Mikä on pimeä aine?

Mikä on pimeä aine? 1930-luvulta lähtien astrofyysikot ovat yrittäneet selittää, miksi galaksien näkyvä materiaali ei voi selittää galaksien muotoa tai käyttäytymistä. He uskovat, että pimeä aine tunkeutuu universumiimme, mutta he eivät tiedä mitä se on. Kuvan kauttaScienceAlert.

Mikä on pimeä aine?

Pimeä aine on mystinen aine, jonka uskotaan muodostavan ehkä noin 27 % maailmankaikkeuden koostumuksesta. Mikä se on? On vähän helpompi sanoa mitä se onei ole.

Se ei ole tavallistaatomeja– oman kehomme rakennuspalikoita ja kaikkea mitä näemme ympärillämme – koska atomit muodostavat vain noin 5 % maailmankaikkeudesta.kosmologinenmalli nimeltä Lambda Cold Dark Matter Model (aliasLambda-CDM mallitai joskus vain vakiomalli).

Pimeä aine ei ole sama asia kuintummaenergiaa, joka muodostaa noin 68 % maailmankaikkeudesta vakiomallin mukaan.

Pimeä aine on näkymätöntä; se ei säteile, heijasta tai absorboi valoa tai minkäänlaista valoaelektromagneettinen säteilykuten röntgensäteet tai radioaallot. Näin ollen pimeää ainetta ei voida havaita suoraan, kuten kaikkia havaintojamme maailmankaikkeudesta, lukuun ottamattagravitaatioaaltoja, sisältää sähkömagneettisen säteilyn sieppaamisen kaukoputkissamme.

Silti pimeä aine on vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa. Sillä on mitattavia gravitaatiovaikutuksia maailmankaikkeuden suuriin rakenteisiin, kuten galakseihin ja galaksiklustereihin. Tämän ansiosta tähtitieteilijät pystyvät tekemäänkartatPimeän aineen jakautumisesta universumissa, vaikka he eivät näe sitä suoraan.

He tekevät tämän mittaamalla pimeän aineen vaikutusta tavalliseen aineeseen painovoiman kautta.

Tämä vuonna 2013 julkaistu koko taivas -kuva näyttää pimeän aineen jakautumisen koko maailmankaikkeuden historiassa taivaalle projisoituna. Se perustuu Euroopan avaruusjärjestön kanssa kerättyihin tietoihinPlanck-satelliitti. Tummansiniset alueet edustavat alueita, jotka ovat tiheämpiä kuin niiden ympäristö. Kirkkaat alueet edustavat vähemmän tiheitä alueita. Kuvan harmaat osat vastaavat taivaan laikkuja, joissa etualan säteily, pääasiassa Linnunradalta, mutta myös läheisistä galakseista, estää kosmologeja näkemästä selvästi. Kuvan kauttaTÄMÄ.

WIMP:t ja supersymmetria

Tällä hetkellä on käynnissä valtava kansainvälinen pyrkimys tunnistaa pimeän aineen luonne. Tähtitieteilijät ovat suunnitelleet yhä monimutkaisempia ja herkempiä asevaraston kehittynyttä teknologiaa ongelman ratkaisemiseksi.ilmaisimiaselvittääkseen tämän salaperäisen aineen henkilöllisyyden.

Pimeä aine voi koostua vielä tunnistamattomasta aineestasubatominen hiukkanentäysin erilaista kuin mitä tiedemiehet kutsuvatbaryoninenaine – se on vain tavallista ainetta, tavaraa, jota näemme ympärillämme – joka on tehty tavallisista atomeista, joista on rakennettuprotonitjaneutroneja.

Subatomisten hiukkasten ehdokasluettelo jakautuu muutamaan ryhmään: on olemassaWIMPit(Weakly Interacting Massive Particles), hiukkasten luokka, jonka uskotaan syntyneen varhaisessa universumissa. Tähtitieteilijät uskovat, että WIMP:t voivat tuhota itsensä törmätessään toisiinsa, joten he ovat etsineet taivaalta paljastavia jälkiä tapahtumista, kutenneutriinottaigammasäteet. Toistaiseksi he eivät ole löytäneet mitään. Lisäksi vaikka teoria nssupersymmetriaennustaa hiukkasten olemassaolon, joilla on samat ominaisuudet kuin WIMP:illä, toistetut haut hiukkasten löytämiseksi suoraan eivät myöskään ole löytäneet mitään, ja kokeetSuuri hadronitörmätinOdotetun supersymmetrian havaitsemiseksi eivät ole onnistuneet löytämään sitä.

WIMP:iden havaitsemiseen on käytetty useita erilaisia ​​ilmaisimia. Yleinen ajatus on, että hyvin satunnaisesti WIMP saattaa törmätä tavalliseen atomiin ja vapauttaa heikon valon välähdyksen, joka voidaan havaita. Herkin tähän mennessä rakennettu ilmaisin onXENON1T, joka koostuu 10-metrisestä sylinteristä, joka sisältää 3,2 tonnia nestemäistä ksenonia ja jota ympäröivät valomonistimet havaitsemaan ja vahvistamaan näistä harvinaisista vuorovaikutuksista aiheutuvia uskomattoman heikkoja välähdyksiä. Heinäkuussa 2019, kun ilmaisin poistettiin käytöstä, jotta se tasoitti tietä herkemmälle instrumentille,XENONnTWIMP:iden ja ksenonatomien välisiä törmäyksiä ei ollut nähty.

Vaikka WIMP:t ovat pitkään olleet pimeän aineen suositeltu ehdokas, he eivät ole ainoita ehdokkaita. Epäonnistuminen WIMP:iden löytämisessä ja siihen liittyvä turhautuminen siitä, että ne eivät pysty muodostamaan merkittävää prosenttiosuutta maailmankaikkeuden massasta, ovat saaneet monet tutkijat etsimään mahdollisia vaihtoehtoja.

Tällä hetkellä hypoteettinen hiukkanen nimeltäaksionisaa paljon huomiota. Sen lisäksi, että aksionien olemassaolo on vahva ehdokas pimeälle aineelle, sen uskotaan myös antavan vastaukset muutamiin muihin pysyviin fysiikan kysymyksiin, kutenVahva CP-ongelma.

Tähtitieteilijä Fritz Zwicky ennusti ensimmäisen kerran pimeän aineen olemassaolon 1930-luvulla kooman galaksijoukkoa koskevien havaintojensa jälkeen. Kuvan kauttazwicky-stiftung.ch.

Pimeän aineen historia

Ajatus siitä, että maailmankaikkeudessa saattaa olla meille näkymättömiä asioita, jotka eivät säteile valoa, on pitkä historia, joka ulottuu satoja vuosia Newtonin päiviin. Kun ns.tummia sumuja” – tähtienväliset pölypilvet, jotka estävät valon taustatähdistä – jaPierre Laplace1700-luvun spekulaatiot objekteista, jotka voisivat niellä valoa ja jotka myöhemmin tunnettiin mustina aukkoina, tähtitieteilijät hyväksyivät niin sanotun 'pimeän universumin' olemassaolon.

Mutta nykyaikana se oli tähtitieteilijäFritz Zwicky1930-luvulla, joka teki ensimmäiset havainnot siitä, mitä nykyään kutsumme pimeäksi aineeksi. Hänen vuoden 1933 havainnot Kooman galaksijoukosta näyttivät osoittavan, että sen massa on 500 kertaa suurempi kuin aiemmin laskemalla.Edwin hubble. Lisäksi tämä ylimääräinen massa näytti olevan täysin näkymätön. Vaikka Zwickyn havainnot suhtautuivat alun perin paljon skeptisesti, ne vahvistivat myöhemmin muut tähtitieteilijät.

Kolmekymmentä vuotta myöhemmin, tähtitieteilijäVera Rubintarjosi valtavan todisteen pimeän aineen olemassaolosta. Hän havaitsi, että galaksien keskukset pyörivät samalla nopeudella kuin niiden ääripäät, kun taas tietysti niiden pitäisi pyöriä nopeammin. Ajattele avinyyli LPlevyllä: sen keskiosa pyörii nopeammin kuin sen reuna. Tämä on se, mitä logiikka sanelee, että meidän pitäisi nähdä myös galakseissa. Mutta emme tee. Ainoa tapa selittää tämä on, jos koko galaksi on vain jonkin paljon suuremman rakenteen keskus, ikään kuin se olisi vain niin sanotusti LP:n etiketti, jolloin galaksilla on tasainen pyörimisnopeus keskustasta reunaan.

Zwickyä seurannut Vera Rubin oletti, että galakseista puuttuva rakenne on pimeä aine. Hänen ajatuksensa kohtasivat suurta vastustusta tähtitieteilijöiden taholta, mutta hänen havainnot on vahvistettu ja niitä pidetään nykyään keskeisenä todisteena pimeän aineen olemassaolosta. Tämän ratkaisevan tärkeän ja historiallisen etsivätyön kunniaksi pimeän aineen olemassaolon toteamiseksi, vallankumouksellinenSuuri synoptinen tutkimusteleskooppi, joka on parhaillaan rakenteilla Chilessä ja jonka on määrä nähdä ensi vuonna ensi vuonna, nimettiin äskettäin uudelleenVera C. Rubinin observatorio.

Pimeän aineen pioneeri Vera Rubin (1928-2016). Tämä kuva – otettu Lowellin observatoriossa – on vuodelta 1965. Kuva Carnegie Instituten kautta/NPR.

Onko se tarpeellista?

Jotkut tähtitieteilijät ovat yrittäneet kumota pimeän aineen olemassaolon tarpeen kokonaan olettamalla jotain ns.Modifioitu Newtonin dynamiikka(MOND). Tämän taustalla on ajatus, että painovoima käyttäytyy eri tavalla pitkillä etäisyyksillä kuin paikallisesti, ja tämä käyttäytymisero selittää ilmiöt, kuten galaksien pyörimiskäyrät, jotka johtuvat pimeästä aineesta. Vaikka MONDilla on kannattajansa, vaikka se voi selittää yksittäisen galaksin pyörimiskäyrän, MOND:n nykyiset versiotei yksinkertaisesti voi tilittääaineen käyttäytymiseen ja liikkumiseen suurissa rakenteissa, kuten galaksiklustereissa, ja nykyisessä muodossaan sen ei uskota pystyvän täysin selittämään pimeän aineen olemassaoloa. Eli painovoimatekeekäyttäytyä samalla tavalla kaikilla etäisyyksillä. Useimmissa MOND-versioissa sen sijaan onkaksipainovoiman versioita, joista heikompi esiintyy alueilla, joilla on alhainen massapitoisuus, kuten galaksien laitamilla. Ei kuitenkaan ole mahdotonta, että jokin uusi MOND-versio tulevaisuudessa voisi vielä selittää pimeän aineen.

Vaikka jotkut tähtitieteilijät uskovat saavamme selville pimeän aineen luonteen lähitulevaisuudessa, tähänastiset etsinnät ovat osoittautuneet hedelmättömäksi, ja tiedämme, että maailmankaikkeus tuottaa meille usein yllätyksiä, joten mitään ei voida pitää itsestäänselvyytenä.

Tähtitieteilijöiden lähestymistapa on poistaa ne hiukkaset, jotkaei voiolla pimeä aine, siinä toivossa, että meille jää se, jokaOn.

Nähtäväksi jää, onko tämä lähestymistapa oikea.

Bottom line: Pimeä aine muodostaa noin 27 % maailmankaikkeudesta tähtitieteellisten teorioiden mukaan. Sitä ei voida nähdä tai havaita suoraan tähtitieteilijöiden olemassa olevilla työkaluilla, mutta sen vaikutus voidaan mitata sen painovoiman avulla tavalliseen aineeseen.

Lue lisää: Mikä on supersymmetria? artikkelista How Stuff Works

Lue lisää: Miraculous WIMPs, Symmetry Magazine

Lue lisää: Modifioitu Newtonin dynamiikka, Physics Worldistä

Lue lisää: Vera Rubin ja Dark Matter, American Museum of Natural History