Suurem osa Universumist koosneb "mateeriast", mida ei ole võimalik näha, võimalik, et ka ebaolulisest ning interakteerub muude asjadega ainult gravitatsiooni jõu kaudu. Oh jah, ja füüsikud ei tea, mis see asi on või miks seda universumis on nii palju - umbes neli viiendikku selle massist.
Teadlased nimetavad seda tumeaineks.
Kus on see salapärane asi, mis moodustab meie universumi sellise tohutu tüki, ja millal teadlased selle avastavad?
Kuidas me teame, et see asi on olemas
Tumeda aine hüpoteesi esitas Šveitsi astronoom Fritz Zwicky esmakordselt 1930. aastatel, kui ta mõistis, et tema galaktikaparvede masside mõõtmised näitasid, et osa massist universumis oli “puudu”. Ükskõik, mis muudab galaktikad raskemaks, ei kiirga see valgust ega suhelda mitte millegi muu kui gravitatsiooni kaudu.
Astronoom Vera Rubin avastas 1970. aastatel, et galaktikate pöörlemine ei järgi Newtoni liikumisseadust; galaktikates (eriti Andromedas) olevad tähed näisid pöörlevat sama kiirusega ümber keskpunkti, kuid tähest kaugemal olevad liiguvad aeglasemalt. Justkui midagi lisab galaktika välisosale massi, mida keegi ei näinud.
Ülejäänud tõendid pärinevad gravitatsioonilisest läätsest, mis ilmneb siis, kui suure objekti raskusjõud painutab objekti ümber valguslaineid. Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria kohaselt painutab gravitatsioon ruumi (nagu sumomaadleja võib deformeerida matti, millel ta seisab) nii, et valguskiired painduvad suurte objektide ümber, isegi kui valgus ise on massitu. Vaatlused näitasid, et valguse painutamiseks polnud piisavalt nähtavat massi, nagu see toimus üksikute galaktikaparvede ümber - teisisõnu, galaktikad olid massiivsemad, kui nad peaksid olema.
Reklaamvideo:
Siis on reliktiivne kiirgus (CMB), Suure Paugu ja supernoovade “kaja”. "CMB ütleb meile, et universum on ruumiliselt tasane," ütles Hawaii ülikooli füüsikaprofessor Jason Kumar. „Ruumiliselt tasane” tähendab, et kui tõmmata läbi universumi kaks joont, ei ristu nad kunagi, isegi kui sirged oleksid miljardeid valgusaastaid. Järsult kõveras universumis kohtuvad need jooned mingil ajahetkel kosmoses.
Kosmoloogide ja astronoomide seas on nüüd väike vaidlus selle üle, kas tume aine on olemas. See ei mõjuta valgust ja see pole laetud nagu elektronid või prootonid. Siiani on see otsest tuvastamist vältinud.
"See on mõistatus," ütles Kumar. Võimalik, et teadlased on püüdnud tumeainet "näha" - kas selle koostoimega tavalise mateeriaga või otsides osakesi, mis võivad muutuda tumeaineks.
Mis tume aine pole
Paljud teooriad on tulnud ja läinud selle kohta, mis on tumeaine. Üks esimestest oli üsna loogiline: küsimus oli peidetud massiivsetesse astrofüüsilistesse kompaktsetesse haloobjektidesse (MACHO), nagu neutronitähed, mustad augud, pruunid kääbused ja petturid. Nad ei kiirga valgust (või kiirgavad väga vähe), seega on nad teleskoopide jaoks praktiliselt nähtamatud.
Kuid MACHO poolt möödudes tekkivate tähevalguses väikseid moonutusi otsivate galaktikate - nn mikrolülituse - uurimine ei suutnud selgitada galaktikate ümbritseva tumeda aine kogust või isegi selle osa. "Tundub, et MACHO-d on nagu kunagi varem tõrjutud," ütles Illinoisi Fermi riikliku kiirendi labori kaastöötaja Dan Hooper.
Tume aine ei paista olevat gaasipilv, mida teleskoopide kaudu ei näe. Hajutatud gaas neelab valgust kaugematest galaktikatest ja selle tipus olev kiirgaas kiirgab taas pika lainepikkusega kiirgust - taevasse paistab tohutu infrapunakiirgus. Kuna seda ei juhtu, võime selle välistada.
Mis see olla võiks
Nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed (WIMP-d) on tumeda aine selgitamiseks kõige tugevamad pretendendid. Wimps on rasked osakesed - umbes 10 kuni 100 korda raskemad kui prooton, mis loodi Suure Paugu ajal ja mida tänapäeval on vähe. Need osakesed interakteeruvad normaalse ainega gravitatsiooni ja nõrkade tuumajõudude kaudu. Massiivsemad WIMP-d liiguvad aeglasemalt läbi kosmose ja võivad seetõttu olla „külma” tumeda aine kandidaadid, samas kui kergemad liiguvad kiiremini ja on „sooja” tumeda aine kandidaadid.
Üks viis nende leidmiseks on „otsene tuvastamine“, näiteks LUX-eksperimentaal, mis on Lõuna-Dakota kaevanduses asuv vedelksenooni konteiner.
Teine võimalus vimpide nägemiseks võiks olla osakeste kiirendi. Kiirendite sees purustatakse aatomi tuumad valguse kiirusele lähedasel kiirusel ja selle käigus muundatakse see kokkupõrke energia teisteks osakesteks, mõned neist on teaduse jaoks uued. Siiani pole osakeste kiirenditest midagi leidnud, mis näeks välja oletatav tumeaine.
Teine võimalus: teljed. Neid subatomaalseid osakesi saab kaudselt tuvastada kiirguse järgi, mida nad eraldavad, kuidas nad hävitavad või kuidas nad lagunevad teist tüüpi osakesteks või ilmuvad osakeste kiirenditesse. Kuid ka telgide kohta pole otseseid tõendeid.
Kuna raskete, aeglaste “külmade” osakeste, näiteks WIMP-de või aksioonide avastamine ei ole veel tulemusi andnud, uurivad mõned teadlased kergete, kiiremini liikuvate osakeste võimalust, mis põhjustavad “sooja” tumedat ainet. Huvi sellise tumeaine mudeli vastu on taastunud pärast seda, kui teadlased leidsid Chandra röntgenikiirguse vaatluskeskuse abil tõendeid tundmatu osakese kohta Perseuse klastris - galaktikate rühmas, mis asub Maast umbes 250 miljoni valgusaasta kaugusel. Selles klastris teada olevad ioonid tekitavad teatud röntgenkiirguse read ja 2014. aastal nägid teadlased uut “joont”, mis võiks vastata tundmatule valgusosakesele.
Kui tumeda aine osakesed on kerged, on teadlastel keeruline neid otse üles leida, ütles MIT-i füüsik Tracey Slater. Ta pakkus välja uut tüüpi osakesi, mis võivad moodustada tumeda aine.
"Tumedat ainet massiga alla 1 GeV on standardsete otsese avastamise katsetega tõesti raske tuvastada, kuna need toimivad aatomituumade seletamatute tagasilöökide otsimisel … aga kui tumeaine on aatomituumast palju kergem, on tagasilöögienergia väga väike," ütles Tracy Slater.
Tumeda aine otsimisel on tehtud palju uuringuid ja kui praegused meetodid ebaõnnestuvad, viiakse läbi uued. Vedela vedela heeliumi kasutamine, pooljuhid ja isegi keemiliste sidemete purustamine kristallides on mõned uued ideed tumeda aine avastamiseks.
