliset hiukkaset hajota tummaksi aineeksi?

Entä jos tavalliset hiukkaset todella muuttuvat pimeän aineen hiukkasiksi? Loppujen lopuksi näemme jo jotain vastaavaa tapahtuvan elektronissa ja neutronissa. Yksinäinen neutroni hajoaa hitaasti protoniksi, kun taas elektroni hajoaa neutroniksi. Jotkut tutkijat uskovat sen 1% näistä hiukkasista hajoaa todella tummiksi hiukkasiksi. Bartosz Fornal ja Benjamín Grinstein Kalifornian yliopistosta San Diegosta ehdottavat ratkaisua tähän ristiriitaan, joka olettaa, että neutronit hajoavat 1% ajasta tumman aineen hiukkasiksi. Koska sädekokeet eivät havaitse näitä hajoamisia, niiden päätelty neutronien elinikä olisi pidempi kuin todellinen arvo.

Luuletko, että ymmärrämme vihdoin pimeän aineen tulevaisuudessa?


Katso video: Heurekan planetaarioelokuva Pimeän aineen jäljillä (Elokuu 2022).