W nowej erze szeroko zakrojonych badań ciemnej materii kontrowersyjna idea jej koncentracji w cienkich dyskach wychodzi z naukowego zapomnienia
W 1932 roku holenderski astronom Jan Oort policzył gwiazdy w Drodze Mlecznej i stwierdził, że ich brakuje. Opierając się na tym, że gwiazdy poruszające się po okręgu w płaszczyźnie galaktyki skaczą w górę iw dół jak konie na karuzeli, Oort obliczył, że materia, która wywiera na nie efekt grawitacyjny i wprawia je w ruch, powinna być dwukrotnie większa niż widział … Oort postulował, że ten brak rekompensuje ukryta „ciemna materia” i zasugerował, że jest ona skoncentrowana w dysku, co wyjaśnia ruch gwiazd.
Jednak odkrycie ciemnej materii, jak nazywa się niewidzialną i nieokreśloną materię, która stanowi pięć szóstych masy Wszechświata, przypisuje się zwykle szwajcarsko-amerykańskiemu astronomowi Fritzowi Zwicky'emu, który w 1933 roku wyprowadził swoje istnienie z wzajemnych ruchów galaktyk. Oort nie był dobrze znany ze względu na to, że był na złym tropie. Do 2000 roku autorzy nowych badań Drogi Mlecznej, stosując metodę Oorta, ustalili, że „brakująca” masa była zawarta w słabych gwiazdach, gazie i pyle, a ciemny dysk nie był już potrzebny. Wskazówki sprzed 80 lat wskazują, że ciemna materia, cokolwiek to jest, tworzy sferyczne chmury wokół galaktyk, zwane „aureolami”.
Cóż, przynajmniej tak twierdzi większość łowców ciemnej materii. Ale chociaż koncepcja ciemnego dysku straciła na popularności, nigdy nie została całkowicie porzucona. Niedawno pomysł ten znalazł wielką fankę Lisy Randall, profesor fizyki na Uniwersytecie Harvarda, która wyciągnęła teorię dysku z naukowego zapomnienia i umieściła ją w centrum galaktycznej sceny.
Po przedstawieniu swojego modelu w 2013 roku Randall i współpracownicy argumentowali, że ciemny dysk może wyjaśnić promieniowanie gamma emanujące z centrum galaktyki, płaskie rozmieszczenie galaktyk karłowatych na orbicie wokół mgławicy Andromedy i Drogi Mlecznej, a nawet okresowe upadki komet i masowe wymierania. gatunki na Ziemi. Pisała o tym w swojej popularno-naukowej książce Dark Matter and the Dinosaurs, wydanej w 2015 roku.
Jednak astrofizycy, którzy dokonali inwentaryzacji Drogi Mlecznej, zaprotestowali, argumentując, że całkowita masa galaktyki i skoki jej gwiazd pasują do siebie zbyt dobrze, nie pozostawiając miejsca na ciemny dysk. „Jest dużo ciaśniej niż myśli Lisa Randall” - mówi astrofizyk z University of Toronto Jo Bovy.
Teraz Randall, który opracował wiele wielkich pomysłów dotyczących krytycznych zagadnień z zakresu fizyki podstawowej, kontratakuje. W artykule opublikowanym w Internecie w zeszłym tygodniu i przyjętym do publikacji w The Astrophysical Journal, Randall i jej uczeń Eric Kramer znaleźli lukę w kształcie dysku w swojej analizie Drogi Mlecznej: „Jest jeszcze jeden ważny szczegół, który wciąż mamy jeszcze nie zwrócili uwagi, piszą. „Dysk może stworzyć przestrzeń dla siebie”.
Randall i Kramer argumentują, że jeśli ciemny dysk rzeczywiście przechodzi przez płaszczyznę środkową galaktyki, to grawitacja przyciąga resztę materii do wewnątrz, prowadząc do wzrostu gęstości gwiazd, gazu i pyłu w płaszczyźnie środkowej. Naukowcy zwykle obliczają całkowitą pozorną masę Drogi Mlecznej poprzez ekstrapolację na zewnątrz w oparciu o gęstość płaszczyzny środkowej. Jeśli występuje efekt zwężający, ta ekstrapolacja doprowadzi do wyolbrzymienia pozornej masy, a wtedy pojawi się wrażenie, że masa odpowiada ruchowi gwiazd. Z tego powodu autorzy poprzednich badań nie widzieli dowodów na istnienie ciemnego dysku, mówi Kramer. Razem z Randall wierzą, że cienki ciemny dysk jest możliwy i pod pewnymi względami jego obecność jest lepsza niż jego brak.
Film promocyjny:
„Praca Lisy ożywiła ten biznes” - mówi Chris Flynn z Swinburne University of Technology w Melbourne w Australii. Wraz z Johan Holmbergiem (Johan Holmbergiem) na początku XXI wieku przeprowadził kilka „inwentaryzacji” Drogi Mlecznej, która wydawała się całkowicie zniszczyć wszelkie możliwości istnienia ciemnego dysku.
Bowie się z tym nie zgadza. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę efekt zwężający, według jego szacunków nie więcej niż 2% całkowitej ilości ciemnej materii może znajdować się w ciemnym dysku, podczas gdy reszta materii powinna tworzyć halo. „Myślę, że większość ludzi chce dowiedzieć się, czym jest 98% ciemnej materii, a nie 2%” - mówi.
Ta debata, podobnie jak los ciemnego dysku, może wkrótce zostać rozstrzygnięta. Satelita Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej obecnie teleskopuje pozycje i prędkości miliarda gwiazd, a ostateczny rejestr Drogi Mlecznej może zostać zakończony do końca przyszłego lata.
Młoda gromada galaktyk Abell 2151 w konstelacji Herkulesa
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitized Sky Survey 2
Otwarcie ciemnego dysku dowolnego rozmiaru byłoby niezwykle odkrywcze. Jeśli istnieje, ciemna materia okaże się znacznie bardziej złożona, niż od dawna sądzili naukowcy. Materia zbiera się w kształt dysku tylko wtedy, gdy ma zdolność emitowania energii, a najlepszym sposobem na wyemitowanie wystarczającej ilości energii jest uformowanie atomów. Istnienie ciemnych atomów oznaczałoby, że ciemne protony i ciemne elektrony, naładowane jak widzialne protony i elektrony, oddziałują ze sobą poprzez ciemną siłę przenoszoną przez ciemne fotony. Nawet jeśli 98% ciemnej materii jest obojętne i tworzy halo, istnienie najcieńszego ciemnego dysku oznaczałoby obecność „ciemnego sektora” nieznanych cząstek, tak różnorodnych jak widzialny Wszechświat.
„Zwykła sprawa jest dość złożona; jest materia, która odgrywa rolę w atomach, i jest materia, która nie gra, mówi astrofizyk z University of California w Irvine, James Bullock. „Dlatego nie byłoby szaleństwem wyobrazić sobie, że pozostałe pięć szóstych materii we Wszechświecie jest również dość złożone i że istnieje pewna część tego ciemnego sektora, która istnieje w postaci związanych atomów”.
Koncepcja złożoności ciemnej materii znalazła ostatnio coraz więcej zwolenników, wspomaganych przez anomalie astrofizyczne, które tak naprawdę nie pasują do idei ciemnej materii jako pasywnych, powolnych i „słabo oddziałujących masywnych cząstek”. Te anomalie, a także fakt, że w trakcie szczegółowych eksperymentów w różnych krajach świata nie wykryto tak ciężkich, słabo oddziałujących cząstek (WIMP), osłabiło tę teorię i zapoczątkowało nową erę, w której każdy może spekulować, że tak jest. dla takiej bestii - ciemna materia.
Era ta nadeszła w 2008 roku, kiedy uczestnicy eksperymentu PAMELA odkryli nadmiar pozytonów pochodzących z kosmosu (w porównaniu z elektronami). Ta asymetria podsyciła zainteresowanie popularnym obecnie modelem „asymetrycznej ciemnej materii” zaproponowanym przez Kathryn Zurek i jej współpracowników. W tamtym czasie w obiegu było niewiele pomysłów poza koncepcją mięczaków. „Byli modelarze tacy jak ja, którzy rozumieli, że idea ciemnej materii była całkowicie niedopracowana w tym kierunku” - mówi Tsurek, który obecnie pracuje w National Laboratory. Lawrence Berkeley w Kalifornii. „Więc rzuciliśmy się w wir tej pracy”.
Gęstość galaktyk karłowatych była kolejnym bodźcem. Kiedy naukowcy próbują modelować ich powstawanie, galaktyki karłowate wydają się być zbyt gęste w swoich centrach, chyba że naukowcy założą, że cząsteczki ciemnej materii mogą oddziaływać ze sobą za pomocą sił ciemności. Ale jeśli dodamy tutaj zbyt silną interakcję, zniszczymy modele tworzenia struktur we wczesnym Wszechświecie.
„Próbujemy dowiedzieć się, co można tolerować” - mówi Bullock, który również projektuje te modele. Większość modelarzy dopuszcza oddziaływania słabe, które nie wpływają na kształt halo ciemnej materii. „Ale niezwykłe jest to, że istnieje klasa ciemnej materii, która umożliwia formowanie się dysków” - mówi Bullock. W tym przypadku tylko niewielki ułamek cząstek ciemnej materii będzie oddziaływał na siebie, ale będą one oddziaływać wystarczająco silnie, aby rozproszyć energię, a następnie uformować dyski.
Randall i jej koledzy JiJi Fan, Andrey Katz i Matthew Reece wpadli na ten pomysł w 2013 roku w taki sam sposób, jak Oort. Próbowali wyjaśnić pozorną anomalię Drogi Mlecznej. Tak zwana linia Fermiego to nadmiar promieni gamma o określonej częstotliwości pochodzących z centrum galaktyki. „Zwykła ciemna materia nie mogła zniszczyć wystarczająco dużo, aby wytworzyć linię Fermiego” - mówi Randall - „więc pomyśleliśmy, a co jeśli jest znacznie gęstsza? Więc ciemny dysk dostał drugie życie. Linia Fermiego zniknęła, gdy pojawiło się więcej danych, ale pomysł dysku nadal był wart zbadania. W 2014 roku Randall i Rees zasugerowali, że to właśnie z powodu dysku istnieją odstępy 30-35 milionów lat między zwiększającą się aktywnością komet i meteorów.które niektórzy naukowcy kojarzą z okresowymi masowymi wymieraniami. Twierdzą, że za każdym razem, gdy Układ Słoneczny odbija się w górę lub w dół na karuzeli Drogi Mlecznej, grawitacyjny efekt dysku może zdestabilizować asteroidy i komety w chmurze Oorta, wysypisku na obrzeżach naszego Układu Słonecznego nazwanego imieniem holenderskiego astronoma. Obiekty te lecą w kierunku wewnętrznej części Układu Słonecznego, a niektóre spadają na Ziemię.
Ale Randall i jej zespół zrobili tylko pobieżną i, jak się okazało, błędną analizę tego, ile miejsca w całkowitej masie Drogi Mlecznej pozostaje dla ciemnego dysku, co oceniono na podstawie ruchu gwiazd. „Złożyli oburzające oświadczenia” - powiedział Bovey.
Randall, znana wśród swoich rówieśników ze swojej wytrwałości (według Rhysa), wciągnęła Kramera do sprawy, aby odpowiedzieć na krytykę i „wygładzić wszystkie zmarszczki” w analizie, zanim dane Gai stały się dostępne. Nowa analiza wykazała, że kiedyś istniał ciemny dysk, nie mógł być tak gęsty, jak początkowo sądził jej zespół. Ale było miejsce na cienki, ciemny dysk, ze względu na efekt zwężający i dodatkową niepewność spowodowaną czystym dryfowaniem gwiazd w Drodze Mlecznej.
Chris McKee i współpracownicy z University of California w Berkeley zidentyfikowali nowy problem, o którym pisali w The Astrophysical Journal. McKee uważa, że cienki, ciemny dysk nadal mógłby się zmieścić w pamięci masowej Drogi Mlecznej. Ale ten dysk może być tak cienki, że po prostu się zapada. Powołując się na badania z lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, McKee i współpracownicy piszą, że dyski nie mogą być dużo cieńsze od dysku widzialnego gazu w Drodze Mlecznej, ponieważ by się zapadły. „Być może ciemna materia ma właściwości różniące się od właściwości zwykłej materii i temu zapobiega, ale nie wiem, jakie to może być” - powiedział McKee.
Randall jeszcze nie odparł tego ostatniego ataku, nazywając go „trudnym pytaniem, które jest obecnie przedmiotem badań”. Zgodziła się również z poglądem wyrażonym przez Bowie - że dysk naładowanych ciemnych atomów jest nieistotny w porównaniu z naturą 98% ciemnej materii. Obecnie bada możliwość, że cała ciemna materia może być naładowana pojedynczą ciemną siłą, ale z powodu nadmiaru ciemnych protonów nad ciemnymi elektronami tylko niewielka część jest wiązana w atomy i przenoszona do dysku. W tym przypadku dysk i aureola muszą składać się z tych samych elementów, „co byłoby bardziej ekonomiczne” - mówi. „Myśleliśmy, że można to wykluczyć, ale to nie zadziałało”.
Jak dotąd ciemny dysk żyje dalej - jako symbol wszystkiego, co nie jest znane w ciemnej stronie wszechświata. „Myślę, że w tej dziedzinie bardzo, bardzo pomocne jest to, że różni ludzie patrzą na różne pomysły” - mówi Bullock. „Ponieważ nie mamy pojęcia, co to jest - ciemna materia i musimy być przygotowani na różnorodne opcje”.
