Hvor Mørkt Materiel Virker

{h1}

Lær alt om mørkt stof, hvordan vi opdager det og dets betydning i universet.

I 1978-opfølgningsalbumet "Born to Run" bruger Bruce Springsteen mørke på kanten af ​​byen som en metafor for det øde ukendte, vi alle står over for, når vi vokser op og forsøger at forstå verden.

Kosmologer, der arbejder for at dechifrere universets oprindelse og skæbne, skal identificere fuldstændigt med The Boss 'følelse af tragisk længsel. Disse stargazingforskere har længe været ude for deres eget mørke på kanten af ​​byen (eller på kanten af ​​galakser), da de forsøger at forklare en af ​​astronomiens største mysterier. Det er kendt som mørkt stof, som selv er en pladsholder - som x eller y brugt i algebra klasse - for noget ukendt og hidtil uset. En dag vil det nyde et nyt navn, men i dag sidder vi fast med den midlertidige etiket og dens konnotationer af skyggefuld usikkerhed.

Bare fordi forskere ikke ved hvad man skal kalde mørkt materie betyder ikke, at de ikke ved noget om det. De ved for eksempel, at mørkt materiel opfører sig anderledes end "normal" materie, som galakser, stjerner, planeter, asteroider og alle de levende og ikke-levende ting på Jorden. Astronomer klassificerer alle disse ting som baryonsyre, og de ved, at dens mest grundlæggende enhed er atomet, som i sig selv er sammensat af endnu mindre subatomære partikler, såsom protoner, neutroner og elektroner.

I modsætning til baryonsyre udsender mørkt stof hverken eller absorberer lys eller andre former for elektromagnetisk energi. Astronomer ved, at det eksisterer, fordi noget i universet udøver betydelige tyngdekrafter på ting, vi kan se. Når de måler virkningerne af denne tyngdekraft, vurderer forskere, at mørkt materiale giver op til 23 procent af universet. Baryonsyre udgør kun 4,6 procent. Og et andet kosmisk mysterium kendt som mørk energi udgør resten - en kæmpe 72 procent [kilde: NASA / WMAP]!

Så hvad er mørkt materiale? Hvor kom det fra? Hvor er det nu? Hvordan studerer forskerne de ting, når de ikke kan se det? Og hvad håber de at få ved at løse puslespillet? Er mørk materiel hemmeligheden med at størkne standardmodellen af ​​partikelfysik, eller vil det fundamentalt ændre, hvordan vi ser og forstår verden omkring os? Så mange spørgsmål skal besvares. Vi starter i begyndelsen - næste.

Bevis for mørk materie: Begyndelsen

Astronomer er blevet fascineret af galakser i århundreder. Først kom erkendelsen af, at vores solsystem lå svadet i armene af en massiv krop af stjerner. Så kom der bevis for, at andre galakser eksisterede ud over Vækstvejen. Ved 1920'erne katalogiserede forskere som Edwin Hubble kataloger tusindvis af "øuniverser" og registrerede oplysninger om deres størrelser, rotationer og afstande fra Jorden.

Et nøgleaspekt astronomer håbede at måle var massen af ​​en galakse. Men du kan ikke kun veje noget som en galakse - du skal finde sin masse ved andre metoder. En metode er at måle lysintensiteten eller lysstyrken. Jo mere lysende en galakse, jo mere masse det besidder (se How Stars Work). En anden tilgang er at beregne rotationen af ​​en galakse krop eller disk ved at spore hvor hurtigt stjerner i galaksen bevæger sig rundt i midten. Variationer i rotationshastighed bør angive regioner med varierende tyngdekraft og derfor masse.

Da astronomer begyndte at måle rotationerne af spiralgalakser i 1950'erne og 60'erne, gjorde de en uhyggelig opdagelse. De forventede at se stjerner nær en galaksecenter, hvor det synlige materiale er mere koncentreret, bevæger sig hurtigere end stjerner ved kanten. Hvad de så i stedet var, at stjerner ved kanten af ​​en galakse havde samme rotationshastighed som stjerner nær centrum. Astronomerne observerede først dette med Melkevejen, og i 1970'erne bekræftede Vera Rubin fænomenet, da hun lavede detaljerede kvantitative målinger af stjerner i flere andre galakser, herunder Andromeda (M31).

Implikationen af ​​alle disse resultater pegede på to muligheder: Noget var fundamentalt galt med vores forståelse af tyngdekraft og rotation, hvilket forekom usandsynligt, da Newtons love havde modstået mange tests i århundreder. Eller mere sandsynligt må galakser og galaktiske klynger indeholde en usynlig form for materiel - hej, mørkt stof - ansvarlig for de observerede tyngdepåvirkninger. Da astronomer fokuserede deres opmærksomhed på mørkt stof, begyndte de at indsamle yderligere beviser for dets eksistens.

Dark Matter Pioneers

Begrebet mørk materiel stammer ikke fra Vera Rubin. I 1932 observerede den hollandske astronom Jan Hendrik Oort at stjerner i vores galaktiske kvarter bevægede sig hurtigere end forventede beregninger. Han brugte udtrykket "mørkt stof" til at beskrive den uidentificerede masse, der kræves for at forårsage denne bølge i hastighed. Et år senere begyndte Fritz Zwicky at studere galakser i Coma-klyngen. Ved hjælp af lysstyrkemålinger bestemte han sig for, hvor meget masse der skulle være i klyngen, og da massen og tyngdekraften er relateret, beregnet hvor hurtigt galakserne skulle bevæge sig. Da han målte deres faktiske hastigheder, fandt han dog, at galaksen bevægede sig meget, meget hurtigere end han forventede. For at forklare uoverensstemmelsen foreslog Zwicky, at mere masse - to størrelsesordener mere - lå skjult blandt det synlige stof. Som Oort kaldte Zwicky denne usynlige ting mørkt stof [kilde: SuperCDMS ved Queen's University].

Bevis for mørk materie: Nye opdagelser

Det er en dobbelt Einstein ring! Hubble snappede billedet af gravitationsfeltet af en elliptisk galakse, der vækkede lyset af to galakser lige bag det. Tak, Hubble.

Det er en dobbelt Einstein ring! Hubble snappede billedet af gravitationsfeltet af en elliptisk galakse, der vækkede lyset af to galakser lige bag det. Tak, Hubble.

Astronomerne fortsatte med at finde uhyggelige oplysninger, da de studerede universets fjerntliggende galakser. Et par intrepid stargazers viste deres opmærksomhed på galaktiske klynger - galakser (så få som 50 og så mange som tusinder) bundet sammen af ​​tyngdekraften - håber at finde puljer af varm gas, der tidligere var blevet opdaget, og som kunne tegne sig for, at massen blev tilskrevet mørk materie.

Da de vendte X-ray teleskoper, som Chandra X-ray Observatory, mod disse klynger, fandt de faktisk store skyer af overophedet gas. Ikke nok for at tage højde for uoverensstemmelserne i masse. Måling af varmt gastryk i galaktiske klynger har vist, at der skal være omkring fem til seks gange så meget mørkt materiale som alle stjerner og gas vi observerer [kilde: Chandra X-ray Observatory]. Ellers ville der ikke være tilstrækkelig tyngdekraft i klyngen for at forhindre, at den varme gas slippe ud.

Galaktiske klynger har givet andre spor om mørkt stof. Udlånt fra Albert Einsteins generelle relativitetsteori har astronomer vist, at klynger og superklasser kan fordreje rumtiden med deres enorme masse. Lysstråler, der kommer fra et fjernt objekt bag en klynge, passerer gennem den forvrængede rumtid, hvilket får strålerne til at bøje og konvergere, når de bevæger sig mod en observatør. Derfor fungerer klyngen som en stor tyngdekraftobjektiv, ligesom en optisk linse (se, hvordan lys fungerer).

Det forvrængede billede af det fjerne objekt kan vises på tre mulige måder afhængigt af formen på objektivet:

  1. Ring - Billedet vises som en delvis eller komplet lyscirkel kendt som en Einstein-ring. Dette sker, når fjernt objekt, linseformet galakse og observatør / teleskop er perfekt justeret. Det er lidt som et kosmisk tyrøje.
  2. Oblong eller elliptisk - Billedet bliver opdelt i fire billeder og vises som et kryds kendt som en Einstein kryds.
  3. Cluster - Billedet fremstår som en serie af bananformede buer og arclets.

Ved at måle bøjningsvinklen kan astronomerne beregne massen af ​​gravitationslinsen (jo større bøjningen er, jo mere massiv er objektivet). Ved hjælp af denne metode har astronomer bekræftet, at galaktiske klynger faktisk har høje masser, der overstiger dem målt ved lysstof, og som følge heraf har der tilvejebragt yderligere beviser for mørkt stof.

Chandra til undsætning

I 2000 observerede Chandra en gigantisk sky af varm gas, der omsluttede galakse-klyngen Abell 2029, hvilket førte astronomer til at anslå, at klyngen skal holde en mængde mørk materie svarende til mere end hundrede billioner soler! Hvis andre klynger har lignende karakteristika, kan 70 til 90 procent af universets masse henføres til mørkt materiale [kilde: Chandra X-ray Observatory].

Mapping Dark Matter

Dette sammensatte billede af den fusionerende galakse klynge Abell 520 har overlejret,

Dette sammensatte billede af den fusionerende galakse-klynge Abell 520 har overlejrede "falskfarvede" kort, der viser klyngens koncentration af starlight (orange), hot gas (grøn) og mørkt materiale (meget af det blå).

Da astronomer samlet vejledninger om eksistensen - og svimlende mængde - af mørkt stof, vendte de sig til computeren for at skabe modeller for, hvordan de mærkelige ting kunne organiseres. De lavede uddannede gæt om, hvor meget baryonisk og mørkt materiale der kunne eksistere i universet, så lad computeren tegne et kort baseret på oplysningerne. Simulationerne viste mørkt materiale som et weblignende materiale sammenvævet med regelmæssigt synligt materiale. På nogle steder samles det mørke stof i klumper. På andre steder strækkes den ud for at danne lange, trangede filamenter, hvorpå galakser forekommer indviklede, som insekter fanget i edderkoppesilke. Ifølge computeren kunne mørk materiel være overalt, bindende universet sammen som en slags usynligt bindevæv.

Siden da har astronomer arbejdet flittigt for at skabe et lignende mørk materiekort baseret på direkte observation. Og de har brugt et af de samme værktøjer - gravitationslinser - der hjalp til med at bevise eksistensen af ​​mørkt stof i første omgang. Ved at studere lysbøjningsvirkningerne af galakse-klynger og kombinere dataene med optiske målinger har de været i stand til at "se" det usynlige materiale og er begyndt at samle nøjagtige kort.

I nogle tilfælde kortlægger astronomer enkeltklynger. For eksempel brugte to hold i 2011 data fra Chandra's X-ray Observatory og andre instrumenter som Hubble Space Telescope til at kortlægge fordelingen af ​​mørkt materiale i en galakse klynge kendt som Abell 383, som ligger omkring 2,3 milliarder lysår fra jorden. Begge hold kom til den samme konklusion: Det mørke stof i klyngen er ikke sfærisk, men ovoid, som en amerikansk fodbold, orienteret med den ene ende, der peger på observatørerne. Forskerne var imidlertid uenige om tætheden af ​​det mørke stof over Abell 383. Et hold beregnede at det mørke stof steg sig mod midten af ​​klyngen, mens den anden målte mindre mørkt materiale i midten. Selv med disse uoverensstemmelser viste den uafhængige indsats, at det mørke stof kunne opdages og kortlægges.

I januar 2012 offentliggjorde et internationalt forskergruppe resultater fra et endnu mere ambitiøst projekt. Ved hjælp af 340 megapixel kameraet på Canada-Frankrig-Hawaii Telescope (CFHT) på Mauna Kea Mountain på Hawaii studerede forskerne gravitationslinseffekten af ​​10 millioner galakser i fire forskellige områder af himlen over en periode på fem år. Da de syede alt sammen, havde de et billede af mørkt materiale på tværs af 1 milliard lysårs rum - det største kort over de usynlige ting, der er produceret til dato.Deres færdige produkt lignede de tidligere computersimuleringer og afslørede en stor væv af mørkt materiale, der strækker sig over rummet og blander med det normale spørgsmål, vi har kendt om i århundreder.

Identifikation af Mørk Matter Partikler

Baseret på bevisene er de fleste astronomer enige om, at der er mørkt materiale. Derudover har de flere spørgsmål end svar. Det største spørgsmål, tør vi sige en af ​​de største i hele kosmologien, centrerer om den mørke materie. Er det en eksotisk, uopdaget type materie, eller er det almindeligt stof, som vi har svært ved at observere?

Sidstnævnte mulighed forekommer usandsynligt, men astronomer har overvejet et par kandidater, som de refererer til som Machos, eller massive kompakte halo objekter. MACHO'er er store objekter, der befinder sig i galakserne, men undfangelse af detektion, fordi de har så lave lysstyrker. Sådanne genstande indbefatter brune dværge, yderst svage hvide dværge, neutronstjerner og endda sorte huller. MACHOs bidrager sandsynligvis med noget til det mørke materie mysterium, men der er simpelthen ikke nok af dem til at redegøre for hele det mørke stof i en enkelt galakse eller en galaksekluster.

Astronomer mener, at det er mere sandsynligt, at mørkt stof består af en helt ny type materie bygget af en ny slags elementær partikel. I starten betragtede de neutrinoer, grundlæggende partikler først postulerede i 1930'erne og derefter opdaget i 1950'erne, men fordi de har sådan en lille masse, er videnskabsmænd tvivl om, at de udgør meget mørkt materiale. Andre kandidater er figurer af videnskabelig fantasi. De er kendt som WIMPs (til svagt interaktive massive partikler), og hvis de eksisterer, har disse partikler masser af titus eller hundreder gange større end protons, men påvirker så svagt med almindeligt materiale, at de er vanskelige at opdage. WIMP'er kan indeholde et hvilket som helst antal mærkelige partikler, såsom:

  • Neutralinos (massive neutrinoer) - Hypotetiske partikler, der ligner neutrinos, men tungere og langsommere. Selvom de ikke er blevet opdaget, er de en frontrunner i WIMPs kategorien.
  • Axions - Små, neutrale partikler med en masse mindre end en milliondel af en elektron. Axioner kan have været produceret rigeligt under big bang.
  • Photinos - Ligner fotoner, hver med en masse 10 til 100 gange større end en proton. Fotografier er opladede og er sande for WIMP-monikerne svage med materie.

Forskere rundt om i verden fortsætter med at jage aggressivt for disse partikler. Et af deres vigtigste laboratorier, Large Hadron Collider (LHC), ligger dybt under jorden i en 16,5-mile lang rund tunnel, der krydser den fransk-schweiziske grænse. Inden for tunnelen accelererer elektriske felter to proton-pakket bjælker til absurde hastigheder og tillader dem at kollidere, hvilket frigør en kompleks spray af partikler. Målet med LHC-eksperimenter er ikke at producere WIMP'er direkte, men at producere andre partikler, der kan falde ned i mørkt materiale. Denne nedbrydningsproces, selv om den næsten øjeblikkelig ville tillade forskere at spore fart og energiændringer, der ville give indirekte tegn på en helt ny partikel.

Andre eksperimenter involverer underjordiske detektorer i håb om at registrere mørke stofpartikler, der glider gennem og gennem Jorden (se sidebjælke).

Begravet i Minnesota

Hvis fjerntliggende galakser typisk ligger inden for et mørkt materiel, så kan Vækstvejen også. Og hvis det er sådan, skal Jorden passere gennem et hav af mørke stofpartikler, da det kredser solen, og solen rejser rundt om galaksen. For at detektere disse partikler begravet Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) holdet en række germaniumceller dybt under jorden i Soudan, Minn. Hvis der findes mørke partikler, skal de passere gennem fast jord og slå kerne af germaniumatomer, som vil recoil og producere små mængder varme og energi. I 2010 rapporterede holdet, at det havde opdaget to kandidat-WIMP'er, der ramte cellerne. I sidste ende besluttede forskerne, at resultaterne ikke var statistisk signifikante, men det var en anden spændende ledtråd i søgen efter det mest mystiske stof i universet.

Alternativer til mørk materie

Ikke alle sælges på mørkt materiale, ikke ved et langt skud. Et par astronomer mener, at bevægelses- og tyngdekravene, formuleret af Newton og udvidet af Einstein, muligvis endelig har mødt deres kamp. Hvis det er tilfældet, kan en ændring af tyngdekraften, ikke en usynlig partikel, forklare virkningerne af mørk materiel.

I 1980'erne foreslog fysiker Mordehai Milgrom, at Newtons anden lov om bevægelse (kraft = masse x acceleration, f = ma) skulle tages op til fornyet overvejelse i tilfælde af galaktiske bevægelser. Hans grundlæggende idé var, at den anden lov brækkede ved meget lave accelerationer svarende til store afstande. For at få det til at fungere bedre, tilføjede han en ny matematisk konstant i Newtons berømte lov, der kalder modifikationen MOND, eller Modificeret Newtonian Dynamics. Fordi Milgrom udviklede MOND som en løsning på et specifikt problem, ikke som et grundlæggende fysikprincip, har mange astronomer og fysikere grædt.

MOND kan heller ikke redegøre for beviser for mørk materie opdaget af andre teknikker, der ikke indebærer Newtons anden lov, såsom røntgenstrømmen og gravitationslinser. En 2004 revision til MOND, kendt som Teves (Tensor-Vector-Scalar tyngdekraft) introducerer tre forskellige felter i rumtid for at erstatte det ene gravitationsfelt. Fordi TeVeS inkorporerer relativitet, kan den rumme fænomener som linser. Men det afgjorde ikke debatten. I 2007 testede fysikere Newtons anden lov ned til accelerationer så lave som 5 x 10-14 Frk2 og rapporterede, at f = ma gælder uden nødvendige ændringer (se American Institute of Physics News Update: "Newtons anden lov om bevægelse" den 11. april 2007), hvilket gør MOND til at virke endnu mindre attraktivt.

Endnu andre alternativer betragter mørkt materiale som en illusion som følge af kvantefysikken. I 2011 foreslog Dragan Hajdukovic ved Den Europæiske Organisation for Kerneforskning (CERN), at tomt rum er fyldt med partikler af materiel og antimateriel, der ikke kun er elektriske modsætninger, men også gravitations modsætninger. Med forskellige gravitationsladninger vil materie- og antimatterpartiklerne danne gravitationsdipoler i rummet. Hvis disse dipoler dannede sig nær en galakse - en genstand med et massivt tyngdefelt - ville gravitationsdipolerne blive polariseret og styrke galaksenes tyngdefelt. Dette ville forklare gravitationens virkninger af mørkt materiale uden at kræve nye eller eksotiske former for materie.

Mørk materie og universets skæbne

Ifølge denne tidslinje fra NASA accelererer universets ekspansion.

Ifølge denne tidslinje fra NASA accelererer universets ekspansion.

Hvis mørkt stof virker som kosmisk lim, skal astronomerne kunne forklare sin eksistens i form af den herskende teori om universets dannelse. Big Bang teorien siger, at det tidlige univers gennemgik en enorm ekspansion og vokser stadig i dag. For tyngdekraft at sammenkoble galakser sammen i vægge eller filamenter, skal der være store mængder masse tilbage fra big bang, især usynlig masse i form af mørk stof. Faktisk viser supercomputer-simuleringer af universets dannelse, at galakser, galaktiske klynger og større strukturer i sidste ende kan danne sig fra aggregeringer af mørkt stof i det tidlige univers.

Udover at give universets struktur kan mørkt stof spille en rolle i sin skæbne. Universet udvider, men vil det ekspandere for evigt? Gravity vil i sidste ende bestemme udvidelsens skæbne, og tyngdekraften er afhængig af universets masse; specifikt er der en kritisk massefylde i universet på 10-29 g / cm3 (svarende til nogle få hydrogenatomer i en telefonboks), der bestemmer, hvad der kan ske.

  • Lukket univers - Hvis den faktiske massetæthed er større end kritisk massetæthed, vil universet ekspandere, langsomt, stoppe og kollapse tilbage på sig selv til en "stor crunch".
  • Kritisk eller fladt univers - Hvis den faktiske massetæthed er lig med kritisk massetæthed, vil universet fortsætte med at udvide for evigt, men ekspansionshastigheden vil sænke mere og mere efterhånden som tiden skrider frem. Alt i universet vil efterhånden blive koldt.
  • Coasting eller åbent univers - Hvis den faktiske massetæthed er mindre end kritisk massetæthed, vil universet fortsætte med at udvide uden nogen ændring i ekspansionshastigheden.

Målinger af massetæthed skal omfatte både lys og mørkt materiale. Så det er vigtigt at vide, hvor meget mørkt stof der findes i universet.

Nylige observationer af bevægelserne fra fjerne supernovaer tyder på, at universets ekspansionshastighed faktisk accelererer. Dette åbner en fjerde mulighed, et accelererende univers, hvor alle galakser vil flytte væk fra hinanden relativt hurtigt, og universet bliver koldt og mørkt (hurtigere end i det åbne univers, men stadig i størrelsesordenen titusindvis af milliarder flere år). Hvad der forårsager denne acceleration er ukendt, men det er blevet kaldt mørk energi. Mørk energi er endnu mere mystisk end mørk materie - og blot et andet eksempel på astronomiets mørke på kanten af ​​byen. Måske vil universet, som Springsteen antyder, bære sine hemmeligheder i lang og lang tid:

Alle har en hemmelighed, Sonny, Noget, som de bare ikke kan stå overfor. Nogle mennesker bruger hele deres liv til at forsøge at holde det. De bærer det med dem hvert skridt, de tager.


Video Supplement: Try Not To Laugh Challenge #4.




Forskning


Guds Handlinger: Hvorfor Lynnedslag Rammer Religiøse Symboler
Guds Handlinger: Hvorfor Lynnedslag Rammer Religiøse Symboler

For Små Partikler, 'Før' Og 'Efter' Betyder Ingenting
For Små Partikler, 'Før' Og 'Efter' Betyder Ingenting

Videnskab Nyheder


Ancient Reptile Med Bizarre Smile Holdt Tandfe Optaget
Ancient Reptile Med Bizarre Smile Holdt Tandfe Optaget

At Dræbe En Mockingbird, Bare Få En Kat
At Dræbe En Mockingbird, Bare Få En Kat

Video Peering Ved Et Crows Øre Er... Ærlig
Video Peering Ved Et Crows Øre Er... Ærlig

Planet Er Farlig Tæt På Tippestedet For En 'Hothouse Earth'
Planet Er Farlig Tæt På Tippestedet For En 'Hothouse Earth'

Hund Chases Stick, Orca Chases Dog
Hund Chases Stick, Orca Chases Dog


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com