Tumeaine laialdase uurimise uuel ajastul tuleb teaduslikust unustusest välja vastuoluline idee selle kontsentreerumisest õhukestesse ketastesse
1932. aastal luges Hollandi astronoom Jan Oort Linnutees tähti ja leidis, et need on kadunud. Tuginedes tõsiasjale, et tähed, liikudes ringi galaktika tasapinnal, hüppavad üles ja alla nagu hobused karusellil, arvutas Oort, et ainet, mis avaldab neile gravitatsioonilist mõju ja paneb neid liikuma, peaks olema kaks korda rohkem kui ta nägi. … Oort postuleeris, et puuduse korvab varjatud "tume aine", ja soovitas selle koondada kettale, mis selgitab tähtede liikumist.
Kuid tumeda aine, nagu kutsutakse nähtamatuks ja määramatuks aineks, avastamist, mis moodustab viis-kuuendikku universumi massist, omistatakse tavaliselt Šveitsi-Ameerika astronoomile Fritz Zwickyle, kes tuletas selle olemasolu 1933. aastal galaktikate vastastikustest liikumistest. Oort polnud üldteada põhjusel, et ta oli valel teel. 2000. aastaks leidsid Linnutee uute uuringute autorid, kasutades Oorti meetodit, et "kadunud" mass sisaldas nõrku tähti, gaasi ja tolmu ning tumeda ketta vajadus polnud enam vajalik. 80 aasta tagused vihjed näitavad, et tumeaine, olenemata sellest, moodustab galaktikate ümber sfäärilisi pilvi, mida nimetatakse "haliteks".
Noh, vähemalt nii ütlevad enamik tumeda aine jahimehi. Kuid kuigi tumeda plaadi kontseptsioon on kaotanud oma populaarsuse, pole sellest kunagi täielikult loobutud. Hiljuti leidis idee Harvardi ülikooli füüsikaprofessori Lisa Randalli suure fänni, kes on diskiteooria teaduslikust unustusest välja tõrjunud ja galaktika keskpunkti surunud.
Pärast 2013. aastal oma mudeli väljapakkumist on Randall ja tema kolleegid väitnud, et tume ketas võib seletada galaktikakeskmest tekkivaid gammakiiri, kääbusgalaktikate tasast levikut orbiidil Andromeda udukogu ja Linnutee ümbruses ning isegi perioodilisi komeedi langusi ja massilist väljasuremist. liigid Maal. Ta kirjutas sellest oma 2015. aastal ilmunud populaarteaduslikus raamatus Dark Matter and the Dinosaurs.
Linnutee inventeerinud astrofüüsikud on siiski protestinud, väites, et galaktika kogumass ja selle tähtede hüpped vastavad liiga hästi, jätmata ruumi tumedale kettale. "See on palju tihedam, kui Lisa Randall arvab," ütleb Toronto ülikooli astrofüüsik Jo Bovy.
Nüüd lööb tagasi Randall, kes on välja töötanud hulga suuri ideid fundamentaalfüüsika kriitiliste teemade kohta. Eelmisel nädalal veebis postitatud ja väljaandes The Astrophysical Journal avaldamiseks vastu võetud dokumendis leidsid Randall ja tema õpilane Eric Kramer Linnutee analüüsimisel kettakujulist lünka: „On veel üks oluline detail, mis meil veel on pole veel tähelepanu pööranud, kirjutavad nad. "Plaat võib luua ruumi enda jaoks."
Kui Randall ja Kramer väidavad, et tume ketas läbib galaktika keskmist lennukit, tõmbab gravitatsioon ülejäänud aine sissepoole, mis põhjustab tähtede, gaasi ja tolmu tiheduse suurenemist keskplaanil. Teadlased arvutavad Linnutee kogu näilise kogu massi ekstrapoleerides väljapoole keskpinna tiheduse põhjal. Ahendava efekti korral põhjustab selline ekstrapoleerimine näilise massi liialdamist ja siis tekib tunne, et mass vastab tähtede liikumisele. Sel põhjusel pole varasemate uuringute autorid näinud tumeda plaadi kohta tõendeid, kirjutab Kramer. Nad usuvad koos Randalliga, et õhuke tume ketas on võimalik ja et mõnes mõttes on selle olemasolu parem kui puudumine.
Reklaamvideo:
"Lisa töö on selle äri taaselustanud," ütleb Chris Flynn Austraalia Melbourne'i Swinburne'i tehnikaülikoolist. Ta viis koos Johan Holmbergi (Johan Holmbergiga) 2000. aastate alguses läbi Linnutee mitu "inventuuri", mis näis hävitavat täielikult kõik võimalused tumeda ketta olemasolu jaoks.
Bowie pole sellega nõus. Isegi kui võtame arvesse kitsendavat efekti, ei saa tema hinnangul tumedas ketas olla rohkem kui 2% tumeda aine üldkogusest, ülejäänud aine peaks moodustama halo. "Arvan, et enamik inimesi tahab aru saada, mis on 98% tumedast ainest, mitte 2%," ütleb ta.
See arutelu, nagu tumeda plaadi saatus, võib varsti lahendada. Euroopa Kosmoseagentuuri satelliit Gaia teleskoopib praegu miljardi tärni asukohti ja kiirust ning Linnutee lõplik register võiks valmis saada järgmise suve lõpuks.
Noor galaktikaparv Abell 2151 Herculese tähtkujus
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / digiteeritud taevauuring 2
Mis tahes suurusega tumeda plaadi avamine oleks äärmiselt paljastav. Kui see on olemas, osutub tumeaine palju keerukamaks, kui teadlased on ammu uskunud. Materjal koguneb kettakujuliseks ainult siis, kui sellel on võime energiat eraldada ja parim viis piisavalt energia eraldamiseks on aatomite moodustamine. Tumedate aatomite olemasolu tähendaks, et tumedad prootonid ja tumedad elektronid, laetud nagu nähtavad prootonid ja elektronid, interakteeruvad üksteisega läbi tumedate footonite edastatava tumeda jõu. Isegi kui 98% tumedast ainest on inertsed ja moodustavad halo, tähendaks kõige õhema tumeda ketta olemasolu tundmatute osakeste "tumeda sektori" olemasolu, mis on sama mitmekesine kui nähtav Universum.
„Tavaline asi on üsna keeruline; on asi, mis mängib rolli aatomites, ja on asi, mis ei mängi, ütleb California ülikooli Irvine'i astrofüüsik James Bullock. "Seetõttu poleks hullu ette kujutada, et ka ülejäänud viis-kuuendikku asjast Universumis on üsna keerukad ja et sellel tumedal sektoril on teatud osa, mis eksisteerib seotud aatomite kujul."
Tumeaine keerukuse kontseptsioon on viimasel ajal leidnud üha rohkem toetajaid, neid aitavad astrofüüsilised anomaaliad, mis tegelikult ei sobi tumeaine kui passiivsete, aeglaste ja "nõrgalt interakteeruvate massiivsete osakeste" ideega. Need kõrvalekalded, aga ka asjaolu, et üksikasjalikes katsetes erinevates maailma riikides ei tuvastatud selliseid raskesti nõrgalt interakteeruvaid osakesi (WIMP-sid), nõrgestasid seda teooriat ja tähistasid uue ajastu algust, kus igaüks võib spekuleerida, et see on sellise metsalise jaoks - tume aine.
See ajastu saabus millalgi 2008. aastal, kui PAMELA eksperimendis osalejad avastasid kosmosest tulevate positronite ülejäägi (võrreldes elektronidega). See asümmeetria on tekitanud huvi Kathryn Zureki ja tema kolleegide pakutud nüüd populaarse "asümmeetrilise tumeaine" mudeli vastu. Sel ajal oli ringluses vähe ideid, välja arvatud vitste kontseptsioon. "Seal olid minusugused modelleerijad, kes mõistsid, et tumeda aine idee on selles suunas täiesti vähe arenenud," ütleb Tsurek, kes töötab nüüd riiklikus laboris. Lawrence Berkeley Californias. "Nii et me sukeldusime sellesse töösse kogu aeg."
Kääbusgalaktikate tihedus oli veel üks stiimul. Kui teadlased proovivad nende moodustumist modelleerida, on kääbusgalaktikad tavaliselt nende keskpunktides liiga tihedad, kui teadlased ei eelda, et tumeda aine osakesed saavad üksteisega suhelda, kasutades tumedaid jõude. Kuid kui lisada siia liiga tugev interaktsioon, siis hävitame varajases universumis struktuuri kujunemise mudelid.
"Üritame välja mõelda, mida saab taluda," ütleb Bullock, kes kavandab ka neid mudeleid. Enamik modelleerijaid võimaldab nõrka koostoimimist, mis ei mõjuta tumeda aine halo kuju. "Kuid mis on tähelepanuväärne, on olemas mingi tumeaine klass, mis võimaldab plaatidel moodustuda," ütleb Bullock. Sel juhul interakteerub ainult väike osa tumeda aine osakesi, kuid need interakteeruvad piisavalt tugevalt, et hajutada energiat ja moodustada seejärel kettad.
Randall ja tema kolleegid JiJi Fan, Andrey Katz ja Matthew Reece tulid idee välja 2013. aastal samamoodi nagu Oort. Nad üritasid selgitada Linnutee ilmset anomaaliat. Nn Fermi joon on teatud sagedusega gammakiirte ülejääk, mis tuleb galaktika keskmest. "Tavaline tumeaine ei suutnud Fermi liini tootmiseks piisavalt hävitada," ütleb Randall, "ja nii me mõtlesime, mis siis saab, kui see on palju tihedam?" Nii sai tume plaat teise elu. Fermi liin kadus, kuna rohkem andmeid tekkis, kuid ketta idee oli siiski väärt uurimist. 2014. aastal pakkusid Randall ja Rees välja, et just ketta tõttu on komeetide ja meteooride suureneva aktiivsuse vahel 30-35 miljoni aasta pikkused intervallid.mida mõned teadlased seostavad perioodilise massilise väljasuremisega. Iga kord, kui Päikesesüsteem põrkub Linnutee ringkäigul üles või alla, väidavad nad, et ketta gravitatsiooniline efekt võib destilleerida Oorti pilves asteroide ja komeete - prügimäge meie päikesesüsteemi äärel, mis on nimetatud Hollandist pärit astronoomi järgi. Need objektid lendavad Päikesesüsteemi sisemise osa poole ja mõned langevad Maale.
Kuid Randall ja tema meeskond tegid vaid nõukaaega ning nagu selgus, on tähtede liikumise põhjal valesti analüüsitud, kui palju Linnutee kogumassist jääb ruumi tumeda ketta jaoks. "Nad tegid mõned ennekuulmatud avaldused," ütles Bovey.
Eakaaslaste seas visadusest (Reesi sõnul) tuntud Randall tõi Krameri juhtumisse, et reageerida kriitikale ja “raugeda kõik kortsud” analüüsis enne, kui Gaia andmed kättesaadavaks said. Uus analüüs näitas, et kui tume ketas eksisteeris, ei saanud see olla nii tihe, kui tema meeskond algselt arvas. Kuid õhukese tumeda ketta jaoks oli selle kitsendava mõju ja Linnutee tähtede puhta triivimise põhjustatud täiendava ebakindluse tõttu täiendavat ebakindlust.
Chris McKee ja kolleegid Berkeley California ülikoolist tuvastasid uue probleemi, millest nad kirjutasid ajakirjas The Astrophysical Journal. McKee arvab, et õhuke, tume ketas võiks ikkagi Linnutee massiruumi sisse pigistada. Kuid see ketas võib olla nii õhuke, et see lihtsalt kukub kokku. Tsiteerides 1960. ja 1970. aastate uurimusi, kirjutavad McKee ja tema kolleegid, et kettad ei saa olla palju õhemad kui Linnutee nähtava gaasi ketas, kuna need varisevad kokku. "Võib-olla on tumeda ainel omadused, mis erinevad tavalise aine omadustest ja takistavad seda, kuid ma ei tea, mis see võiks olla," - ütles McKee.
Randall peab selle viimase rünnaku veel ära hoidma, nimetades seda "praegu uurimisel olevaks keeruliseks küsimuseks". Ta nõustus ka Bowie väljendatud arvamusega - et laetud tumedate aatomite ketas on 98% -lise tumeda aine olemusest väheoluline. Ta uurib nüüd võimalust, et kogu tumedat ainet saab laadida ühe tumeda jõuga, kuid kuna tumedad prootonid ületavad tumedaid elektrone, seob aatomitesse vaid kettasse pisikese fraktsiooni. Sel juhul peavad ketas ja halo koosnema samadest elementidest, "mis oleks säästlikum". "Arvasime, et selle võib välistada, kuid see ei õnnestunud."
Siiani elab tume ketas edasi - sümbolina kõigele, mida universumi pimeda poole kohta pole teada. "Ma arvan, et selles valdkonnas on väga-väga palju abi sellest, et erinevad inimesed vaatavad erinevaid ideid," ütleb Bullock. "Kuna meil pole aimugi, mis see on - tumeaine, ja me peame olema valmis mitmesugusteks võimalusteks."
