Ligikaudu 80% kogu kosmose ainest on praegusele füüsikale täiesti tundmatu kuju. Me nimetame seda tumedaks aineks, sest nii hästi kui me võime öelda, et see on… tume. Kogu maailmas läbiviidavad katsed üritavad hõivata tumeda aine osakesi, et loota seda mõista, kuid seni on need osutunud tühjaks.
Hiljuti pakkus üks teoreetikute meeskond välja uue mooduse tumeaine jahipidamiseks, kasutades veidraid "osakesi", mida nimetatakse magnoniteks - nime, mida ma lihtsalt ei moodustanud. Need teoreetikud väidavad, et need pisikesed kortsud võivad peita isegi lendleva kerge tumeda aine osakese.
Tumeaine mõistatus
Teame tumeda aine kohta igasuguseid asju, välja arvatud märkimisväärne erand.
Kuigi me ei suuda seda otseselt tuvastada, näeme tumeda aine tõendeid kohe, kui avame oma teleskoobid laiemale universumile. Esimene ilmutus, tagasi 1930ndatel, tuli galaktikaparvede vaatluste kaudu, mis on universumi suurimad struktuurid. Neis asunud galaktikad liikusid lihtsalt liiga kiiresti, et neid klastrina koos hoida. Seda seetõttu, et galaktikate kollektiivne mass annab gravitatsiooniliimi, mis hoiab klastrit koos - mida suurem on mass, seda tugevam see liim on. Ülimalt tugev liim mahutab kokku ka kõige kiiremini liikuvad galaktikad. Mis tahes kiirem ja klaster lihtsalt rebiks ennast laiali.
Kuid seal olid klastrid olemas, galaktikad sumisesid nende sees palju kiiremini, kui nad peaksid klastri massi järgi andma. Miskil oli klastrite koos hoidmiseks piisavalt gravitatsioonilist haarduvust, kuid see midagi ei kiirga ega valgustatud.
See mõistatus püsis lahendamata aastakümnete jooksul ja 1970. aastatel ületas astronoom Vera Rubin galaktiliste tähtede vaatluste kaudu ante suuresti. Taas liikusid asjad liiga kiiresti: arvestades nende universumi galaktikaid, oleks nende galaktikad pidanud miljardeid aastaid tagasi eralduma. Midagi hoidis neid koos. Midagi nägematut.
Lugu kordub kogu kosmoses, nii ajas kui ruumis. Varasemast valgusest Suurest Paugust kuni universumi suurimate struktuurideni on seal midagi funky-d.
Pimedas otsimine
Nii et tumedat ainet on seal väga palju - me lihtsalt ei leia muud elujõulist hüpoteesi, mis seletaks andmete olemasolu tsunamiga, mis selle olemasolu toetavad. Aga mis see on? Meie parim arvamine on, et tumeaine on mingi uus, eksootiline osake, mis on füüsikale seni tundmatu. Sellel pildil ujutab tumeaine kõik galaktikad. Tegelikult on galaktika nähtav osa, mida on näha läbi tähtede ning gaasi- ja tolmupilvede, vaid pisike tuletorn, mis asub palju suurema, tumedama kalda vastas. Iga galaktika asub suure "halo" sees, mis koosneb ziljonitest tumeaine osakestega ziljonitest.
Need tumeda aine osakesed voolavad praegu teie ruumist läbi. Nad voogavad sinust läbi. Lõputu vihmasadu on pisikesed, nähtamatud tumeda aine osakesed. Kuid te lihtsalt ei pane neid tähele. Nad ei suhtle valguse ega laetud osakestega. Te olete valmistatud laetud osakestest ja olete valgusega väga sõbralik; sa oled tumedale ainele nähtamatu ja tume aine on sulle nähtamatu. Ainus viis, kuidas me tumedaid aineid näeme, on gravitatsioonijõud; gravitatsioon märkab universumis igat tüüpi ainet ja energiat, tumedat või mitte, nii et kõige suurema skaala korral jälgime kõigi nende lugematute osakeste kombineeritud massi mõju. Aga siin oma toas? Mitte midagi.
Kui me ei looda, on mingil muul viisil see, kuidas tumeaine mõjutab meie normaalset ainet. Võimalik, et tumeaine osake, ükskõik milline see ka pole, tunneb ka nõrka tuumajõudu - mis vastutab radioaktiivse lagunemise eest -, mis avab sellesse peidetud valdkonda uue akna. Kujutage ette hiiglasliku detektori ehitamist, lihtsalt suurt massi mis tahes elementi, mis teil on käepärast. Tumeda aine osakesed voolavad sellest läbi, peaaegu kõik täiesti kahjutult. Kuid mõnikord, sõltuvalt tumeda aine konkreetsest mudelist, interakteerub läbitav osake nõrga tuumajõu kaudu detektoris olevate elementide ühe aatomituumaga, koputades selle paigast ja moodustades detektori kogu massi värisema.
Sisestage magnon
See eksperimentaalne seadistus töötab ainult siis, kui tumeaine osake on suhteliselt raske, andes sellele piisavalt tuuma, et tuum ühes neist haruldastest interaktsioonidest välja lüüa. Kuid siiani pole ükski tumeda aine detektoritest kogu maailmas näinud interaktsiooni jälgi, isegi pärast aastaid otsimist. Kuna katsed on kestnud, on tumeda aine lubatavad omadused aeglaselt välistatud. See pole tingimata halb asi; me lihtsalt ei tea, millest tume mateeria koosneb, nii et mida rohkem me teame sellest, mis see pole, seda selgem on pilt, mis see võiks olla.
Kuid tulemuste puudumine võib natuke muretseda. Tumeda aine raskeimad kandidaadid on välistatud ja kui salapärane osake on liiga kerge, ei näe seda kunagi detektorites, kuna nad on praegu üles seatud. See tähendab, et kui pole muud viisi, kuidas tume mateeria saab tavalise mateeriaga rääkida.
Hiljutises veebiväljaandes arXiv avaldatud artiklis täpsustasid füüsikud kavandatud eksperimentaalset seadistamist, mis võiks elektronide spinni muutmise käigus märgata tumeda aine osakesi (kui tegelikult saab seda teha tume aine). Selles seadistuses on tumeaine potentsiaalselt tuvastatav, isegi kui kahtlustatav osake on väga kerge. See saab seda teha, luues materjali niinimetatud magonid.
Teeskle, et sul on tükk materjali temperatuuril absoluutne null. Kõigi selles olevate elektronide kõik keerud - nagu pisikesed tulpmagnetid - osutavad samas suunas. Temperatuuri aeglaselt tõstes hakkavad mõned elektronid ärkama, tiirlema ja suunavad oma keerutused juhuslikult vastupidises suunas. Mida kõrgemale te temperatuuri tõstate, seda rohkem elektronide keerdumist keeratakse - ja igaüks neist vähendab magnetilist tugevust natuke. Kõik need keerutatud keerutused põhjustavad materjali energias ka väikest pulbitsemist ja neid kergitusi võib vaadelda kui neljaosakesi, mitte päris osakesi, kuid midagi, mida saate matemaatikaga sel viisil kirjeldada. Neid nelinurki on tuntud kui "magoneid", ilmselt seetõttu, et nad on nagu pisikesed armsad väikesed magnetid.
Nii et kui alustate tõeliselt külmast materjalist ja piisavalt tumeda aine osakesi lööb see materjal ümber ja keerutab ümber mõne ringi, siis täheldate magoneid. Katse tundlikkuse ja interaktsioonide olemuse tõttu suudab see seadistus tuvastada kerge tumeda osakese.
St kui see on olemas.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis.
