Suurin osa maailmankaikkeudesta koostuu”aineesta”, jota ei voida nähdä, mahdollisesti aineettomasta ja joka on vuorovaikutuksessa muiden asioiden kanssa vain painovoiman kautta. Voi kyllä, ja fyysikot eivät tiedä mikä tämä asia on tai miksi sitä on universumissa niin paljon - noin neljä viidesosaa sen massasta.
Tutkijat kutsuvat sitä pimeäksi aineeksi.
Joten missä on tämä salaperäinen asia, joka muodostaa universumimme niin suuren osan ja milloin tutkijat löytävät sen?
Mistä tiedämme, että asia on olemassa
Pimeän aineen hypoteesin esitti ensin sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky 1930-luvulla, kun hän huomasi, että galaksiklusterien massamittaukset osoittivat, että osa maailmankaikkeuden massasta puuttui. Mikä tekee galaksit raskaammaksi, se ei säteile valoa eikä ole vuorovaikutuksessa muun kuin painovoiman kautta.
Astronomi Vera Rubin havaitsi 1970-luvulla, että galaksien pyöriminen ei noudata Newtonin liikelakia; tähdet galakseissa (etenkin Andromedassa) näyttivät pyörivän keskustan ympäri samalla nopeudella, mutta tähdestä kauempana olevat liikkuvat hitaammin. Ikään kuin jotain lisää massaa galaksin ulkopuolelle, jota kukaan ei voinut nähdä.
Loput todisteet tulevat gravitaation linssistä, joka tapahtuu, kun suuren esineen painovoima taivuttaa kevyitä aaltoja esineen ympärille. Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teorian mukaan painovoima taipuu tilaa (kuten sumomaadija voi muuttaa muodonsa, jolla hän seisoo) siten, että valonsäteet taipuvat suurten esineiden ympärille, vaikka valo itsessään olisi massaton. Havainnot osoittivat, että valon taivuttamiseen ei ollut tarpeeksi näkyvää massaa, kuten se tapahtui yksittäisten galaksiklusterien ympärillä - toisin sanoen galaksit olivat massiivisempia kuin niiden pitäisi olla.
Mainosvideo:
Sitten on jäännössäteily (CMB), Ison räjähdyksen ja supernoovien "kaiku". "CMB kertoo, että maailmankaikkeus on tilallisesti tasainen", kertoi Havaijin yliopiston fysiikan professori Jason Kumar.”Spatiaalisesti tasainen” tarkoittaa, että jos piirrät kaksi viivaa maailmankaikkeuden läpi, ne eivät koskaan leikkaudu, vaikka viivat olisivat miljardeja valovuosia poikki. Jyrkästi kaarevassa universumissa nämä linjat kohtaavat jossain avaruudessa.
Kosmologien ja tähtitieteilijöiden välillä on nyt pieni kiista siitä, onko tummaa ainetta olemassa. Se ei vaikuta valoon, eikä se ole varautunut kuin elektronit tai protonit. Tähän asti se on välttynyt suoralta havainnalta.
"Tämä on mysteeri", sanoi Kumar. Tiedemiehet voivat yrittää "nähdä" tumman aineen "joko vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa tai etsimällä hiukkasia, jotka voivat olla tummaa ainetta".
Mikä tumma aine ei ole
Monet teoriat ovat tulleet ja menneet siitä, mikä on tumma aine. Yksi ensimmäisistä oli varsin loogista: kysymys piilotettiin massiivisiin astrofyysisiin kompakteihin halo-esineisiin (MACHO), kuten neutronitähtiin, mustiin reikiin, ruskeisiin kääpiöihin ja roistoihin. Ne eivät säteile valoa (tai säteilevät hyvin vähän), joten ne ovat käytännössä näkymättömiä teleskoopeille.
Kuitenkin tutkimalla galakseja, jotka etsivät MACHO: n tuottamia tähtivalossa pieniä vääristymiä, ohittaen - jota kutsutaan mikrolämpöiseksi -, ei voitu selittää pimeän aineen määrää galaksien ympärillä tai edes suurta osaa siitä. "MACHO-laitteet näyttävät olevan yhtä syrjäytyneitä kuin koskaan", sanoi Dan Hooper, apulaistutkija Fermi National Accelerator Laboratoryssa Illinoisissa.
Tumma aine ei näytä olevan kaasupilvi, jota ei voida nähdä kaukoputkien kautta. Hajakaasu absorboi valoa kauempana olevista galakseista, ja normaalin kaasun päällä säteily säteilyä pidemmällä aallonpituudella - taivaalla tulee valtava infrapunavalon säteily. Koska tätä ei tapahdu, voimme sulkea sen pois.
Mitä se voisi olla
Heikosti vuorovaikutuksessa olevat massiiviset hiukkaset (WIMP) ovat vahvimpia väittäjiä tumman aineen selittämiselle. Viivat ovat raskaita hiukkasia - noin 10 - 100 kertaa raskaampia kuin protoni, jotka luotiin Ison räjähdyksen aikana ja joita on edelleen pieninä määrinä. Nämä hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa painovoiman ja heikkojen ydinvoimien kautta. Massiivisemmat WIMP-levyt liikkuvat hitaammin avaruuden läpi, ja siksi ne voivat olla “kylmän” pimeän aineen ehdokkaita, kun taas kevyemmät liikkuvat nopeammin ja “lämpimän” pimeän aineen ehdokkaiksi.
Yksi tapa löytää ne on "suoran havaitsemisen", kuten LUX-kokeen, joka on nestemäisen ksenonin säilytysastia Etelä-Dakotan kaivoksessa, kautta.
Toinen tapa nähdä niput voisi olla hiukkaskiihdyttimen avulla. Kiihdyttimien sisällä atomin ytimet murtuvat nopeudella, joka on lähellä valon nopeutta, ja prosessissa tämä törmäysenergia muuttuu muiksi hiukkasiksi, jotkut niistä ovat uusia tiedelle. Toistaiseksi hiukkaskiihdyttimistä ei ole löydetty mitään, mikä näyttäisi oletetulta tumma-aineelta.
Toinen mahdollisuus: akselit. Nämä alaatomiset hiukkaset voitiin havaita epäsuorasti niiden lähettämien säteilytyyppien perusteella, miten ne tuhoutuvat tai miten ne hajoavat muun tyyppisiksi hiukkasiksi tai ilmestyvät hiukkaskiihdyttimiin. Myöskään aksioista ei kuitenkaan ole suoraa näyttöä.
Koska raskaiden, hitaiden “kylmien” hiukkasten, kuten paisujen tai akselien, löytö ei ole vielä tuottanut tuloksia, jotkut tutkijat tarkastelevat kevyiden, nopeammin liikkuvien hiukkasten mahdollisuutta, jotka aiheuttavat “lämpimän” tumman aineen. Kiinnostus tällaiseen pimeän aineen malliin on uusiutunut sen jälkeen, kun tutkijat löysivät todisteita tuntemattomasta hiukkasesta käyttämällä Chandra-röntgen observatorioa Perseuksen klusterissa, galaksien ryhmässä, joka on noin 250 miljoonaa valovuotta maasta. Tämän klusterin tunnetut ionit tuottavat tiettyjä röntgensäteilylinjoja, ja vuonna 2014 tutkijat näkivät uuden”viivan”, joka voisi vastata tuntemattomia valohiukkasia.
Jos pimeän aineen hiukkaset ovat kevyitä, tutkijoilla on vaikea löytää niitä suoraan, sanoi MIT: n fysiikka Tracey Slater. Hän ehdotti uuden tyyppisiä hiukkasia, jotka voivat muodostaa tumman aineen.
"Pimeää ainetta, jonka massa on alle noin 1 GeV, on todella vaikea havaita tavanomaisilla suorilla havaitsemiskokeilla, koska ne toimivat etsimällä atomitukkien selittämättömiä kierrätyksiä … mutta kun tumma aine on huomattavasti kevyempi kuin atomin ydin, palautusenergia on hyvin pieni", Tracy sanoi. Slater.
Pimeän aineen etsinnässä on tehty paljon tutkimusta, ja jos nykyiset menetelmät epäonnistuvat, suoritetaan uusia.”Nestemäisen” nestemäisen heliumin, puolijohteiden ja jopa kemiallisten sidosten katkaiseminen kiteissä ovat joitain uusia ideoita tumman aineen havaitsemiseksi.