Pimeän aineen laajan tutkimuksen uudella aikakaudella kiistanalainen idea sen keskittymisestä ohuisiin levyihin on tulossa tieteellisestä unohduksesta
Vuonna 1932 hollantilainen tähtitieteilijä Jan Oort laski tähtiä Linnunradalla ja huomasi niiden puuttuvan. Perustuen siihen, että tähdet, liikkuvat ympyrässä galaksin tasossa, hyppäävät ylös ja alas kuin hevoset karusellissa, Oort laski, että aineen, joka kohdistaa heihin gravitaatiovaikutuksen ja asettaa ne liikkeelle, tulisi olla kaksi kertaa enemmän kuin hän näki. … Oort oletti, että piilevyys korvataan piilotetulla "pimeällä aineella", ja ehdotti sen keskittymistä levylle, mikä selittää tähtien liikkumista.
Pimeän aineen löytöksi, jota kutsutaan näkymättömäksi ja määrittelemättömäksi aineeksi, joka muodostaa viisi kuudesosaa maailmankaikkeuden massasta, johtuu kuitenkin yleensä sveitsiläisamerikkalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky, joka jo vuonna 1933 joutui olemassaolonsa galaksien keskinäisistä liikkeistä. Oortia ei tunnetu hyvin sillä perusteella, että hän oli väärällä radalla. Vuoteen 2000 mennessä Linnunradan uusien tutkimusten kirjoittajat määrittelivät Oort-menetelmää käyttämällä, että "puuttuva" massa sisälsi heikkoja tähtiä, kaasua ja pölyä eikä tumman levyn tarvetta enää tarvita. 80 vuotta sitten tehdyt vihjeet osoittavat, että tumma aine, olipa se mikä tahansa, muodostaa pallomaisia pilviä galaksien ympärille, nimeltään "halot".
No, ainakin niin useimmat tumman aineen metsästäjät sanovat. Mutta vaikka tumman levyn käsite on menettänyt suosionsa, sitä ei ole koskaan hylätty kokonaan. Viime aikoina idea on löytänyt suuren fanein Harvardin yliopiston fysiikan professori Lisa Randallista, joka on nostanut levyteorian tieteellisestä unohduksesta ja työntänyt sen galaktisen kohtauksen keskelle.
Ehdotettuaan mallinsa vuonna 2013, Randall ja hänen kollegansa ovat väittäneet, että tumma levy voisi selittää galaktisen keskuksen gammasäteitä, kääpiögalaksejen tasaista leviämistä kiertoradalla Andromedan nebulan ja Linnunradan ympärillä sekä jopa ajoittain komeetan osumia ja joukkotuhoja. lajit maan päällä. Hän kirjoitti tästä populaaritieteellisessä kirjassaan Dark Matter and the Dinosaurs, joka julkaistiin vuonna 2015.
Linnunreittiä inventoivat astrofysiikit ovat kuitenkin protestoineet väittäen, että galaksin kokonaismassa ja sen tähtihyppy vastaavat liian hyvin, jättämättä tilaa tummalle levylle. "Se on paljon tiukempi kuin Lisa Randall ajattelee", sanoo Toronton yliopiston astrofysiikka Jo Bovy.
Nyt Randall, joka on kehittänyt useita suuria ideoita perustavan fysiikan kriittisistä kysymyksistä, iskee takaisin. Viime viikolla verkkoon julkaistuun julkaisuun, joka hyväksyttiin julkaisemiseen The Astrophysical Journal -lehdessä, Randall ja hänen oppilaansa Eric Kramer löysivät levyn muotoisen porsaanreiän Linnunradan analysoinnissaan:”Meillä on edelleen tärkeä yksityiskohta eivät ole vielä kiinnittäneet huomiota, he kirjoittavat. "Levy voi luoda tilaa itselleen."
Jos tumma levy kulkee galaksin keskitason läpi, Randall ja Kramer väittävät, niin painovoima vetää loput aineen sisäänpäin, mikä johtaa tähti-, kaasu- ja pölytiheyden lisääntymiseen keskitasossa. Tutkijat yleensä laskevat Linnunradan näennäisen kokonaismassan ekstrapoloimalla ulospäin keskitason tiheyden perusteella. Jos esiintyy rajoittavaa vaikutusta, tämä ekstrapolointi johtaa näennäisen massan liioitteluun, ja sitten on tunne, että massa vastaa tähteiden liikettä. Tästä syystä aikaisempien tutkimusten kirjoittajat eivät ole nähneet todisteita tummasta levystä, Kramer sanoo. Yhdessä Randallin kanssa he uskovat, että ohut tumma levy on mahdollista ja että sen läsnäolo on tietyllä tavalla parempi kuin poissaolon.
Mainosvideo:
"Lisan työ on elvyttänyt tämän liiketoiminnan", sanoo Chris Flynn Swinburnen teknillisestä yliopistosta Melbournessa, Australiassa. Hän yhdessä Johan Holmbergin (Johan Holmbergin) kanssa 2000-luvun alkupuolella teki useita "luetteloita" Linnunradasta, mikä näytti tuhoavan kaikki mahdollisuudet tumman levyn olemassaololle.
Bowie on eri mieltä. Vaikka otamme huomioon supistavan vaikutuksen, hänen arvioidensa mukaan korkeintaan 2% tumman aineen kokonaismäärästä voi olla tummassa levyssä, kun taas muun aineen tulisi muodostaa halo. "Mielestäni suurin osa ihmisistä haluaa selvittää, mikä on 98% tummasta aineesta, ei 2%", hän sanoo.
Tämä keskustelu, kuten tumman levyn kohtalo, saattaa pian ratkaista. Euroopan avaruusjärjestön Gaia-satelliitti etsii parhaillaan miljardin tähden sijaintia ja nopeutta, ja Linnunradan lopullinen rekisteri voitaisiin saada valmiiksi ensi kesän loppuun mennessä.
Nuori galaksiklusteri Abell 2151 Hercules-tähdistössä
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A Fujii / Digitized Sky Survey 2
Minkä kokoisen tumman levyn avaaminen olisi erittäin paljastavaa. Jos sitä on olemassa, tumma aine osoittautuu paljon monimutkaisemmaksi kuin tutkijat ovat kauan uskoneet. Aine kerääntyy levymuotoon vain, jos sillä on kyky emittoida energiaa, ja paras tapa emittoida tarpeeksi energiaa on muodostaa atomeja. Pimeiden atomien olemassaolo tarkoittaisi, että tummat protonit ja tummat elektronit, ladatut kuten näkyvät protonit ja elektronit, vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tummien fotonien välittämän pimeän voiman kautta. Vaikka 98% tummasta aineesta on inerttiä ja muodostaa halogeenin, ohuimman tumman levyn olemassaolo tarkoittaisi tuntemattomien hiukkasten "tummaa sektoria", joka olisi niin monimuotoinen kuin näkyvä universumi.
”Tavallinen aine on melko monimutkainen; on asia, jolla on rooli atomeissa, ja on asia, joka ei pelaa, sanoo Kalifornian yliopiston astrofüüsikko Irvine, James Bullock. "Siksi ei olisi hullua kuvitella, että universumin aineen muut viisi-kuudesosa ovat myös melko monimutkaisia ja että on olemassa tietty osa tätä pimeää sektoria, joka esiintyy sitoutuneiden atomien muodossa."
Pimeän aineen monimutkaisuuden käsite on viime aikoina löytänyt yhä useampia kannattajia, joihin on vaikuttanut astrofysiikan poikkeavuudet, jotka eivät oikeasti sovi ajatukseen tummasta aineesta passiivisena, hitaana ja "heikosti vuorovaikutuksessa olevina massiivisina hiukkasina". Nämä poikkeavuudet samoin kuin se tosiasia, että yksityiskohtaisten kokeiden aikana maailman eri maissa ei koskaan havaittu niin raskaita heikosti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia (WIMP), heikensivät tätä teoriaa ja merkitsi uuden aikakauden alkua, jossa kuka tahansa voi spekuloida sen olevan sellaiselle pedolle - tumma aine.
Tämä aikakausi tuli joskus vuonna 2008, kun PAMELA-kokeilun osanottajat havaitsivat ylimääräisen avaruudesta tulevien positronien (verrattuna elektroniin). Tämä epäsymmetria on herättänyt kiinnostusta Kathryn Zurekin ja hänen kollegoidensa ehdottamaan nyt suosittuun "epäsymmetriseen pimeän aineen" malliin. Tuolloin liikkeessä oli vähän ideoita, lukuun ottamatta paino-ajatusta. "Eräät kuin minä, mallintajat, ymmärsivät, että pimeän aineen idea oli täysin alikehittynyt tähän suuntaan", sanoo Tsurek, joka työskentelee nyt kansallisessa laboratoriossa. Lawrence Berkeley Kaliforniassa. "Joten sukellimme tähän työhön kokonaan."
Kääpiögalaktioiden tiheys oli toinen ärsyke. Kun tutkijat yrittävät simuloida niiden muodostumista, kääpiögalaktikot osoittautuvat yleensä liian tiheiksi keskuksissaan, elleivät tutkijat oleta, että tumma-ainepartikkelit voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa pimeitä voimia käyttämällä. Mutta jos lisäämme tähän liian voimakkaan vuorovaikutuksen, tuhoamme rakenteen muodostumisen mallit varhaisessa maailmankaikkeudessa.
"Yritämme selvittää, mitä voidaan sietää", sanoo Bullock, joka suunnittelee myös nämä mallit. Useimmat mallinntajat sallivat heikot vuorovaikutukset, jotka eivät vaikuta pimeän aineen halogeenin muotoon. "Mutta mikä on merkittävää, on olemassa luokka tummaa ainetta, jonka avulla levyt voivat muodostua", Bullock sanoo. Tässä tapauksessa vain pieni osa tumman aineen hiukkasista on vuorovaikutuksessa, mutta ne ovat vuorovaikutuksessa riittävän voimakkaasti energian hävittämiseksi ja sitten levyjen muodostamiseksi.
Randall ja hänen kollegansa JiJi Fan, Andrey Katz ja Matthew Reece keksivät idean vuonna 2013 samalla tavalla kuin Oort. He yrittivät selittää Linnunradan näennäistä poikkeavuutta. Ns. Fermi-linja on ylimäärä tietyn taajuuden gammasäteitä, jotka tulevat galaktisen keskuksen kautta. "Tavallinen tumma aine ei voinut tuhota tarpeeksi tuottaa Fermi-linjaa", Randall sanoo, "ja niin ajattelimme, entä jos se on paljon tiheämpi?" Joten tumma levy sai toisen elämän. Fermi-linja katosi datan lisääntyessä, mutta levyidea oli silti tutkimuksen arvoinen. Vuonna 2014 Randall ja Rees ehdottivat, että juuri levyn takia komeettojen ja meteorien kasvavan toiminnan välillä on 30-35 miljoonan vuoden välein.joita jotkut tutkijat yhdistävät määräajoin toteutettuihin joukkotuhoihin. Joka kerta kun aurinkokunta pomppii ylös tai alas Linnunradan meripyörän ympäri, he väittävät, että levyn painovoima voi destabiloida asteroidit ja komeetat Oort-pilvessä, roskien kaatopaikan aurinkokunnan ulkopuolella, joka on nimetty hollantilaisesta tähtitieteilijästä. Nämä esineet lentävät kohti aurinkokunnan sisäosaa, ja jotkut putoavat maan päälle.
Mutta Randall ja hänen tiiminsä tekivät vain kurja ja kuten kävi ilmi, virheellinen analyysi siitä, kuinka paljon tilaa Linnunradan kokonaismassaan jää pimeälle levylle, tähtijen liikkeen perusteella arvioituna. "He antoivat törkeitä lausuntoja", Bovey sanoi.
Randall, joka tunnetaan ikätovereistaan sitkeydestä (Rhysin mukaan), toi Kramerin tapaukseen vastaamaan kritiikkiin ja”tasoittamaan kaikki ryppyjä” analyysissä ennen kuin Gaian tiedot tulivat saataville. Uusi analyysi osoitti, että kun tumma levy oli olemassa, se ei voinut olla niin tiheä kuin hänen tiiminsä alun perin uskoi. Mutta ohuelle tummallevylle oli tilaa sen supistavan vaikutuksen ja lisääntyvän epävarmuuden vuoksi, joka johtuu Linnunradan tähtien puhtaasta ajautumisesta.
Chris McKee ja kollegat Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä ovat löytäneet uuden ongelman, josta he kirjoittivat The Astrophysical Journal -lehdessä. McKee uskoo, että ohut, tumma levy voisi silti puristua Linnunradan tallennustilaan. Mutta tämä levy voi olla niin ohut, että se yksinkertaisesti romahtaa. Viitaten 1960- ja 1970-lukujen tutkimukseen McKee ja hänen kollegansa kirjoittavat, että levyt eivät voi olla paljon ohuempia kuin Linnunradan näkyvän kaasun levy, koska ne romahtavat. "Ehkä tummalla aineella on ominaisuuksia, jotka eroavat tavallisen aineen ominaisuuksista ja estävät sen, mutta en tiedä mikä se voisi olla", sanoi McKee.
Randallin on vielä torjuttava tämä viimeisin hyökkäys, kutsuen sitä "hankalaksi kysymykseksi, jota parhaillaan tutkitaan". Hän yhtyi myös Bowie'n esittämään näkemykseen - että latautuneiden tummien atomien levy on merkityksetön verrattuna 98%: n tumma-aineen luonteeseen. Hän tutkii nyt mahdollisuutta, että kaikki tumma aine voidaan ladata yhdellä pimeällä voimalla, mutta tummien protonien ylimäärästä johtuen tummiin elektroneihin vain pieni osa sitoutuu atomiin ja toteutetaan levylle. Tässä tapauksessa levyn ja halo on muodostettava samoista elementeistä, "mikä olisi taloudellisempaa", hän sanoo. "Ajattelimme, että se voidaan sulkea pois, mutta se ei toiminut."
Toistaiseksi tumma levy elää - symbolina kaikesta, mitä ei tunneta maailmankaikkeuden pimeästä puolelta. "Minusta on erittäin hyödyllistä tällä alalla, että eri ihmiset tarkastelevat erilaisia ideoita", Bullock sanoo. "Koska meillä ei ole aavistustakaan, mikä se on - pimeä aine, ja meidän on oltava valmiita moniin vaihtoehtoihin."