Najnovija zbivanja u Dark Matteru

Istraživači nastavljaju otkrivati ​​više o neuhvatljivoj tvari koja čini 90% mase Svemira. Ožujka je otkriveno dvije galaksije kojima nedostaju tamna tvar i ograničena na svojstva tamne materije. Iako mogući kandidat - aksio - još uvijek nedostaje.

Otkrivene su još dvije galaksije bez tamne materije

U dvije odvojene studije, istraživači su započeli dalje razvijati naše znanje o tamnoj materiji - tvari koja čini između 70–90% mase vidljivog Univerzuma.

Fotografija galaksije DF2 (NASA, ESA i P. van Dokkum [Sveučilište Yale])

U onome što izgleda kao ironičan razvoj, istraživači su otkrili još dvije galaksije koje kao da ne sadrže nijednu tamnu tvar. Nešto što zapravo podupire slučaj postojanja tvari - umjesto da objašnjava njezina svojstva revidiranim modelom gravitacije.

Istraživanje objavljeno u Astrophysical Journal Letters temelji se na promatranju galaksije prošle godine bez prividnog sadržaja tamne materije. Otkriće je u najmanju ruku astronomi ostavilo skeptično, jer je bilo jedino takvo promatranje.

Astronom Pieter van Dokkum sa sveučilišta Yale, koji je vodio prošlogodišnju studiju, primijetio je: "Ako postoji samo jedan objekt, u glavi vam je uvijek malo glasa koji kaže:" Ali što ako niste u pravu? "

"Iako smo radili sve provjere kojih smo se mogli sjetiti, brinuli smo da nas je priroda bacila na petlju i urotili u zavjeru da nešto izgleda zaista posebno, iako je to zaista nešto više svjetovno."

Novi rad fokusiran je na sablasnu galaksiju 60 milijuna svjetlosnih godina iz našeg Sunčevog sustava - NGC 1052-DF2 (DF2) - koja nema vidljivu tamnu tvar. Pored ove studije, još jedna studija objavljena u istom časopisu otkrila je detalje o DF4, još jednoj galaksiji - ovoj tamnoj i difuznoj - bez prividne tamne materije.

Istraživanje podrazumijeva veću populaciju galaksija, za što nije potrebna tamna tvar da bi im osigurala stabilnost. Istraživanje daje novi uvid u prirodu tamne materije i nagovještava da se o evoluciji galaksija može puno više naučiti.

I DF2 i DF4 dio su relativno nove klase galaksija koje se nazivaju ultra-difuzne galaksije (UDG). Velike su kao Mliječni put, ali imaju između 100 do 1.000 puta manje zvijezda. Zbog toga oni izgledaju pahuljasto i prozirno - i teško ih je promatrati.

Shany Danieli, studentica poslijediplomske studije na Sveučilištu Yale i vodeća autorica studije DF2, kaže: „Činjenica je da vidimo nešto što je sasvim novo.

"Nitko nije znao da takve galaksije postoje, a najbolja stvar na svijetu za studenta astronomije je otkriti objekt - bilo da je to planeta, zvijezda ili galaksija - o kojem nitko nije znao niti razmišljao."

Lijevo: Galaksija s krivuljom rotacije kako je predviđeno prije nego što su bili poznati učinci tamne materije. Desno: Galaksija s ravnom krivuljom rotacije koja se može objasniti učincima tamne materije (Berg)

Kao što je već spomenuto, ironija ovih otkrića, ističu istraživači, zapravo pojačava slučaj postojanja tamne materije. To je zato što pokazuje da učinci tamne materije nisu spojeni s normalnom materijom - kao što bismo očekivali ako bi ta svojstva bila jednostavno čuda u našem razumijevanju gravitacije.

Danieli vodi istraživanje širokog područja sa Dragonfly Telephoto Array - teleskopom koji je dizajnirao van Dokkum - da bi potražio dodatne primjere na sustavan način, a zatim ponovno promatrao kandidate pomoću Keck teleskopa.

Zaključuju: „Nadamo se da ćemo sljedeće saznati koliko su te galaksije uobičajene i postoje li na drugim područjima svemira.

„Želimo pronaći više dokaza koji će nam pomoći da shvatimo kako svojstva tih galaksija djeluju s našim trenutnim teorijama. Nadamo se da će nas to odvesti još korak dalje u razumijevanju jedne od najvećih misterija u našem svemiru - prirode tamne materije. "

Iako su se ove studije usredotočile na galaksije kojima nedostaje tamna tvar, druga studija - koja je također objavljena ovog mjeseca - koncentrirana je na uklanjanje mogućih kandidata tamne materije.

Fizičari postavljaju ograničenja na tamnu tvar

Istraživači iz Rusije, Finske i SAD-a stavili su ograničenje na teorijski model čestica tamne tvari analizirajući podatke astronomskih promatranja aktivnih galaktičkih jezgara. Nova otkrića daju dodatni poticaj istraživačkim skupinama širom svijeta koji pokušavaju razbiti tajnu tamne materije: Nitko nije sasvim siguran od čega je stvorena. Rad je objavljen u časopisu Cosmology and Astroparticle Physics.

Ova slika Centaura A, jedne od najbližih aktivnih galaksija Zemlji, kombinira podatke opažanja u više frekvencijskih raspona (ESO / WFI (optički), MPIfR / ESO / APEX / A. Weiss i dr. (Submilimetar), NASA / CXC / CfA / R. Kraft i dr. (Rendgenski snimak)

Pitanje koje čestice čine tamnu tvar je presudno za modernu fiziku čestica. Unatoč očekivanjima da će se čestice tamne tvari otkriti na Velikom hadronskom sudaraču, to se nije dogodilo.

Neke tadašnje glavne hipoteze o prirodi tamne materije morale su biti odbačene. Različita zapažanja pokazuju da tamna tvar postoji, ali očito je da nešto drugo osim čestica u Standardnom modelu to čini.

Fizičari stoga moraju razmotriti dodatne mogućnosti koje su složenije. Standardni model treba proširiti. Među kandidatima za uključivanje nalaze se hipotetičke čestice koje mogu imati mase u rasponu od 100 do 10 puta veće od mase elektrona, kao što su gore spomenute aksije. Odnosno, najteža spekulirana čestica je mase 40 reda veća od one najlakše.

Jedan teorijski model tretira tamnu materiju kao sastavljenu od ultralakih čestica - poput aksiona, u fokusu sljedećeg odjeljka. To nudi objašnjenje brojnih astronomskih promatranja. Međutim, takve bi čestice bile toliko lagane da bi vrlo slabo komunicirale s drugom materijom i svjetlošću, čineći ih izuzetno teškim za proučavanje. Dakle, istraživači se okreću astronomskim opažanjima.

Sergej Troitsky, koautor rada i glavni istraživač Instituta za nuklearna istraživanja Ruske akademije nauka, kaže: „Govorimo o česticama tamne materije koje su za 28 reda svjetlije od elektrona. Ovaj je pojam kritično važan za model koji smo odlučili testirati.

"Gravitaciona interakcija je ono što izdaje prisutnost tamne materije. Ako objasnimo svu promatranu masu tamne materije u smislu ultralakih čestica, to bi značilo da ih je ogroman broj. No, s česticama poput ovih svjetlosti, postavlja se pitanje: Kako da ih zaštitimo od stjecanja učinkovite mase zahvaljujući kvantnim korekcijama? "

Proračuni pokazuju da bi jedan mogući odgovor bio da te čestice slabo komuniciraju s fotonima - to jest s elektromagnetskim zračenjem. To nudi mnogo lakši način njihovog proučavanja: promatranjem elektromagnetskog zračenja u prostoru.

Kada je broj čestica vrlo velik, istraživači ih mogu tretirati kao polje određene gustoće koje prožima svemir. Ovo polje koherentno oscilira nad domenama veličine oko 100 parsesona - oko 325 svjetlosnih godina.

Period oscilacije određuje masa čestica. Ako je model koji autori smatraju ispravnim, to razdoblje bi trebalo biti oko jedne godine. Kad polarizirano zračenje prođe kroz takvo polje, ravnina polarizacije zračenja oscilira s istim razdobljem. Ako se događaju periodične promjene poput ove, astronomska promatranja mogu ih otkriti. A duljina razdoblja - jedna zemaljska godina - vrlo je zgodna, jer se tijekom nekoliko godina promatraju mnogi astronomski objekti, što je dovoljno da se promjene polarizacije očituju.

Autori rada koristili su podatke sa zemaljskih teleskopa sa Zemlje, jer se tijekom ciklusa promatranja vraćaju istim astronomskim objektima mnogo puta. Takvi teleskopi mogu promatrati udaljena aktivna galaktička jezgra - regije pregrijane plazme u blizini centara galaksija. Ove regije emitiraju visoko polarizirano zračenje. Promatrajući ih, može se pratiti promjena kuta polarizacije tijekom nekoliko godina.

Troitsky nastavlja: "U početku se činilo da signali pojedinih astronomskih objekata pokazuju sinusoidne oscilacije. Ali problem je bio u tome što razdoblje sinusa mora biti određeno masom čestica tamne materije, što znači da mora biti isti za svaki objekt. U našem je uzorku bilo 30 predmeta. I može se dogoditi da neki od njih osciliraju zbog vlastite interne fizike, ali svejedno, razdoblja nikada nisu bila ista.

„To znači da interakcija naših ultralakih čestica sa zračenjem može biti ograničena. Ne kažemo da takve čestice ne postoje, ali pokazali smo da ne komuniciraju s fotonima, postavljajući ograničenje na dostupne modele koji opisuju sastav tamne materije. "

Jurij Kovalev, koautor studije i direktor laboratorija na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju i Lebedev fizički institut Ruske akademije znanosti, izuzetno je uzbuđen izgledom.

Kaže: „Zamislite samo kako je to bilo uzbudljivo! Godinama proučavate kvazare kada se pojave jednodnevni teorijski fizičari, a rezultati naših mjerenja visoke preciznosti i polarizacije visoke kutne rezolucije odjednom su korisni za razumijevanje prirode tamne materije. "

U budućnosti, tim planira potražiti manifestacije hipoteziziranih težih čestica tamne materije koje predlažu drugi teorijski modeli. Ovo će zahtijevati rad u različitim spektralnim rasponima i korištenje drugih tehnika promatranja.

Prema Troitskom, ograničenja alternativnih modela su stroža: "Trenutno je čitav svijet angažiran u potrazi za česticama tamne materije. Ovo je jedna od velikih misterija fizike čestica.

„Od danas, nijedan model nije prihvaćen kao omiljeni, bolje razvijen ili vjerodostojniji s obzirom na dostupne eksperimentalne podatke. Moramo ih sve testirati. Nezgodno, tamna materija je "tamna" u smislu da teško komunicira sa bilo čim, posebno sa svjetlošću. "

U nekim bi scenarijima mogao blago utjecati na svjetlosne valove koji prolaze. Ali drugi scenariji predviđaju da uopće nema interakcija između našeg svijeta i tamne materije, osim onih koje posreduje gravitacija.

"To bi njezine čestice bilo vrlo teško pronaći", zaključuje Troitsky.

Bez obzira na to, ove poteškoće nisu uvjerile tim pod vodstvom MIT-a da zaustavi potragu unutar određenog raspona masa.

Pokusi s tamnom materijom ne pronalaze dokaze o sjekirama

Fizičari su izveli prvi pokus novog eksperimenta za otkrivanje akcija - hipotetičke čestice za koje se predviđa da će biti među najlakšim česticama u svemiru. Da postoje, aksije bi bile gotovo nevidljive, ali nemoguće - tvoreći 85% mase svemira, u obliku tamne materije.

Aksioni su posebno neobični po tome što se od njih očekuje da na malo izmjenjuju pravila električne energije i magnetizma. U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters, tim pod vodstvom MIT-a izvijestio je da u prvom mjesecu opažanja eksperiment nije otkrio znakove sjekira u rasponu masa od 0,31 do 8,3 nano-elektrona.

To znači da aksije unutar ovog raspona masa - ekvivalentne otprilike jednoj četvrtini mase mase protona - ili ne postoje ili imaju još manji učinak na elektricitet i magnetizam nego što se prije mislilo.

Lindley Winslow, glavna istražiteljica eksperimenta, kaže: "Ovo je prvi put da je netko direktno pogledao ovaj aksonski prostor.

"Uzbuđeni smo što sada možemo reći:" Ovdje moramo izgledati i znamo kako bolje! "

Dok se misli da ih ima posvuda, predviđa se da će sjekire biti gotovo duhovne, a samo sitne interakcije s bilo čim drugim u svemiru.

Winslow, pomoćnik profesora fizike na MIT-u Jerrold R. Zacharias za razvoj karijere, dodaje: „Kao tamna tvar, sjekire ne bi trebale utjecati na vaš svakodnevni život.

"Ali smatra se da utječu na stvari na kozmološkoj razini, poput širenja svemira i stvaranja galaksija koje vidimo na noćnom nebu."

Umjetnička interpretacija magneta u zvjezdanoj grupi Westerlund 1 - oko koje bi aksone pokazale neobično ponašanje (ESO)

Zbog njihove interakcije s elektromagnetizmom, teorije se daju da se osi imaju iznenađujuće ponašanje oko magnetara - vrste neutronske zvijezde koja pokreće ogromno moćno magnetsko polje. Ako su prisutne aksije, oni mogu iskoristiti magnetsko polje magneta kako bi se pretvorili u radio-valove, što je moguće otkriti pomoću posebnih teleskopa na Zemlji.

Godine 2016., trojka teoretičara MIT-a izradila je misaoni eksperiment za otkrivanje sjekira, inspiriranog magnetarom. Eksperiment je nazvan ABRACADABRA, za širokopojasni / rezonantni pristup otkrivanju kozmičke osi sa pojačavajućim aparatom u obliku polja B, a osmislio ga je Thaler, koji je izvanredni profesor fizike i istraživač u Laboratoriji za nuklearne znanosti i Centar za teorijsku fiziku, zajedno s Benjaminom Safdijem, zatim suradnikom na MIT Pappalardo, i bivšim studentom diplomiranog studija Yonatanom Kahnom.

Tim je predložio dizajn malog magneta u obliku krafne koji se čuva u hladnjaku na temperaturama iznad apsolutne nule. Bez sjekira ne bi trebalo biti magnetskog polja u središtu krafne ili, kako Winslow kaže, „tamo gdje bi trebala biti munchkin“. Međutim, ako postoje aksije, detektor bi trebao "vidjeti" magnetsko polje u sredini krafne

Nakon što je grupa objavila svoj teoretski dizajn, Winslow, eksperimentalist, krenuo je u pronalaženje načina za stvarnu izgradnju eksperimenta.

Ona kaže: „Htjeli smo potražiti signal o sjekiri gdje je, ako je vidimo, to stvarno aksija.

"To je bilo elegantno u ovom eksperimentu. Tehnički gledano, ako ste vidjeli ovo magnetsko polje, to bi moglo biti samo osovina, zbog posebne geometrije koju su smislili. "

To je izazovan eksperiment, jer je očekivani signal manji od 20 atto-Tesla. Za referencu, Zemljino magnetsko polje je 30 mikro-Tesla, a ljudski valovi mozga su 1 pico-Tesla.

U izradi eksperimenta, Winslow i njezine kolege su se morali suočiti s dva glavna dizajnerska izazova, od kojih je prvi uključivao hladnjak koji je cijeli eksperiment održavao na ultrahladnim temperaturama. Hladnjak je uključivao sustav mehaničkih crpki čija bi aktivnost mogla stvarati vrlo male vibracije za koje je Winslow zabrinut mogao maskirati aksonski signal.

Drugi je izazov bio buka u okruženju, poput radio stanica u blizini, uključivanje i isključivanje elektronike u cijeloj zgradi, pa čak i LED svjetla na računalima i u elektronici, koji su svi mogli stvarati konkurentna magnetska polja.

Tim je riješio prvi problem vješajući čitavu kontracepciju, koristeći nit tanku poput zubnog konceva. Drugi je problem riješen kombinacijom hladnog supravodičnog i toplog oklopa oko vanjskog pokusa.

"Tada bismo napokon mogli uzeti podatke, a došlo je do slatkog područja u kojem smo bili iznad vibracija hladnjaka i ispod buke okoliša koji je vjerojatno dolazio od naših susjeda, u kojem smo mogli napraviti eksperiment."

Istraživači su prvo proveli niz testova kako bi potvrdili da eksperiment djeluje i pokazali magnetska polja precizno. Najvažniji test bio je ubrizgavanje magnetskog polja kako bi se simulirao lažni aksiom i kako bi se vidjelo da je detektor pokusa proizveo očekivani signal - što upućuje na to da će, ako pravi eksperiment djeluje u eksperimentu, biti otkriven. U ovom trenutku, eksperiment je bio spreman za početak.

Winslow kaže: "Ako uzmete podatke i pokrenete ih putem audio programa, možete čuti zvukove koje frižider stvara

"Također vidimo i druge buke koje se događaju i isključuju od nekoga u susjedstvu koji nešto radi, a onda ta buka nestaje. A kad pogledamo ovo slatko mjesto, koje se drži zajedno, razumijemo kako detektor funkcionira i postaje dovoljno tih da čujemo sjekire. "

ABRACADABRA-10cm prva instalacija sa oklopljenim magnetom koji visi s dna hladnjaka za razrjeđivanje (izlaz [MIT])

U 2018. tim je izveo prvu vožnju ABRACADABRA, kontinuirano uzorkujući između srpnja i kolovoza. Nakon analize podataka iz tog razdoblja nisu pronašli dokaze o aksijama u rasponu masa od 0,31 do 8,3 nano-elektrona, koji mijenjaju struju i magnetizam za više od jednog dijela u 10 milijardi.

Eksperiment je osmišljen kako bi otkrio aksije još manjih masa, do oko 1 femto elektronvolta, kao i akcije velike čak i 1 mikro elektronvolta.

Tim će nastaviti izvoditi trenutni eksperiment, koji se odnosi na veličinu košarke, u potrazi za još manjim i slabijim sjekirama. U međuvremenu, Winslow razmatra kako povećati eksperiment na veličinu kompaktnog automobila - dimenzijama koje bi mogle omogućiti otkrivanje još slabijih sjekira.

Winslow zaključuje: "Postoji realna mogućnost velikog otkrića u sljedećim fazama eksperimenta.

„Ono što nas motivira je mogućnost da vidimo nešto što bi promijenilo teren. To je visoko rizična fizika s visokom nagradom. "

izvori

'Druga galaksija koja nedostaje tamnom materijom u grupi NGC 1052' https://iopscience-iop-org.libezproxy.open.ac.uk/article/10.3847/2041-8213/ab0d92

'Još uvijek nedostaje tamna materija: KCWI Zvjezdana kinematika visoke rezolucije NGC1052-DF2' https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e8c

'Ograničavanje spajanja fotona ultra-svijetlih čestica poput aksiona tamne materije polarizacijskim varijacijama mlaznica parseksa u aktivnim galaksijama' https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2019/02/ 059 / meta

'Prvi rezultati iz ABRACADABRA-10 cm: Potraga za Sub-μeVAxion Dark Matter' https://journals-aps-org.libezproxy.open.ac.uk/prl/abrief/10.1103/PhysRevLett.122.121802