Темна матерія холодна, тепла чи гаряча?

14 / 10 / 2021 14:10, автор: Анатолій Колесник
Темна матерія холодна, тепла чи гаряча? - фото
Credit: AIP/A. Khalatyan/J. Fohlmeister

Відповідь пов′язана з роллю темної матерії у формуванні космосу.

Про це розповідають OstanniPodii.com з посиланням на журнал "Симетрія", який є спільним виданням Національної лабораторії прискорювача Фермі та Національної лабораторії прискорювача SLAC, та фінансується Міністерством енергетики США.

Через півстоліття після того, як Віра Рубін і Кент Форд підтвердили, що для пояснення обертання галактик потрібна форма невидимої матерії, яку тепер називають темною, – свідчення її існування стали переважними.

Хоча відомо, що вона взаємодіє зі звичайною матерією лише за допомогою гравітації, та існує така величезна кількість темної матерії – 85% усієї матерії у Всесвіті, – що вона відіграє ключову роль за кадром у формуванні всього того, що ми можемо побачити, від нашої галактики Чумацький Шлях до тонких ниток газу, які зв′язують галактики на величезних відстанях.

"Ми вважаємо, що вона існує, тому що цьому є докази у багатьох, багатьох відношеннях", - каже Кеворк Абазаджян, фізик-теоретик та астрофізик з Каліфорнійського університету в Ірвайні.

Існує багато уявлень про те, яку форму може мати темна матерія, від об’єктів розміром з планету, які називаються MACHO, до окремих частинок, таких як WIMP – масивних частинок зі слабкою взаємодією розміром приблизно з протон, – і навіть дрібніших речей, таких як аксіони та стерильні нейтрино.

У 1980-х роках вчені придумали спосіб осмислити цю колекцію, що зростає: вони почали класифікувати запропонованих кандидатів на частинки темної матерії як холодні, теплі чи гарячі. Ці категорії ґрунтуються на тому, як швидко кожен тип темної матерії перемістився б через ранній Всесвіт – швидкість залежить від його маси – і наскільки гарячим було його оточення, коли почалося його існувати.

Легкі, швидкі частинки відомі як гаряча темна матерія; важкі, повільні – холодна темна матерія; а тепла темна матерія займає проміжне положення.

Таким чином, WIMP-частинки холодні, стерильні нейтрино теплі, а реліктові нейтрино з раннього Всесвіту гарячі. (Аксіони – це особливий випадок – одночасно легкі та надзвичайно холодні. Ми до них дійдемо згодом.)

Чому їхня швидкість так важлива?

"Якщо частинка темної матерії легша й швидша, вона може за певний час пролетіти більшу відстань, і вона згладить будь-яку структуру, яка вже існує на шляху", - говорить Абазаджян.

З іншого боку, повільніші, холодніші форми темної матерії допомогли б побудувати структуру, і, судячи з того, що ми знаємо та бачимо сьогодні, вона повинна була бути складовою суміші.

Створення галактик

Хоча існують теорії про те, коли та як сформувався кожен тип кандидата на темну матерію, єдине, у чому вчені впевнені, це те, що темна матерія вже була приблизно через 75 000 років після Великого вибуху. Саме тоді матерія почала панувати над випромінюванням, і почали утворюватися маленькі зачатки структур, каже фізик-теоретик зі Стенфорда Пітер Грем.

Більшість типів частинок темної матерії були б створені внаслідок зіткнень між іншими частинками в гарячому густому супі новонародженого Всесвіту, приблизно так само, як зіткнення високоенергійних частинок в таких місцях, як Великий адронний колайдер, спричиняють появу нових екзотичних типів частинок. У міру того, як Всесвіт розширювався й охолоджувався, частинки темної матерії опинилися б гарячими, теплими або холодними – і насправді їх могло бути більше одного типу.

Вчені описують їх такими, що вільно «рухаються потоком» по Всесвіту, хоча цей термін трохи вводить в оману, каже Абазаджян. На відміну від листя, що пливе по річці та координовано прямує в одному напрямку, "Ці речі не просто знаходяться в одному місці, а потім в іншому", - каже він. "Вони скрізь та прямують у всіх напрямках".

Рухаючись потоком, кожен тип темної матерії мав би особливий вплив на зростання структури дорогою – або додаючи їй грудкуватості, а отже, й сприяв побудові галактик, або перешкоджав їх зростанню.

Холодна темна матерія, така як WIMP, могла б бути будівельником грудок. Вона б рухалася досить повільно, щоб злипатися й утворити гравітаційні колодязі, які б захоплювали поруч розташовані частинки матерії.

Гаряча темна матерія, з іншого боку, була б грудко-зглажувальною, яка проноситься так швидко, що могла б ігнорувати ці гравітаційні колодязі. Якби вся темна матерія була гарячою, жоден з цих зачатків не міг би перерости у більші структури, говорить Сільвія Пасколі, фізик-теоретик з Болонського університету в Італії. Ось чому вчені зараз вважають, що гарячі частинки темної матерії, такі як реліктові нейтрино з перших днів існування космосу, не могли становити більше ніж малу частку темної матерії в цілому.

Новини за подібною темою:

Попри їх малозначний внесок, Пасколі додає: "Я кажу, що ці реліктові нейтрино наразі є єдиним відомим компонентом темної матерії. Вони мають важливий вплив на еволюцію Всесвіту".

Можна було б подумати, що тепла темна матерія була б найкращою темною матерією, що начиняє Всесвіт з тарілки Золотоволоски лише правильними структурами. Стерильні нейтрино вважаються найкращими кандидатами у цій категорії, і теоретично вони дійсно можуть становити переважну більшість темної матерії.

Але більшість параметрів інтервалу – наборів умов – там, де вони могли б існувати, були виключені, говорить Абазаджян, який як аспірант досліджував, як конкретні типи нейтринних осциляцій у ранньому Всесвіті могли призвести до утворення стерильно нейтринної темної матерії.

Хоча ці ж осциляції можуть відбуватися і сьогодні, каже він, ймовірність того, що звичайне нейтрино перетвориться на стерильне через стандартні осциляції у вакуумі простору, вважається дуже малою, з оцінками від 1 на 100 тис. до 1 на 100 трлн.

"Ви повинні мати дуже хороший механізм підрахунку, щоб підрахувати до 100 трильйонів влучень у свій детектор і не пропустити жодного влучення стерильного нейтрино", - каже Абазаджян.

Однак, існує кілька експериментів, які намагаються це зробити, використовуючи нові підходи, які не покладаються на прямі влучення.

Ще є аксіон.

На відміну від інших кандидатів на темну матерію, аксіони були б надзвичайно легкими – настільки легкими, що їх краще описати як хвилі, чиї пов′язані з ними поля можуть поширюватися на кілометри, – і надзвичайно холодними, каже Грем. Вони настільки слабо пов′язані з іншими формами матерії, що несамовиті зіткнення частинок у термальній ванні раннього Всесвіту навряд чи призвели б до їх виникнення.

"Вони були б вироблені інакше, ніж інші кандидати на темну матерію", - каже Грем. "Навіть якщо у той час Всесвіт був дуже гарячим, аксіони були б дуже холодними при народженні та залишалися б холодними назавжди, а це означає, що вони абсолютно холодна темна матерія".

Попри те, що аксіони дуже легкі, за словами Грема, "оскільки вони існують при близькій до абсолютного нуля температурі, де припиняється весь рух, вони по суті не рухаються. Вони начебто така собі примарна рідина, і все інше рухається крізь неї".

У пошуках темної матерії всіх видів

Деякі вчені вважають, що для обліку всього, що ми бачимо у Всесвіті, знадобиться не один тип темної матерії.

І протягом останніх кількох років, коли експерименти, спрямовані на виявлення WIMP та виробництво частинок темної матерії через зіткнення на Великому адронному колайдері, поки що не дали результату, пошук темної матерії розширився. Поширенню ідей щодо пошуків сприяли технологічні досягнення та розумні підходи, які могли б вимусити вийти зі схованки набагато легші та навіть екзотичніші частинки темної матерії.

Деякі з цих зусиль використовують саме ту грудкуватість, яку створила темна матерія.

Експериментатор з Каліфорнійського університету в Ірвайні Сімона Мурджа очолила групу, яка шукала ознаки зіткнень між WIMP та їх античастинками за допомогою космічного гамма-телескопа Фермі під час постдокторантської роботи в Національній лабораторії прискорювача SLAC Міністерства енергетики США.

Тепер вона приєдналася до міжнародної групи вчених, які проведуть масштабне дослідження південного неба з обсерваторії Віри Рубін у Чилі за допомогою найбільшої у світі цифрової камери, яка будується у SLAC. Одна із задач, яку ставить перед собою це опитування, – це набагато краще зрозуміти розподіл темної матерії у Всесвіті, подивившись, як вона вигинає світло від галактик, які ми можемо бачити.

Очікується, що камера зробить зображення близько 20 мільярдів галактик протягом 10 років, і з цих знімків вчені сподіваються зробити висновок про фундаментальну природу темної матерії, яка їх сформувала.

"Ми не тільки хочемо знати, що темна матерія існує", - каже Мургія. "Ми хочемо зрозуміти космологію, але ми також хочемо знати, що таке темна матерія".

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.


Залишити свою думку:
Ваше і`мя:
Введіть число:    

Останні новини:

сьогодні:

всі новини


ПОПУЛЯРНІ НОВИНИ:
23-28 листопада відбудуться ярмарки в Києві

21:39, 22 листопада 2021 р.
23-28 листопада відбудуться ярмарки в Києві
 
Абсолютно шалений план надати Марсу штучну магнітосферу

08:43, 21 листопада 2021 р.
Абсолютно шалений план надати Марсу штучну магнітосферу
 
Астрономи можливо виявили рідкісну чорну діру-"відсутню ланку"...

06:49, 20 листопада 2021 р.
Астрономи можливо виявили рідкісну чорну діру-"відсутню ланку"...
 
Якщо інопланетні зонди вже знаходяться в Сонячній системі, мож...

09:45, 24 листопада 2021 р.
Якщо інопланетні зонди вже знаходяться в Сонячній системі, мож...
 
Бурба: Перенести операцію з “вагнерівцями” наказав Зеленський...

09:19, 20 листопада 2021 р.
Бурба: Перенести операцію з “вагнерівцями” наказав Зеленський...
 
СХОЖІ НОВИНИ:
Запропоновано пояснення виникнення поточної щільності темної м...

08:54, 5 листопада 2021 р.
Запропоновано пояснення виникнення поточної щільності темної м...
 
Астрофізики представили найбільший в історії набір симуляцій В...

05:24, 26 жовтня 2021 р.
Астрофізики представили найбільший в історії набір симуляцій В...
 
Альтернатива темної матерії пройшла великий тест

08:57, 17 жовтня 2021 р.
Альтернатива темної матерії пройшла великий тест
 
Відсутність темної матерії у примарній галактиці

07:15, 19 серпня 2021 р.
Відсутність темної матерії у примарній галактиці
 
Чи темна матерія справді існує, чи ми неправильно розуміємо гр...

22:16, 22 червня 2021 р.
Чи темна матерія справді існує, чи ми неправильно розуміємо гр...
 
НОВИНИ ВІД ПАРТНЕРІВ:


Цей сайт та сторонні віджети на ньому використовують COOKIE, що необхідно для повноцінної роботи сайту. “Куки” – це безпечна технологія збирання аналітичної інформації про відвідувачів. Їх можна відключити у налаштуваннях Вашого браузера. Погодитися на використання Cookie