Du tittar utan tvekan på en av de bästa kartorna över mörk materia som vi har. Astronomer färgade koncentrationerna av mörk materia i det gigantiska galaxklustret Abell 1689 blått. De räknade ut placeringen av dessa koncentrationer med hjälp av gravitationslinser. Bild med tillstånd av NASA, ESA, och D. Coe (NASA JPL/Caltech och STScI) I uppföljningsalbumet 1978 till "Born to Run, "Bruce Springsteen använder mörkret i utkanten av staden som en metafor för det öde okända vi alla möter när vi växer upp och försöker förstå världen.
Kosmologer som arbetar med att dechiffrera universums ursprung och öde måste helt identifiera sig med The Boss känsla av tragisk längtan. Dessa stjärnskådande forskare har mött sitt eget mörker i utkanten av staden (eller i utkanten av galaxer) under lång tid när de försöker förklara ett av astronomins största mysterier. Det är känt som mörk materia , som i sig är en platshållare - som x eller y som används i algebra -klass - för något okänt och hittills osynligt. En dag, det kommer att njuta av ett nytt namn, men idag har vi fastnat för den tillfälliga etiketten och dess konnotationer av skuggig osäkerhet.
Bara för att forskare inte vet vad de ska kalla mörk materia betyder det inte att de inte vet något om det. De vet, till exempel, att mörk materia beter sig annorlunda än "normal" materia, som galaxer, stjärnor, planeter, asteroider och alla levande och icke -levande saker på jorden. Astronomer klassificerar allt detta som baryonisk materia , och de vet att dess mest grundläggande enhet är atomen, som i sig består av ännu mindre subatomära partiklar, som protoner, neutroner och elektroner.
Till skillnad från baryonisk materia, mörk materia varken avger eller absorberar ljus eller andra former av elektromagnetisk energi. Astronomer vet att det existerar eftersom något i universum utövar betydande gravitationskrafter på saker vi kan se. När de mäter effekterna av denna gravitation, forskare uppskattar att mörk materia ger upp till 23 procent av universum. Baryonisk materia står för bara 4,6 procent. Och ett annat kosmiskt mysterium som kallas mörk energi utgör resten - hela 72 procent [källa:NASA/WMAP]!
Så vad är mörk materia? Var kom det ifrån? Var är den nu? Hur studerar forskare sakerna när de inte kan se det? Och vad hoppas de kunna vinna genom att lösa pusslet? Är mörk materia hemligheten för att stärka standardmodellen för partikelfysik, eller kommer det att förändra hur vi ser och förstår världen omkring oss? Så många frågor som ska besvaras. Vi börjar i början - nästa.
Innehåll
Astronomer har fascinerats av galaxer i århundraden. Först kom insikten att vårt solsystem låg insvept inom armarna på en massiv stjärnkropp. Sedan kom bevis för att det fanns andra galaxer bortom Vintergatan. Vid 1920 -talet, forskare som Edwin Hubble katalogiserade tusentals "ö -universum" och spelade in information om deras storlekar, rotationer och avstånd från jorden.
En viktig aspekt astronomer hoppades kunna mäta var massan av en galax. Men du kan inte bara väga något i storleken på en galax - du måste hitta dess massa med andra metoder. En metod är att mäta ljusintensiteten, eller ljusstyrka. Ju ljusare en galax, desto mer massa har den (se hur stjärnor fungerar). Ett annat tillvägagångssätt är att beräkna rotationen av en galaxkropp, eller disk, genom att spåra hur snabbt stjärnor i galaxen rör sig runt dess centrum. Variationer i rotationshastighet bör indikera regioner med varierande gravitation och därför massa.
När astronomer började mäta rotationerna i spiralgalaxer på 1950- och 60 -talen, de gjorde en förbryllande upptäckt. De förväntade sig att se stjärnor nära en galax centrum, där den synliga substansen är mer koncentrerad, rör sig snabbare än stjärnor vid kanten. Vad de såg istället var att stjärnor vid kanten av en galax hade samma rotationshastighet som stjärnor nära centrum. Astronomer observerade detta först med Vintergatan, och då, på 1970 -talet, Vera Rubin bekräftade fenomenet när hon gjorde detaljerade kvantitativa mätningar av stjärnor i flera andra galaxer, inklusive Andromeda (M31).
Implikationen av alla dessa resultat pekade på två möjligheter:Något var i grunden fel med vår förståelse av gravitation och rotation, vilket verkade osannolikt med tanke på att Newtons lagar hade tålt många tester i århundraden. Eller, mer troligt, galaxer och galaktiska kluster måste innehålla en osynlig form av materia - hej, mörk materia - ansvarig för de observerade gravitationseffekterna. När astronomer fokuserade sin uppmärksamhet på mörk materia, de började samla ytterligare bevis på dess existens.
Dark Matter PioneersBegreppet mörk materia har inte sitt ursprung i Vera Rubin. År 1932, den nederländska astronomen Jan Hendrik Oort observerade att stjärnor i vårt galaktiska grannskap rörde sig snabbare än beräkningar förutspådde. Han använde termen "mörk materia" för att beskriva den oidentifierade massan som krävs för att orsaka denna hastighetsökning. Ett år senare, Fritz Zwicky började studera galaxer i koma -klustret. Med hjälp av ljusmätningar, han bestämde hur mycket massa som skulle vara i klustret och sedan, eftersom massa och gravitation är relaterade, beräknat hur snabbt galaxerna ska röra sig. När han mätte deras verkliga hastigheter, dock, han fann att galaxerna rörde sig mycket, mycket snabbare än han förväntade sig. För att förklara avvikelsen, Zwicky föreslog att mer massa - två storleksordningar mer - låg gömd bland den synliga materien. Som Oort, Zwicky kallade detta osynliga saker för mörk materia [källa:SuperCDMS vid Queen's University].
Det är en dubbel Einstein -ring! Hubble tog bilden av gravitationsfältet i en elliptisk galax som vrider ljuset från två galaxer exakt bakom den. Tack, Hubble. Bild med tillstånd av NASA, ESA, och R. Gavazzi och T. Treu (University of California, Santa Barbara) Astronomer fortsatte att hitta förvirrande information när de studerade universums avlägsna galaxer. Några oförskräckta stjärnskådare vände uppmärksamheten galaktiska kluster - knutar av galaxer (så få som 50 och så många som tusentals) bundna av tyngdkraften - i hopp om att hitta pooler av het gas som tidigare hade blivit oupptäckta och som kan bero på att massan tillskrivs mörk materia.
När de vände röntgenteleskop, till exempel Chandra röntgenobservatorium, mot dessa kluster, de hittade verkligen stora moln av överhettad gas. Inte tillräckligt, dock, att ta hänsyn till skillnaderna i massa. Mätningen av hett gastryck i galaktiska kluster har visat att det måste finnas ungefär fem till sex gånger så mycket mörk materia som alla stjärnor och gas vi observerar [källa:Chandra röntgenobservatorium]. Annat, det skulle inte finnas tillräckligt med tyngdkraft i klustret för att förhindra att den heta gasen kommer ut.
Galaktiska kluster har gett andra ledtrådar om mörk materia. Lån från Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, astronomer har visat att kluster och superkluster kan snedvrida rymdtid med sin enorma massa. Ljusstrålar som kommer från ett avlägset föremål bakom ett kluster passerar genom den förvrängda rymdtiden, vilket får strålarna att böja och konvergera när de rör sig mot en observatör. Därför, klustret fungerar som en stor gravitationellins, ungefär som en optisk lins (se How Light Works).
Den förvrängda bilden av det avlägsna objektet kan visas på tre möjliga sätt beroende på linsens form:
Genom att mäta böjningsvinkeln, astronomer kan beräkna gravitationslinsens massa (ju större böjning, desto större lins). Med denna metod, astronomer har bekräftat att galaktiska kluster verkligen har höga massor som överstiger dem som mäts med ljusmaterial och, som ett resultat, har gett ytterligare bevis på mörk materia.
Chandra till räddningenÅr 2000, Chandra observerade ett gigantiskt moln av het gas som omsluter galaxklustret Abell 2029, ledande astronomer att uppskatta att klustret måste rymma en mängd mörk materia som motsvarar mer än hundra biljoner solar! Om andra kluster har liknande egenskaper, då skulle 70 till 90 procent av universums massa kunna hänföras till mörk materia [källa:Chandra X-ray Observatory].
Denna sammansatta bild av det sammanslagna galaxklustret Abell 520 har överlagrat, "falskfärgade" kartor som visar klusterets koncentration av stjärnljus (orange), het gas (grön) och mörk materia (mycket av det blå). Bild med tillstånd av NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), och A. Mahdavi (San Francisco State University) När astronomer samlade ledtrådar om existensen - och häpnadsväckande mängden - av mörk materia, de vände sig till datorn för att skapa modeller för hur de konstiga sakerna kan organiseras. De gjorde utbildade gissningar om hur mycket baryonisk och mörk materia som kan finnas i universum, låt sedan datorn rita en karta baserat på informationen. Simuleringarna visade mörk materia som ett webbliknande material sammanvävt med vanligt synligt material. På några ställen, den mörka materien förenades till klumpar. På andra ställen, den sträckte sig ut för att bli lång, trådiga trådar på vilka galaxer verkar intrasslade, som insekter fångade i spindelsilke. Enligt datorn, mörk materia kan finnas överallt, binda universum ihop som någon form av osynlig bindväv.
Sedan dess, astronomer har arbetat hårt för att skapa en liknande karta över mörk materia baserad på direkt observation. Och de har använt ett av samma verktyg - gravitationslinser - som hjälpte till att bevisa förekomsten av mörk materia i första hand. Genom att studera ljusböjningseffekterna av galaxkluster och kombinera data med optiska mätningar, de har kunnat "se" det osynliga materialet och har börjat montera exakta kartor.
I vissa fall, astronomer kartlägger enstaka kluster. Till exempel, under 2011, två lag använde data från Chandras röntgenobservatorium och andra instrument som rymdteleskopet Hubble för att kartlägga distributionen av mörk materia i ett galaxkluster som kallas Abell 383, som ligger cirka 2,3 miljarder ljusår från jorden. Båda lagen kom till samma slutsats:Den mörka materien i klustret är inte sfärisk utan äggformig, som en amerikansk fotboll, orienterad med ena änden som pekar på observatörerna. Forskarna var oense, dock, på den mörka materiens densitet över Abell 383. Ett lag beräknade att den mörka materien ökade mot mitten av klustret, medan den andra mätte mindre mörk materia i mitten. Även med dessa avvikelser, de oberoende insatserna visade att mörk materia kunde upptäckas och framgångsrikt kartläggas.
I januari 2012, ett internationellt team av forskare publicerade resultat från ett ännu mer ambitiöst projekt. Med 340-megapixelkamera på Kanada-Frankrike-Hawaii-teleskopet (CFHT) på Mauna Kea Mountain på Hawaii, forskare studerade gravitationella linseffekter av 10 miljoner galaxer i fyra olika delar av himlen under en period av fem år. När de sytt ihop allt, de hade en bild av mörk materia som tittade över 1 miljard ljusår rymden-den största kartan över de osynliga saker som producerats hittills. Deras färdiga produkt liknade de tidigare datasimuleringarna och avslöjade ett stort nät av mörk materia som sträckte sig över rymden och blandades med den normala materia som vi har känt till i århundraden.
Baserat på bevisen, de flesta astronomer är överens om att mörk materia existerar. Bortom det, de har fler frågor än svar. Den största frågan, vågar vi säga en av de största i hela kosmologin, fokuserar på den exakta karaktären av mörk materia. Är det en exotisk, oupptäckt typ av materia, eller är det en vanlig sak som vi har svårt att observera?
Den senare möjligheten verkar osannolik, men astronomer har övervägt några kandidater, som de kallar MACHO:er , eller massiva kompakta haloobjekt . MACHO:er är stora föremål som finns i galaxernas glorior men undviker upptäckt eftersom de har så låga ljusstyrkor. Sådana föremål inkluderar bruna dvärgar, extremt svaga vita dvärgar, neutronstjärnor och till och med svarta hål. MACHO bidrar förmodligen något till den mörka materiens mysterium, men det finns helt enkelt inte tillräckligt med dem för att redogöra för all mörk materia i en enda galax eller ett galaxkluster.
Astronomer tror att det är mer troligt att mörk materia består av en helt ny typ av materia byggd av en ny typ av elementarpartikel. I början, tänkte de neutriner , grundläggande partiklar först postulerade på 1930 -talet och sedan upptäcktes på 1950 -talet, men eftersom de har så liten massa, forskare tvivlar på att de utgör mycket mörk materia. Andra kandidater är figurer av vetenskaplig fantasi. De är kända som WIMP:er (för svagt interagerande massiva partiklar ), och om de finns, dessa partiklar har massor tiotals eller hundratals gånger större än för en proton men interagerar så svagt med vanligt material att de är svåra att upptäcka. WIMP kan innehålla valfritt antal konstiga partiklar, Till exempel:
Forskare runt om i världen fortsätter att jaga aggressivt efter dessa partiklar. Ett av deras viktigaste laboratorier, Large Hadron Collider (LHC), ligger djupt under jorden i en 16,5 mil lång cirkulär tunnel som korsar den fransk-schweiziska gränsen. Inne i tunneln, elektriska fält accelererar två protonpackade strålar till absurda hastigheter och låter dem sedan kollidera, som frigör en komplex spray av partiklar. Målet med LHC -experiment är inte att producera WIMP direkt, men att producera andra partiklar som kan förfalla till mörk materia. Denna förfallsprocess, fast nästan omedelbart, skulle låta forskare spåra momentum och energiförändringar som skulle ge indirekta bevis på en helt ny partikel.
Andra experiment innefattar underjordiska detektorer som hoppas kunna registrera partiklar av mörk materia som zippas av och genom jorden (se sidofältet).
Begravd i MinnesotaOm avlägsna galaxer vanligtvis ligger inom ett hölje av mörk materia, då kan Vintergatan, för. Och om det är så, då måste jorden passera genom ett hav av partiklar av mörk materia när den kretsar runt solen, och solen färdas runt galaxen. För att upptäcka dessa partiklar, teamet Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) begravde en rad germaniumceller djupt under marken i Soudan, Minn. Om det finns partiklar av mörk materia, de bör passera genom fast jord och träffa kärnorna i germaniumatomerna, som kommer att backa och producera små mängder värme och energi. År 2010, teamet rapporterade att det hade upptäckt två kandidat -WIMP:er som träffade cellerna. I sista hand, forskarna bestämde att resultaten inte var statistiskt signifikanta, men det var en annan spännande ledtråd i sökandet efter den mest mystiska substansen i universum.
Alla säljs inte på mörk materia, inte på långa vägar. Några astronomer tror att lagarna för rörelse och gravitation, formulerad av Newton och utökad av Einstein, kan äntligen ha träffat sin match. Om så är fallet, sedan en modifiering av gravitationen, inte någon osynlig partikel, kan förklara effekterna som tillskrivs mörk materia.
På 1980 -talet, fysikern Mordehai Milgrom föreslog att Newtons andra rörelselag (kraft =massa x acceleration, f =ma) bör undersökas på nytt vid galaktiska rörelser. Hans grundtanke var att vid mycket låga accelerationer, motsvarande stora avstånd, den andra lagen bröt. För att det ska fungera bättre, han lade till en ny matematisk konstant i Newtons berömda lag, kallar modifieringen MÅNAD , eller Ändrad Newtonsk dynamik . Eftersom Milgrom utvecklade MOND som en lösning på ett specifikt problem, inte som en grundläggande fysikprincip, många astronomer och fysiker har gråtit illa.
Också, MOND kan inte redogöra för bevis på mörk materia som upptäckts av andra tekniker som inte involverar Newtons andra lag, såsom röntgenstronomi och gravitationslinser. En översyn från 2004 till MOND, känd som TeVeS ( Tensor-vektor-skalär gravitation ), introducerar tre olika fält i rymdtid för att ersätta det ena gravitationsfältet. Eftersom TeVeS innehåller relativitet, den rymmer fenomen som linser. Men det löste inte debatten. Under 2007, fysiker testade Newtons andra lag ner till accelerationer så låga som 5 x 10 -14 Fröken 2 och rapporterade att f =ma stämmer utan nödvändiga ändringar (se American Institute of Physics News Update:"Newtons andra rörelselag, "11 april, 2007), att få MOND att verka ännu mindre attraktiv.
Ytterligare andra alternativ betraktar mörk materia som en illusion som härrör från kvantfysik. Under 2011, Dragan Hajdukovic vid European Organization for Nuclear Research (CERN) föreslog att tomt utrymme fylls med partiklar av materia och antimateria som inte bara är elektriska motsatser, men också gravitationella motsatser. Med olika gravitationsladdningar, ämnet och antimateria partiklar skulle bilda gravitation dipoler i rymden. Om dessa dipoler bildades nära en galax - ett objekt med ett massivt gravitationsfält - skulle gravitationella dipoler bli polariserade och stärka galaxens gravitationella fält. Detta skulle förklara gravitationseffekterna av mörk materia utan att kräva några nya eller exotiska former av materia.
Enligt denna tidslinje från NASA, universums expansion accelererar. Bild med tillstånd av NASA Om mörk materia fungerar som kosmiskt lim, astronomer måste kunna förklara dess existens i termer av den rådande teorin om universumsbildning. Big bang -teorin säger att det tidiga universum genomgick en enorm expansion och fortfarande expanderar idag. För att gravitationen ska klumpa ihop galaxer till väggar eller filament, det måste finnas stora mängder massa kvar från big bang, särskilt osynlig massa i form av mörk materia. Faktiskt, superdatorsimuleringar av universums bildande visar att galaxer, galaktiska kluster och större strukturer kan så småningom bildas från aggregationer av mörk materia i det tidiga universum.
Förutom att ge universum struktur, mörk materia kan spela en roll i dess öde. Universum expanderar, men kommer det att expandera för alltid? Tyngdkraften kommer i slutändan att avgöra expansionens öde, och tyngdkraften är beroende av universums massa; specifikt, det finns en kritisk massdensitet i universum av 10 -29 g/cm 3 (motsvarar några väteatomer i en telefonkiosk) som avgör vad som kan hända.
Mätningar av massdensitet måste omfatta både ljus och mörk materia. Så, det är viktigt att veta hur mycket mörk materia som finns i universum.
Nyligen observerade rörelser från avlägsna supernovor tyder på att universums expansionstakt faktiskt accelererar. Detta öppnar upp för en fjärde möjlighet, ett accelererande universum, där alla galaxerna kommer att flytta från varandra relativt snabbt och universum blir kallt och mörkt (snabbare än i det öppna universum, men fortfarande i storleksordningen tiotals miljarder år). Vad som orsakar denna acceleration är okänt, men det har kallats mörk energi. Mörk energi är ännu mer mystisk än mörk materia - och bara ett annat exempel på astronomins mörker i utkanten av staden. Kanske universum, som Springsteen föreslår, kommer att bära sina hemligheter länge, länge sedan:
Alla har en hemlighet, Sonny, Något som de inte kan möta, Vissa människor spenderar hela sitt liv på att försöka behålla det, De bär med sig varje steg de tar.
Ursprungligen publicerat:4 sep, 2007
