Przy całym naszym zrozumieniu praw fizyki i powodzeniu Modelu Standardowego oraz ogólnej teorii względności istnieje szereg obserwowalnych zjawisk we Wszechświecie, których nie można wyjaśnić. Wszechświat jest pełen tajemnic, od formowania się gwiazd po wysokoenergetyczne promienie kosmiczne. Choć stopniowo odkrywamy przestrzeń dla siebie, wciąż nie wiemy wszystkiego. Na przykład wiemy, że istnieje ciemna materia, ale nie wiemy, jakie są jej właściwości. Czy to oznacza, że powinniśmy przypisywać wszystkie nieznane skutki przejawom ciemnej materii?
Jest tyle tajemnic dotyczących ciemnej materii, ile jest dowodów na jej istnienie. Ale obwinianie ciemnej materii za wszystkie tajemnicze przejawy kosmosu jest nie tylko krótkowzroczne, ale także błędne. Tak się dzieje, gdy naukowcom skończą się dobre pomysły.
Dwie jasne, duże galaktyki w centrum gromady Coma, każda o rozmiarze ponad miliona lat świetlnych. Galaktyki na obrzeżach gromady wskazują na istnienie dużego halo ciemnej materii w całej gromadzie.
Ciemną materię można znaleźć wszędzie we Wszechświecie. Po raz pierwszy konsultowano się z nią w latach trzydziestych XX wieku w celu wyjaśnienia szybkiego ruchu poszczególnych galaktyk w gromadach galaktyk. Stało się tak, ponieważ cała zwykła materia - materia złożona z protonów, neutronów i elektronów - nie wystarczy do wyjaśnienia całkowitej wielkości grawitacji. Obejmuje to gwiazdy, planety, gaz, pył, międzygwiazdową i międzygalaktyczną plazmę, czarne dziury i wszystko inne, co możemy zmierzyć. Dowody potwierdzające ciemną materię są liczne i przekonujące, jak zauważył fizyk Ethan Siegel.
Do wyjaśnienia potrzebna jest ciemna materia:
- właściwości rotacyjne poszczególnych galaktyk, - powstawanie galaktyk o różnych rozmiarach, od gigantycznych eliptycznych do - galaktyk wielkości Drogi Mlecznej i malutkich galaktyk karłowatych w pobliżu, Film promocyjny:
- interakcje między parami galaktyk, - właściwości gromad galaktyk i gromad galaktyk w dużej skali, - sieć kosmiczna, w tym jej nitkowata struktura, - widmo kosmicznych wahań tła mikrofalowego, - obserwowane efekty soczewkowania grawitacyjnego odległych mas, - obserwowana separacja między skutkami grawitacji a obecnością zwykłej materii w zderzeniach gromad galaktyk.
A w małej skali pojedynczych galaktyk i w skali całego Wszechświata potrzebna jest ciemna materia.
Umieszczając to wszystko w kontekście reszty kosmologii, wierzymy, że każda galaktyka, w tym nasza własna, zawiera otaczające ją masywne, rozproszone halo ciemnej materii. W przeciwieństwie do gwiazd, gazu i pyłu w naszej galaktyce, które znajdują się głównie w dysku, halo ciemnej materii powinno być sferyczne, ponieważ w przeciwieństwie do zwykłej materii (opartej na atomach) ciemna materia nie „spłaszcza się”, gdy ją ściskasz … Ponadto ciemna materia powinna być gęstsza w centrum galaktyki i rozciągać się dziesięć razy dalej niż gwiazdy samej galaktyki. Wreszcie w każdym halo powinny znajdować się małe grudki ciemnej materii.
Aby odtworzyć pełny zestaw wyżej wymienionych obserwacji, a także innych, ciemna materia nie powinna mieć żadnych innych właściwości niż następujące: powinna mieć masę; musi oddziaływać grawitacyjnie; musi poruszać się powoli w stosunku do prędkości światła; nie powinien silnie oddziaływać poprzez inne siły. Wszystko. Wszelkie inne interakcje są ściśle ograniczone, ale nie są wykluczone.
Dlaczego więc, ilekroć obserwacja astrofizyczna dokonywana jest z nadmiarem zwykłej cząstki pewnego typu - fotonów, pozytonów, antyprotonów - ludzie przede wszystkim mówią o ciemnej materii?
Wcześniej w tym tygodniu zespół naukowców badający źródła promieniowania gamma wokół pulsarów opublikował swoje odkrycia w Science. W swojej pracy starali się lepiej zrozumieć, skąd pochodzi nadmiar obserwowanych przez nas pozytonów. Pozytrony, antypody elektronów, powstają zwykle na kilka sposobów: kiedy zwykłe cząstki są przyspieszane do wystarczająco wysokich energii, kiedy zderzają się z innymi cząsteczkami materii oraz podczas tworzenia par elektron-pozyton według wzoru Einsteina E = mc2. Takie pary tworzymy w trakcie fizycznych eksperymentów i możemy obserwować powstawanie pozytonów astrofizycznie, zarówno bezpośrednio, w poszukiwaniu promieni kosmicznych, jak i pośrednio, w poszukiwaniu sygnatury energetycznej anihilacji elektron-pozyton.
Te astrofizyczne sygnatury pozytonów występują w pobliżu centrum galaktyki, celując w źródła punktowe, takie jak mikrokwazary i pulsary zlokalizowane w tajemniczym regionie naszej galaktyki znanym jako Wielki Niszczyciel oraz w części rozproszonego tła, którego pochodzenie jest nieznane. Jedno jest pewne: widzimy więcej pozytonów, niż się spodziewamy. I było to znane od dawna. PAMELA zmierzyła, Fermi zmierzyła, AMS na pokładzie ISS zmierzyła. Niedawno obserwatorium HAWC zmierzyło promieniowanie gamma na poziomie TeV o bardzo wysokich energiach i wykazało, że są to cząstki o silnym przyspieszeniu pochodzące z pulsarów średniego poziomu. Ale to niestety nie wystarczy, aby wyjaśnić obserwowany nadmiar pozytonów.
Z jakiegoś powodu, z każdym pomiarem nadmiaru pozytonów, z każdą obserwacją źródła astrofizycznego, które tego nie wyjaśnia, narracja przepływa w następujący sposób: „nie możemy tego wyjaśnić, więc winna jest ciemna materia”. A to źle, ponieważ istnieje wiele możliwych źródeł astrofizycznych, które nie wymagają niczego egzotycznego, na przykład:
- wtórna produkcja pozytonów i promieni gamma przez inne cząstki, - mikrokwazary lub coś innego zasilającego czarne dziury, - bardzo młode lub bardzo stare pulsary, magnetary, - pozostałości po supernowych.
Ta lista nie jest ostateczna, ale zawiera kilka przykładów tego, co może spowodować tę nadwyżkę.
Wiele osób pracujących w tej dziedzinie wybiera ciemną materię, ponieważ byłoby przełomem, gdyby ciemna materia niszczyła i produkowała promienie gamma oraz cząsteczki zwykłej materii. Byłby to wymarzony scenariusz dla astrofizyków łowców ciemnej materii. Jednak myślenie życzeniowe nigdy nie doprowadziło do większych odkryć. I chociaż ciemna materia jest najczęściej przedstawiana jako wyjaśnienie nadwyżki pozytonów, nie jest to bardziej prawdopodobne niż obcy wyjaśniający gwiazdę Tabby.
Po zapytaniu Brendy Dingus, głównego badacza z HAWC, o wyjaśnienie, Ethan Siegel otrzymał następujący komentarz:
„Istnieją niewątpliwie inne źródła pozytonów. Ale pozytony nie oddalają się daleko od swoich źródeł, aw pobliżu nie ma wielu źródeł. Dwóch najlepszych kandydatów zostało odkrytych przez HAWC i obecnie znamy liczbę wytwarzanych przez nich pozytonów. Wiemy również, jak te pozytony dyfundują ze swoich źródeł; wolniej niż oczekiwano. Chociaż potwierdziliśmy źródła pozytonów w pobliżu, odkryliśmy, że pozytony bardzo wolno oddalają się od miejsca swojego pochodzenia, a zatem nie tworzą ich nadmiaru na Ziemi. Eliminując jedną możliwość, zwiększamy prawdopodobieństwo innych możliwości. Nie oznacza to jednak, że pozytony MUSZĄ pochodzić z ciemnej materii. Nie mamy tego na myśli”.
Co ciekawe, pozytony w danych HAWC stanowią tylko 1% pozytonów widocznych w innych eksperymentach, co wskazuje na coś innego jako bohatera dnia. Kiedy dokonuje się obserwacji, która jest sprzeczna z naszymi tradycyjnymi wyobrażeniami, jak w przypadku nadwyżki astrofizycznych pozytonów, nie należy wykluczać, że w grę wchodzi ciemna materia. Ale jest znacznie bardziej prawdopodobne, że inne procesy astrofizyczne wyjaśniają te efekty. Kiedy w nauce pojawia się tajemnica, każdy chce rewolucji, ale najczęściej dostaje coś zwyczajnego.
Ilya Khel