Kas yra tamsioji medžiaga? | Extremetech

Iš visų mokslų fizika yra išskirtinė tuo, kad ji gali susidurti su vien tik su matematika – reikalingi labai maži lytėjimo įrodymai. Niekada taip nebuvo daugiau nei su tamsiomis medžiagomis. Nors tai yra daug gausiau, nei mes galime pamatyti ir jausti, tamsiąją materiją, kaip mes žinome, tai praktiškai imuninė stebėjimu, todėl ją sunku suprasti. Taigi, kaip mes žinome, kas tai yra, ir kaip mokslininkai toliau mokosi?

Kuo „Dark Matter“ skiriasi nuo įprastų dalykų?

Matter – matoma rūšis, tai yra – įvairiais būdais susijusi su Visata. Jis sugeria ir daugeliu atvejų skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę gama spindulių pavidalu, matoma šviesa, infraraudonųjų spindulių ir dar daugiau. Tai gali generuoti įvairių rūšių ir stipriųjų magnetinius laukus. Medžiaga turi masę, sukuriant sunkio jėgos jėgą, kurios poveikį galima lengvai pastebėti.

Visi šie dalykai leidžia studijuoti svarbą, ypač dėl jo sąveikos su šviesa. Net juodoji skylė, kuri skleidžia be šviesos, blokuoja šviesą, čiulpdama ją. Bet kas, jei šviesa, sklindanti iš už juodosios skylės, tiesiog praėjo tiesiai per mūsų teleskopo lęšius? Kaip mes kada nors būtume įrodę, kad egzistuoja juodoji skylė, tokiu atveju?

Anot NASA, šis vaizdas iš „Habble Space“ teleskopo rodo, kad didžiulis tamsiosios medžiagos žiedas tikriausiai supa „Galaxy Cluster“ centrą CL0024+17.
Kreditas: NASA, ESA, MJ JEE ir H. Ford ir kt./Johns Hopkins universitetas

Su tokioje situacijoje fizikai susiduria su tamsia medžiaga. Atrodo, kad tamsiosios medžiagos nė kiek sąveikauja su universaliu elektromagnetiniu lauku – tai yra, jis nesugeria ir skleidžia jokios šviesos. Atrodo, kad tamsiosios medžiagos tik sąveikauja su visata, nes galime ją stebėti per vieną fizinę jėgą: sunkumą. Taigi, mūsų nematomos juodosios skylės atveju mes galbūt galėjome tai pastebėti pamatę, kaip mums iš tam tikros dangaus atkarpos ateina šviesa Objektas, lenkdamas erdvės laiko paviršių, jis važiuoja. Sudedant pakankamai šviesiai lenkimo stebėjimų, mokslininkai tikriausiai galėtų išsiaiškinti nematomo išskirtinumo padėtį ir net masę.

Tačiau tamsiąją medžiagą sunkiau ištirti, nei net todėl, kad ji nėra patogiai suskirstyta į ypač tankius rutulius, tokius kaip žvaigždės ir juodos skylės. (Tai būtų per daug lengva.) Vietoj to, pagrindinė tamsiosios medžiagos teorija sako, kad ji yra pagaminta iš hipotetinių dalelių, vadinamų silpnai sąveikaujančiomis masyviomis dalelėmis (WIMP), kurios yra beveik suprantamos, kaip reiškia jų visi sugavimo pavadinimai. Atrodo, kad WIMP net sąveikauja tarpusavyje per ką nors daugiau nei gravitacija, tai reiškia, kad tamsiosios medžiagos nesilieja, kad sudarytų didesnes ar sudėtingesnes molekules ir išlieka paprastoje ir labai difuzinėje, GAS panašioje būsenoje.

Pirmasis kompozicinis tamsiosios medžiagos „tilto“ vaizdas, jungiantis galaktikas.
Kreditas: Vaterlo universitetas

Taigi, „Dark Matter“ gravitacinis poveikis yra ypač paskirstytas ir, paaiškėja, galima pastebėti tik tada, kai pažvelgiame į didelio masto matomos medžiagos pasiskirstymą visatoje: tokius dalykus kaip galaktikos superkluziniai ir atitinkami superviduidai. Teorizuojama, kad po didžiojo sprogimo „Dark Matter“ savybės būtų paskatinusios ją įsikurti kur kas greičiau nei įprastos medžiagos, eidamos iš vienodo dujų debesies į šiek tiek suliptą mažesnių debesų tinklą ir jungiantis sausgysles. Kai šie sausgyslės driekėsi visoje visatoje, jų pasiskirstymas galėjo nukreipti ten, kur galiausiai surinko reguliarūs materijos, padedančios formuoti, kur ir kaip susiformavo galaktikos.

„Dark Matter“ ne tik nematoma, bet ir jo gravitacinio potencialo padariniai yra tokie fiziškai išsiplėtę, kad juos sunku išmatuoti. Vienos žvaigždės šviesa nebus išmatuojama „Dark Matter“, kai ji mus pasieks, nes ji buvo praleidžiant mūsų nematomą juodąją skylę; Ši šviesa galėjo būti atsiradusi, nuvažiavo pro šalį ir atvyko į vieną visuotinį nematomos tamsiosios medžiagos superį.

Kada pirmą kartą pasiūlyta „Dark Matter“?

Pagal tas pačias pagrindines formules gravitacija daro įtaką visoms skalėms. Taigi, kai mokslininkai pradėjo tikrinti visatą didesniu mastu, jie pastebėjo, kad šios gravitacijos formulės pateikė vis neteisingesnes prognozes.

Jau šeštajame dešimtmetyje Fritzas Zwicky sužinojo, kad „Coma“ klasterio galaktikos juda taip, tarsi jos būtų veikiamos kur kas daugiau gravitacinės jėgos, nei būtų galima paaiškinti paprastu įprasto dalyko, kurį galėjome pamatyti, apskaitą. Po dešimtmečių Vera Rubin garsiai pažymėjo, kad spiralinių galaktikų žvaigždės sukasi aplink galaktikos centrą kur kas greičiau nei turėtų, todėl vėlesni tyrimai rodo, kad spiralinės galaktikos turi būti sudarytos maždaug šešis kartus daugiau tamsios masės nei įprasta.

Tačiau įtikinami įrodymai neatsirado tik tada, kai atsirado tokių metodų kaip silpnas gravitacinis lęšis ir galimybė skaityti kosminės mikrobangų fono (CMB) radiaciją. Tiesą sakant, gravitacinis lęšis sukuria ypač didelio masto versiją, kai aplink mūsų nematomą juodąją skylę žiūrima šviesos lenkimo. Tai kyla dėl skalės problemos dar didesne mastu, stebint, kaip surinkta šviesa iš milijardų klasterizuotų žvaigždžių lenkiasi, nes ji keliauja per dideles žinomos visatos skersmens dalis. Keli vis tikslesni CMB žemėlapiai, sukurti iš septintojo dešimtmečio, patvirtino panašius masės judėjimo neatitikimus visatos istorijoje.

Ko mes sužinojome nuo to laiko?

Mokslininkai tapo kūrybingi bandydami susekti „Dark Matter“. (Turėdami tamsiąją medžiagą, jūs turite būti; laukas pilna varginančių aklavietių ir atsakymų, kurie tik sukelia daugiau klausimų.) Tai sukėlė keletą įdomių rezultatų per pastaruosius kelerius metus.

Kai kurie tyrėjai teoretikavo, kad „sterilus neutrinas“ – hipotetinė, neutraliai įkrauta dalelė be masės – gali sudaryti tamsiosios medžiagos „daiktus“. 2014 m. Fizikai manė, kad jie aptiko 3,5 kiloelektrono volto signalą (KEV), esantį iš gilių Paukščių Tako. Manoma, kad šis signalas atitinka tai, kas atsiras dėl nykstančios sterilios neutrino tamsiosios medžiagos. 2020 m., Su naujais „Xmm-Newton Space“ rentgeno teleskopo duomenimis, kita fizikų komanda ketino atkartoti tą signalą ir Niekada to neradau. Tai nebūtinai reiškia, kad sterilūs neutrinai neegzistuoja arba nėra susiję su tamsiomis medžiagomis; Tai tiesiog reiškia, kad toje arenoje reikia atlikti daugiau stebėjimo darbų ir analizės.

Iš 2020 m. Tyrimo, kuriame buvo ieškoma 3,5 keV sterilios neutrino signalo. Sėkmingas aptikimas būtų įtrauktas duomenų taškais išilgai punktyrinės raudonos linijos, tačiau komanda nė vieno nerado.
Kreditas: Dessert ir kt., Science/10.1126/Science.aAW3772

Prisimeni ankstesnių WIMP? 2023 m. Honkongo universiteto tyrėjai bandė priklijuoti, ar tamsiosios medžiagos buvo pagamintos iš WIMP ar ašijų, dar viena hipotetinė dalelė. Naudodami gravitacinį lęšį ir kompiuterinį modeliavimą, jie rasta Tai imituota tamsioji medžiaga, kurią sudaro ašijos, labiau suderintos su mūsų darbiniu šviesos ir sunkio supratimu, nei imituojama tamsioji medžiaga, kurią sudaro WIMP. Vis dėlto tai vis dar negarantuoja, kad tamsiosios medžiagos sudaro iš ašijų; Tai tiesiog reiškia, kad ašinės gali būti esminis dėlionės gabalas.

Vokietijoje mokslininkai bando drąsiai stebėti tamsiąją medžiagą drąsiai naujai: kurdami ją. Alpės II, an eksperimentas „Deutsches Elektronen-Synchrotron“ (Desy) Hamburge sudaro 250 metrų tunelis su optine ertme. Ši ertmė sustiprina lazerį, veikiantį intensyvų magnetinį lauką, kurį sukuria 12 superlaidžių magnetų, važiuodamas tuneliu. Manoma, kad toks galingas magnetinis laukas gali paversti fotoną ašija, taip atskleidžiant hipotetinę dalelę kaip tikrą.

Tyrėjai bando išspręsti tamsiąją medžiagą iš visų pusių, kad atskleistų bet kokią informaciją. Bet kodėl tamsioji materija tokia svarbi? Jei tai taip vengia, kodėl visai nerimauti tai mokytis?

Kodėl tamsiosios medžiagos yra svarbios

Didžioji dalis žmonijos kolektyvinių tyrimų sako, kad turi egzistuoti šiuolaikinė tamsiosios medžiagos samprata. Apskaičiavus, kiek to reikia „kažko“, kad užpildytumėte spragas, sukūrė keletą gana protu nesuvoktų figūrų. Remiantis šiuolaikiniais skaičiavimais, Visata yra tik apie 5% įprastos medžiagos ir energijos bei apie 27% tamsiosios medžiagos, arba daugiau nei penkis kartus daugiau. Manoma, kad likę 68% visatos yra tamsios energija– Tema kitai dienai.

Kreditas: NASA „Goddard Space Flight Center“

Tai, kad tiek daug mūsų visatos susideda iš tamsiosios medžiagos, verta mokytis dalykų. Tačiau išsiaiškinę tamsiąją medžiagą, mes taip pat galime tikėtis geriau suprasti savo galaktiką ir kosmoso paskirstymą už jos ribų. Mūsų visatą ne tik paveikė „Dark Matter“; Tai apibrėžė tas poveikis. Kaip mes palietėme anksčiau, Paukščių kelias yra skolingas jo egzistencijai, formair nukreipkite į ankstyvą tamsiosios medžiagos gravitacinę įtaką. O kas nenorėtų žinoti apie mūsų galaktikos namų architektą?