Astronomi

Er Dark Matter i bevægelse?

Er Dark Matter i bevægelse?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Det lyder som om mørkt stof udgør en fjerdedel af universets masseenergi. Og dens densitet er ret ensartet. Men kunne det samtidig være både ensartet og bevægende - ligesom strømme i en sø. Har den en stående bølge? En formeringsbølge? En rotation omkring et universelt centralt punkt? Lokale rotationer omkring massive genstande som lavtrykssystemer på et vejrkort?


Ja og nej. Generelt har Dark Matter en tendens til at eksistere de samme steder som galakser. Det er ikke rigtig fordelt over hele rummet ensartet. Det har hulrum og filamenter ligesom normal materie gør. I det store og hele er normal sag en ret god sporbarhed af, hvor Dark Matter er. I nogle tilfælde kan Dark Matter adskille sig fra normal materie, og det antages af nogle, at Dark Matter kan klumpe sig sammen i områder, hvor normal materie ikke, men mere eller mindre, i en kosmologisk skala, distribueres og fungerer som almindelig materie. På korte tidsplaner ligger Dark Matter mest der. Der er ikke massebevægelse eller formeringsbølger. På lange tidsskalaer og i meget store udsigter kan du se faktisk bevægelse og interessante strukturer (fx Baryonic Acoustic Oscillations - teknisk set observerer vi disse i normal materie, men Dark Matter ville blive påvirket på samme måde).

For at give dig en idé om dette skal du tjekke Millennium Simulation (det er en YouTube-video, der bevæger sig rundt og ser resultaterne af simuleringen). Dette var et sæt simuleringer af universet som helhed i et forsøg på at teste aktuelle teorier om vores univers og se, om disse teorier kunne producere et univers, der ligner vores. Det er tilstrækkeligt at sige, de var ret succesrige. Et billede af resultaterne af simuleringen er vist nedenfor. Dette repræsenterer universet i meget meget stor skala, og du kan se alt det mørke stof og hvordan det fordeles.

Det kan også være en god idé at tjekke Aquarius Simulation, der lignede Millennium Simulation meget. Men i modsætning til videoen til Millennium Simulation viser denne video universets udvikling. Dette giver dig virkelig en idé om strømmen og bevægelsen af ​​mørkt stof gennem hele universets historie.


Hypotese, svagt interagerende, koldt mørkt stof påvirkes af tyngdekraften, men opfører sig anderledes end normalt stof med hensyn til dets rumlige fordeling og kinematik, fordi det er dissipationsløst. Det vil sige, det kan ikke miste kinetisk energi gennem interaktioner og udstråle varmen væk.

Fordelingen og bevægelsen af ​​mørkt stof kan ses på en række skalaer. På skalaen af ​​galaksehobe og superklynger er mørkt stof arrangeret i hulrum og filamenter, som det fremgår af Zephyrs svar. Det er bestemt ikke-ensartet.

På skalaen fra en galakse, f.eks. Vores Mælkevejsgalakse, antages mørkt stof at være fordelt på en glat sfærisk, centralt koncentreret måde og strækker sig langt ud over, hvor det normale stof findes. Det mørke stof er bevæger sig; det kredser om det samlede galaktiske tyngdepotentiale som alt andet, men kredsløbene vil være meget mere radiale, snarere end de cirkulære baner efterfulgt af stjerner på disken i vores galakse.

Hvad dette betyder for mørkt stof på solsystemskalaer er, at vi forventer, at der er en mørk materie "vind", fordi solen kredser omkring 200 km / s i forhold til galaksen, og så vil det mørke stof have dette store antal overlejret på dens relative hastighed i forhold til solsystemet. Vinden på Jorden bliver også stærkere og svagere med 30 km / s, når Jorden bevæger sig i sin bane.

Den rumlige fordeling af mørkt stof på solsystemets skalaer skal være ret ensartet og være mindre end en hundrededel af densiteten af ​​det normale stof i det interplanetære rum. Der skulle dog være en lille (af orden 1% tæthedskontrast) tyngdekraftsfokuseringseffekt på grund af solen, da "vinden" passerer den.


Er Dark Matter i bevægelse? - Astronomi

I lyset af det overbevisende bevis for, at det meste af sagen i universet er mørk materie, er et af de mest presserende spørgsmål i moderne astrofysik: Hvad er mørkt stof?


Naturen af ​​mørkt stof er ukendt. Et væsentligt bevismateriale indikerer, at det ikke kan være baryonisk stof, dvs. protoner og neutroner. Den foretrukne model er, at mørkt stof for det meste består af eksotiske partikler dannet, da universet var en brøkdel af et sekund gammelt. Sådanne partikler, som ville kræve en udvidelse af den såkaldte standardmodel for elementær partikelfysik, kunne være WIMP'er (svagt interagerende massive partikler) eller aksioner eller sterile neutrinoer.
Kosmisk tidslinjeillustration Kredit: NASA / CXC / M.Weiss

Der er endnu ikke noget svar på dette spørgsmål, men det bliver stadig mere klart, hvad det ikke er. Detaljerede observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund med WMAP-satellitten viser, at det mørke stof ikke kan være i form af normalt, baryonisk stof, dvs. protoner og neutroner, der komponerer stjerner, planeter og interstellar materie. Det udelukker varm gas, kold gas, brune dværge, røde dværge, hvide dværge, neutronstjerner og sorte huller.

Sorte huller ser ud til at være den ideelle kandidat til mørkt stof, og de er virkelig meget mørke. Imidlertid er stjernemasse sorte huller produceret ved sammenbrud af massive stjerner, som er meget mindre end normale stjerner, som højst indeholder en femtedel af massen af ​​mørkt stof. Også de processer, der producerer nok sorte huller til at forklare det mørke stof, frigiver en masse energi og tunge elementer, der er ingen tegn på en sådan frigivelse.

De ikke-baryoniske kandidater kan grupperes i tre brede kategorier: varmt, varmt og koldt. Varmt mørkt stof henviser til partikler, såsom de kendte typer af neutrinoer, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, da de klumper, der ville danne galakser og klynger af galakser, begyndte at vokse. Koldt mørkt stof refererer til partikler, der bevægede sig langsomt, da de præ-galaktiske klumper begyndte at dannes, og varmt mørkt stof refererer til partikler med hastigheder mellem mellem varme og kolde mørke stoffer.

Denne klassifikation har observationsmæssige konsekvenser for størrelsen af ​​klumper, der kan kollapse i det ekspanderende univers. Varme mørke stofpartikler bevæger sig så hurtigt, at klumper med massen af ​​en galakse hurtigt vil sprede sig. Kun skyer med massen af ​​tusinder af galakser, det vil sige størrelsen på galaksehobe, kan dannes. Individuelle galakser dannes senere, da de store klyngestørrelser skyer fragmenteres i en top-down proces.

I modsætning hertil kan koldt mørkt stof dannes i klumper af galakse-størrelse masse eller mindre. Galakser dannes først, og klynger dannes, når galakser smelter sammen i grupper og grupper i klynger i en bottom-up-proces.

Observationerne med Chandra viser mange eksempler på klynger konstrueret ved sammensmeltning af grupper og underklynger af galakser. Denne og andre beviser for, at galakser er ældre end grupper og klynger af galakser, understøtter stærkt det kolde mørke stof-alternativ.

De førende kandidater til koldt mørkt stof er partikler kaldet WIMP'er til svagt interagerende massive partikler. WIMP'er forudsiges ikke af den såkaldte standardmodel for elementære partikler, men forsøg på at konstruere en samlet teori om alle elementære partikler antyder, at WIMP'er måske er blevet produceret i stort antal, da universet var en brøkdel af et sekund gammelt.

En typisk WIMP forudsiges at være mindst 100 gange så massiv som et hydrogenatom. Mulige skabninger i zoologisk have med hypotetiske WIMP'er er neutralinos, gravitinos og axinos. Andre muligheder, der er blevet diskuteret, inkluderer sterile neutrinoer og Kaluza-Klein excitationer relateret til ekstra dimensioner i universet.


5 ting vi ved om mørkt stof (og 5 gør vi ikke)

Denne visualisering af Laniakea-superklyngen, som repræsenterer en samling på mere end 100.000. [+] estimerede galakser, der spænder over et volumen på over 100 millioner lysår, viser fordelingen af ​​mørkt stof (skyggefarvet lilla) og individuelle galakser (lys orange / gul) sammen. På trods af den relativt nylige identifikation af Laniakea som superklyngen, der indeholder Mælkevejen og meget mere, er den ikke en tyngdekraftsbundet struktur og vil ikke holde sammen, da universet fortsætter med at ekspandere.

Tsaghkyan / Wikimedia Commons

Mørkt stof er et af de mest mystiske og alligevel mest allestedsnærværende stoffer i universet. Mens ting som mennesker, jorden, solen og alt, hvad der udsender eller absorberer lys i rummet, alle er lavet af normal materie - inklusive partikler som protoner, neutroner og elektroner - der kun tegner sig for en sjettedel af al massen i universet. De resterende fem-sjededele, det overvældende flertal, er mørkt stof.

Vi kan fortælle, at der findes mørkt stof og endda udlede nogle af dets egenskaber ved at observere, hvordan det påvirker det stof og lys, vi kan observere, især i store astrofysiske miljøer. Men det faktum, at mørkt stof har undgået direkte, laboratorieopdagelse hidtil betyder, at en række af dets egenskaber forbliver åbne spørgsmål. Her er fem ting, vi ved om mørkt stof sammen med fem, som vi ikke gør, når vi undersøger grænserne for vores videnskabelige grænser.

Hjertet i Omega-tågen fremhæves af ioniseret gas, strålende nye, blå, massive stjerner og. [+] støvbaner i forgrunden, der blokerer baggrundslyset. Hvis normal materie kunne tage form af gas, støv, plasma, sorte huller eller andre ikke-lysende kilder, har mange håbet, at det kunne være ansvarlig for al den 'manglende masse' uden behov for mørkt stof. Imidlertid angiver observationer andet.

1.) Mørkt stof er ikke bare normalt stof, som vi ikke kan opdage. Dette er noget, der er helt kendt. Mørkt stof kan ikke være:

  • mislykkede stjerner,
  • skyer af gas,
  • støvkorn,
  • asteroider eller kometer,
  • basketballstørrelse klumper af normal materie,
  • et ioniseret plasma,
  • sorte huller,

eller noget andet, der oprindeligt er fremstillet af normal materie. Vi har en række beviser, der udelukker denne mulighed.

Baseret på de tidligste, mest uberørte skyer af gas, vi nogensinde har opdaget, kan vi måle, hvor meget brint, deuterium, helium-3, helium-4 og lithium-7 universet blev født med kort efter Big Bang. Disse målinger bestemmer nøjagtigt, hvor meget normal materie universet blev født med, og denne værdi er kun en sjettedel af den nødvendige mængde total masse. De resterende fem-sjededele skal derfor være noget helt andet: mørkt stof.

De mørke stofstrukturer, der dannes i universet (til venstre) og de synlige galaktiske strukturer. [+] det resultat (til højre) vises ovenfra og ned i et koldt, varmt og varmt mørkt stofunivers. Fra de observationer, vi har, skal mindst 98% + af det mørke stof være enten koldt eller varmt varmt er udelukket.

2.) Mørkt stof skal være koldt i naturen. I teorien kunne den (hidtil uopdagede) partikel, der er ansvarlig for mørkt stof, overhovedet have nogen masse og kunne have været skabt i bevægelse hurtigt eller langsomt eller slet ikke i forhold til lysets hastighed. Men hvis mørkt stof bevægede sig hurtigt, ville dets egenskaber undertrykke dannelsen af ​​struktur i små skalaer og føre til forskellige strukturer end det, vi kan observere.

Især har vi tre linjer med observationsbevis, der begrænser temperaturen på mørkt stof: gravitationslinsering af firdobbelt-linserede kvasarer, absorptionsfunktioner langs synsfeltet til fjerne objekter og tidevandsstrømme i Mælkevejens nærhed. Alle disse tre lærer os det samme: mørkt stof skal enten være ret tungt eller skal være født langsomt. Med andre ord skal mørkt stof have været "koldt" selv i de meget tidlige stadier af universet i modsætning til varmt eller varmt.

De spinafhængige og spinuafhængige resultater fra XENON-samarbejdet indikerer ingen beviser. [+] for en ny partikel af en hvilken som helst masse, inklusive scenariet med lys mørkt stof, der passer til Atomki-anomalien eller beskedent tungere mørkt stof, der passer med DAMA / LIBRA. En ny partikel skal detekteres direkte og utvetydigt, før den accepteres som værende 'ægte'.

E. Aprile et al., 'Light Dark Matter Search with Ionization Signals in XENON1T,' arXiv: 1907.11485

3.) Mørkt stof må ikke interagere meget med sig selv, med lys eller med normalt stof. Der er ingen tvivl om, at hvis der findes mørkt stof, skal der have været en vej til dets oprettelse i det unge univers. Uanset hvilken vej der var, forekommer disse interaktioner ikke længere og har ikke fundet sted med store overflader i meget lang tid.

Direkte detektionseksperimenter har ikke afsløret mørkt stof, hvilket begrænser dets mulige masse og tværsnit. Det absorberer eller slør ikke fjernt stjernelys og begrænser dets interaktioner med lys. Det udslettes ikke med sig selv over en bestemt tærskel, ellers kunne der ses et stort og diffust gammastrålesignal i galaksernes centre. Faktisk er det 100% i overensstemmelse med ikke at interagere overhovedet via nogen af ​​disse mekanismer. Hvis vi håber at opdage det direkte, bliver vi nødt til at skubbe disse grænser yderligere, og selv da er der ingen garanti for et positivt signal. Mørkt stof interagerer muligvis slet ikke i disse mode.

Kun cirka 1000 stjerner er til stede i hele dværggalakserne Segue 1 og Segue 3,. [+] som har en tyngdekraftmasse på 600.000 sol. Stjernerne, der udgør dværgsatellitten Segue 1, er cirkuleret her. Hvis ny forskning er korrekt, vil mørkt stof adlyde en anden fordeling afhængigt af hvordan stjernedannelse over galaksen har opvarmet den. Forholdet mellem mørkt stof og normalt stof på over 600 til 1 er det største forhold, der nogensinde er set i retning af mørk stof.

Marla Geha og Keck Observatories

4.) Effekter af mørkt stof er mest dominerende i gennemsnit i de mindste galakser af alle. Denne er en smule kontraintuitiv, men er blevet valideret observationsmæssigt næsten overalt, hvor vi ser. Under tyngdekraftens love behandles alle former for stof ens. Men de andre kræfter, som nukleare og elektromagnetiske kræfter, påvirker kun normal materie. Når en stor udbrud af stjernedannelse finder sted i en galakse, passerer al denne stråling simpelthen gennem det mørke stof, men det kan kollidere med og blive absorberet af det normale stof.

Dette betyder, at hvis din galakse generelt har lav nok masse, kan den normale materie udvises af intense episoder med stjernedannelse. Jo mindre og mindre massen din galakse er, jo større er mængden af ​​normal stof, der vil blive udvist, mens alt det mørke stof forbliver. I de mest slående eksempler på alle indeholder dværggalakser Segue 1 og Segue 3, begge satellitter på Mælkevejen, kun nogle få hundrede stjerner, men samlet set omkring 600.000 solmasser af materiale. Forholdet mellem mørkt stof og normalt stof er ca. 1000 til 1 i modsætning til 5 til 1 i de fleste store strukturer.

Fire kolliderende galaksehobe, der viser adskillelsen mellem røntgenstråler (lyserød) og tyngdekraft (blå). [+] indikerer mørkt stof. På store skalaer er koldt mørkt stof nødvendigt, og intet alternativ eller erstatning gør det. Kortlægning af røntgenlys (lyserødt) er dog ikke nødvendigvis en særlig god indikation af fordeling af mørkt stof (blå).

Røntgen: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optisk / objektiv: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (øverst til venstre) Røntgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al. Optisk: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (øverst til højre) ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italien) / CFHTLS (nederst til venstre) Røntgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) og S. Allen (Stanford University) (nederst til højre)

5.) Mørkt stof forårsager tyngdekraftseffekter på steder, hvor normal stof ikke er placeret. Dette er nogle af de stærkeste beviser for alt, at mørkt stof ikke bare kan være normalt stof, der er mørkt. Når to galaksegrupper eller klynger kolliderer, kolliderer den intergalaktiske gas og plasma og opvarmes og udsender røntgenstråler (vist med lyserødt). Dette repræsenterer det overvældende flertal af det normale stof, langt mere end hvad der findes i stjerner og de enkelte galakser selv.

Men signalet fra massen, udledt af gravitationslinser, illustrerer, at størstedelen af ​​massen er placeret, hvor de blå konturer vises. Dette kan kun være sandt i betragtning af det store udvalg af kolliderende klynger, hvor dette er blevet demonstreret, hvis en ny form for masse adlyder forskellige kollisionslove end normal materie. Den uundgåelige konklusion er, at en ny form for materie - mørkt stof - skal udgøre størstedelen af ​​universets masse.

Men bare fordi der er ting, vi ved om mørkt stof, betyder det ikke, at vi ved det hele. Faktisk er her fem vigtige ting, vi ikke ved om det.

Jakten på mørkt partikelmateriale har fået os til at lede efter WIMP'er, der kan rekylere med atomkerner. . [+] LZ-samarbejdet vil give de bedste grænser for WIMP-nukleontværsnit af alle, men de bedst motiverede scenarier for at have en svagt kraftdrevet partikel på eller i nærheden af ​​den elektrosvage skala udgør 100% af det mørke stof er allerede udelukket.

LUX-ZEPLIN (LZ) Samarbejde / SLAC National Accelerator Laboratory

1.) Vi ved ikke, hvilke partikler der er ansvarlige for mørkt stof, eller om det overhovedet er en partikel. Vi ved, at der findes mørkt stof, at det ikke interagerer væsentligt med sig selv, normal stof eller stråling, og at det er koldt. Men vi ved ikke, hvilke egenskaber den faktisk har. Mørkt stof kan være:

  • et stort antal partikler med lav masse, der blev født kolde, som en aksion,
  • et mindre antal tungere massepartikler (WIMP'er), der blev født varme i det tidlige univers, som en neutralino,
  • et endnu mindre antal ultramassive partikler, der opstod fra gravitationsinteraktioner (WIMPzillas),
  • en GUT-skala partikel, der opstod fra fysik, som vi endnu ikke har forstået fuldt ud (som en tung højrehåndet neutrino),
  • eller endda en ikke-partikellignende væske, der gennemsyrer universet og graverer.

Men alle vores bestræbelser på direkte at opdage en kandidatpartikel eller felt for mørkt stof er kommet tomme op. Vi ser dets astrofysiske virkninger indirekte, og det er ubestrideligt, men på partikelstørrelser har vi ingen idé om, hvad der foregår.

Tilstedeværelsen, typen og egenskaberne af klumper af mørkt stof kan påvirke de særlige variationer. [+] set mellem flere billeder i et firdobbelt linsesystem. Det faktum, at vi nu har detaljerede spektroskopiske data om otte af disse systemer, gør det muligt at udtrække meningsfuld information om naturen af ​​mørkt stof.

NASA, ESA og D. Player (STScI)

2.) Vi ved ikke, om den "mørke sektor" er enkel eller rig. Er mørkt stof, forudsat at det er lavet af partikler, alt lavet af den samme type partikel? Uanset om det hele er den samme komponent eller ej, binder mørke stofpartikler sig sammen og danner større rigere strukturer end blot løsrevne partikler? Er der mørke atomer, mørke molekyler eller endda større strukturer lavet udelukkende af mørkt stof derude?

Vi ved, at mørkt stof ikke kolliderer uelastisk med sig selv og mister betydelige mængder vinkelmoment, men vi har kun nogensinde undersøgt mørk materiestruktur ned til skalaer på et par tusind lysår. På vægte mindre end det? Det er meget muligt, at der er et helt mørkt univers derude - måske endda med en slags mørkt "periodisk system" - lavet af flere forskellige typer mørke partikler, der interagerer med hinanden. Den eneste begrænsning er, at de gør det ved en tærskel, der falder under det, vi allerede har sat begrænsninger på.

Dette potentiale viser et ustabilt ligevægtspunkt (orange kugle) og en lavere, stabil ligevægt. [+] punkt (blå) med en resterende grad af frihed. Hvis potentialet derefter vippes i en retning, fjernes den grad af frihed, og en aksionslignende partikel kan pludselig få masse fra en sådan overgang.

3.) Var der altid mørkt stof i universet, eller blev det skabt på et senere tidspunkt? Dette er et af de dybeste spørgsmål, vi ved, hvordan vi skal stille, og vi ved ikke svaret. Det er muligt, at mørkt stof er det, der kaldes et termisk levn, hvor:

  • i de tidlige stadier af det varme Big Bang blev der skabt alle mulige partikler og antipartikler,
  • når universet afkøles, forfalder de ustabile og udslettes,
  • men hvis en af ​​dem (hidtil uopdaget) er stabil, enten langs henfaldskæden eller nok af dem overlever tilintetgørelse, kan det blive mørkt stof.

Det er mørkt stof, der altid eksisterede, da det blev oprettet, så snart det hotte Big Bang begyndte. Men der er en anden måde, understreget af ovenstående diagram:

  • universet afkøles, og den orange kugle ruller ned i dalen nedenfor, hvor den bliver cyankuglen,
  • den bold har en grad af frihed, hvor den kan rulle rundt om bunden og besætte alle punkter med lige sandsynlighed,
  • indtil noget kommer sammen for at vippe hele potentialet, hvilket trods alt giver det en foretrukken retning.

Dette sidstnævnte scenario svarer til et aksionslignende scenario, hvor disse partikler begge opnår en lille, men ikke-nul hvilemasse og bliver revet ud af kvantevakuumet i stort antal. Mørkt stof har muligvis ikke altid eksisteret, men kan være skabt senere: før stjerner dannedes og før CMB blev udsendt, men efter de tidlige stadier af det varme Big Bang.

Strukturen af ​​CMB-toppe ændres afhængigt af, hvad der er i universet, ligesom toppe og. [+] dale til stede i universets magtspektrum og andre store strukturfunktioner.

W. Hu og S. Dodelson, Ann.Rev.Astron.Astrophys.40: 171–216,2002

4.) Er mørkt stof evigt stabilt, eller vil det hele engang henfalde? Dette er en anden situation, hvor alt hvad vi har er begrænsninger. Fra toppe og dale i den kosmiske mikrobølgebaggrunds udsving ved vi, at mørkt stof skal have eksisteret i et 5-til-1-forhold med normal stof tilbage, da universet kun var et par tusinde år gammelt. Fra observationer af storstruktur og galaksecentre ved vi, at forholdet mellem mørkt stof og normalt stof ikke har ændret sig nogen målbar mængde i løbet af de sidste 13,8 milliarder år.

Men mørkt stof kan henfalde på tidsplaner, der er længere end universets alder, og vi ville ikke have nogen måde at vide det endnu. En levetid på et par hundrede milliarder år eller længere ligger stadig på bordet, hvilket betyder, at det er muligt, at mørkt stof i den meget fjerne fremtid, måske endda mens stjernerne stadig brænder, henfalder til normal stof, antimateriale og / eller stråling, trods alt. Indtil vi ved, hvad dets egenskaber er, vil dette forblive et mysterium.

Da ADMX-detektoren fjernes fra magneten, bruges det flydende helium, der bruges til at afkøle eksperimentformerne. [+] damp. ADMX er premiereeksperimentet i verden dedikeret til søgen efter axioner som en potentiel kandidat til mørkt stof, motiveret af en mulig løsning på det stærke CP-problem.

5.) Vil nogen af ​​vores direkte opdagelseseksperimenter nogensinde finde det, eller er dette en frugtløs indsats? Måske er vi ved at finde en eksperimentel anelse om, hvad mørk materie virkelig er. Men måske er måske ikke alt, hvad vi skal gøre, at lægge begrænsninger på de ting, vi ved, hvordan man måler, som begivenhedshastigheder, spredningstværsnit og potentielle partikelegenskaber og koblinger. Vi har ingen måde at vide, om de eksperimenter, vi udfører lige nu, overhovedet er i stand til at afsløre det mørke materiers natur, uanset hvad det er.

Det er muligt, at vi til enhver tid får en meddelelse om en kandidat af mørk stofpartikel fra en række eksperimenter, men det er også muligt, at de måder, hvorpå vi i øjeblikket leder efter mørkt stof, aldrig vil bære frugt. Ikke desto mindre ved vi ikke kun, at mørkt stof eksisterer fra det astrofysiske bevis, men vi har definitivt afsløret en stor mængde information om, hvad det er, hvordan det opfører sig, og hvad det ikke kan være. I søgen efter at forstå vores univers skiller én ting sig ud over alle andre: vi skal være intellektuelt omhyggelige og ærlige om, hvad vi ved, hvad vi ikke gør, og hvad der forbliver usikkert.


Tager temperaturen på mørkt stof

/> Dette billede fra Hubble Space Telescope viser linse af fjerne galakser ved tyngdekraften. UC Davis-astronomer bruger dette fænomen til at lære mere om egenskaberne ved mørkt stof.

Varm, kold, lige rigtigt? Fysikere ved University of California, Davis, tager temperaturen på mørkt stof, det mystiske stof, der udgør omkring en fjerdedel af vores univers.

Vi har meget lidt idé om, hvad mørkt stof er, og fysikere har endnu ikke fundet en mørk stofpartikel. Men vi ved, at tyngdekraften af ​​klumper af mørkt stof kan fordreje lys fra fjerne objekter. Chris Fassnacht, en fysikprofessor ved UC Davis, og kolleger bruger denne forvrængning, kaldet gravitationslinser, for at lære mere om egenskaberne ved mørkt stof.

Standardmodellen for mørkt stof er, at det er ”koldt”, hvilket betyder, at partiklerne bevæger sig langsomt sammenlignet med lysets hastighed, sagde Fassnacht. Dette er også bundet til massen af ​​mørke stofpartikler. Jo lavere massen af ​​partiklen er, jo “varmere” er den, og jo hurtigere bevæger den sig.

Modellen af ​​koldt (mere massivt) mørkt stof holder på meget store skalaer, sagde Fassnacht, men fungerer ikke så godt på skalaen fra de enkelte galakser. Det har ført til andre modeller, herunder "varm" mørk stof med lettere, hurtigere bevægende partikler. "Varmt" mørkt stof med partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, er blevet udelukket af observationer.

En grænse for massen af ​​mørkt stof

Tidligere UC Davis kandidatstuderende Jen-Wei Hsueh, Fassnacht og kolleger brugte gravitationslinser for at sætte en grænse for varmen og dermed massen af ​​mørkt stof. De målte lysstyrken på syv kvasarer, der var fjernet med tyngdekraft, for at se efter ændringer forårsaget af yderligere mellemliggende blob af mørkt stof og brugte disse resultater til at måle størrelsen på disse linser med mørkt stof.

Hvis mørke stofpartikler er lettere, varmere og hurtigere bevæger sig, vil de ikke danne strukturer under en bestemt størrelse, sagde Fassnacht.

”Under en vis størrelse ville de bare blive smurt ud,” sagde han.

Resultaterne satte en nedre grænse for massen af ​​en potentiel mørk stofpartikel uden at udelukke koldt mørkt stof, sagde han. Holdets resultater repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til en tidligere analyse fra 2002 og kan sammenlignes med de seneste resultater fra et hold på UCLA.

Fassnacht håber at fortsætte med at tilføje objekter med linse til undersøgelsen for at forbedre den statistiske nøjagtighed.

”Vi er nødt til at se på omkring 50 objekter for at få en god begrænsning for, hvor varmt mørkt stof kan være,” sagde han.


Mørkt stof bremser Mælkevejens centrifugering

Link kopieret

Mørkt stof: NASA beskriver resultaterne af Hubble Telescope-undersøgelsen

Når du abonnerer, bruger vi de oplysninger, du giver, til at sende dig disse nyhedsbreve. Nogle gange inkluderer de anbefalinger til andre relaterede nyhedsbreve eller tjenester, vi tilbyder. Vores fortrolighedsmeddelelse forklarer mere om, hvordan vi bruger dine data, og dine rettigheder. Du kan til enhver tid afmelde dig.

I mere end 30 år har forskere teoretiseret, at Mælkevejens galaktiske bjælke bremser. Nu har forskere fra University of Oxford og UCL endelig beviset.

Relaterede artikler

Den galaktiske bjælke er centrum for Mælkevejen, hvor der er milliarder af stjerner.

I den nye undersøgelse brugte forskerne Den Europæiske Rumagenturs (ESAs) Gaia-teleskop til at observere en stor gruppe stjerner kendt som Hercules-strømmen, der roterer rundt om mælkevejens kerne med samme hastighed som den galaktiske bjælke.

Hvis barens hastighed sænkes, bevæger stjernerne sig længere ud.

Stjernerne fanges tyngdekraften af ​​den roterende bjælke, ligesom hvordan asteroider i asteroidebæltet følger Jupiters bane.

Mørkt stof bremser mælkevejen, og den fantastiske indsigt afslører (Billede: GETTY)

Mælkevejen er langsommere (Billede: GETTY)

Eksperterne fandt ud af, at stjernerne bærer et "kemisk fingeraftryk", ifølge forskningen offentliggjort i Royal Astronomical Society's Monthly Notices.

Dette element kommer i form af tungere metaller, hvilket viser, at stjernerne er rejst væk fra det galaktiske centrum - hvor stjerner og gas har rigere grundstoffer.

Ved hjælp af dataene kunne holdet vise, at den galaktiske bjælke er bremset med mindst 24 procent, siden den blev dannet - omkring 13 milliarder år siden.

Ifølge holdet giver dette et godt indblik i karakteren af ​​mørkt stof, der fungerer som en modvægt mod spin.

Mørkt stof er en mystisk enhed (Billede: GETTY)

Relaterede artikler

Medforfatter Dr. Ralph Schoenrich fra UCL Physics & amp Astronomy sagde: "Astrofysikere har længe mistanke om, at den roterende bjælke i midten af ​​vores galakse er langsommere, men vi har fundet de første beviser for, at dette sker.

"Modvægten, der bremser dette spin, skal være mørkt stof.

”Indtil nu har vi kun været i stand til at udlede mørkt stof ved at kortlægge galaksernes tyngdepotentiale og trække bidraget fra synligt stof.

"Vores forskning tilvejebringer en ny type måling af mørkt stof og mdashnot af dens tyngdekraftenergi, men af ​​dens inertimasse (det dynamiske respons), hvilket bremser bjælkens spin."

Medforfatter og ph.d.-studerende Rimpei Chiba fra University of Oxford sagde: "Vores fund giver et fascinerende perspektiv til at begrænse mørke materiers natur, da forskellige modeller vil ændre dette inerti-træk på den galaktiske bjælke.

Hubble-teleskop (Billede: EXPRESS)

Trending

"Vores fund udgør også et stort problem for alternative tyngdekraftsteorier og mdashas, ​​de mangler mørkt stof i glorie, de forudsiger ingen eller signifikant for lidt opbremsning af baren."

På trods af ikke at vide hvad nøjagtigt mørkt stof er, ved eksperter, at det er vigtigt for universet.

Sådanne som NASA mener, at mørkt stof er en usynlig kraft, der holder galakser og klynger sammen og har været nøglen til dannelsen af ​​universet.

Stoffet tilføjer også masse til galaksen, men en masse, som ikke kan ses eller detekteres med videnskabelige instrumenter.

Cirka 27 procent af universet er mørkt stof, men hvad det er forbliver et undvigende mysterium.


Er Dark Matter i bevægelse? - Astronomi

Jeg har hørt om noget kaldet HDM, som er en teori til forklaring af mørkt stof, der ikke længere er så populært som det plejede at være. Hvad er HDM?

To teorier til forklaring af sammensætningen af ​​mørkt stof er Hot Dark Matter theory (HDM) og Cold Dark Matter theory (CDM). Hovedforskellen mellem de to teorier er kandidatpartiklernes hastighed. Som du måske har gættet, bevæger HDM-partikler sig hurtigt (og er således "varme"), mens CDM-partikler bevæger sig langsomt. Neutrinoer er den vigtigste HDM-kandidat til mørkt stof, da de interagerer meget svagt og findes i så stort antal i universet.

Hovedproblemet med HDM-teori er, at de høje hastigheder af partiklerne (dvs. neutrinoer) i det tidlige univers ikke kunne have tilladt svingninger i lille densitet at klumpe sammen for at skabe de store udsving, vi ser nu. Vi tror, ​​at stof (eller med andre ord galakser) er fordelt i hele universet, som det nu skyldes væksten af ​​små indledende udsving. Da neutrinoer ville have bevæget sig så hurtigt, at disse små indledende udsving ville være blevet udjævnet, kan HDM-teori ikke tage højde for fordelingen af ​​galakser i universet. Den lille skala af denne indledende sammenklumpning, der er umulig for neutrinoer at opretholde, understøttes af COBE-observationer.

Når HDM nu diskuteres, er det normalt i kombination med CDM (kombinationen kaldes MDM eller "blandet mørkt stof"). HDM menes at være begrænset til højst et par procent af mørkt stof, hvis mængden endda kan måles.

Denne side blev sidst opdateret 27. juni 2015.

Om forfatteren

Sabrina Stierwalt

Sabrina var kandidatstuderende ved Cornell indtil 2009, da hun flyttede til Los Angeles for at blive forsker ved Caltech. Hun studerer nu galakse-fusioner ved University of Virginia og National Radio Astronomy Observatory i Charlottesville. Du kan også finde hende, der besvarer videnskabelige spørgsmål i hendes ugentlige podcast som Everyday Einstein.


Skabernes dybe mysterier

Så hvad er mørkt stof? Jeg har ikke en anelse. Hvis jeg gjorde det, ville jeg have en nobelpris, ville jeg ikke nu? Jo mere vi lærer om skabelse, det virker jo mindre vi ved det. Mørkt stof er kun et af universets mysterier, vi skal finde ud af. Og der er ingen grund til, at en kreationist måske ikke afdækker svaret og starter med Guds ord som deres fundament.

Sådanne mysterier om den fysiske verden skulle få os til at indse, hvor dybt Guds mysterier går. Vi får al evighed til at undersøge og løbende opdage mere om Guds egenskaber. For øjeblikket kigger vores forsøg på at lære mere om hans ære ved at studere hans skabelse bare mørkt gennem et teleskopglas, et svagt billede af den majestæt, der ligger foran Guds folk.


Mørkt stofs underlige kunne forklares med en ny, endnu uset grundlæggende kraft

By Nicole Karlis
Published June 4, 2021 6:27PM (EDT)

Black Hole (Getty Images)

Shares

Dark matter makes up 27 percent of the universe's total mass and energy — nearly five times more than "normal" matter that comprises planets and stars. True to its name, dark matter is hard to directly observe yet astronomers are certain it exists because of the huge gravitational effect it has on galaxies and the stars that live within them.

So far, none of the efforts to figure out the nature of the particles that constitute dark matter have borne fruit. That's because as far as anyone can tell, dark matter is extremely non-interacting: just as humans walk through a still room barely noticing the atmosphere that surrounds us, dark matter seems to barely ever touch, even faintly, the normal matter that it hovers around. It is bound to our world by gravity only, and only tugs on other things that also possess gravity.

Modern dark matter detectors — which, technically, haven't definitively detected anything yet — operate on the principle that dark matter should, if one waits around long enough, eventually touch a piece of normal matter in such a way that we could briefly sense its ghostly signature. Yet such experiments continue to turn up empty, despite instrumentation growing increasingly sensitive.

That has led physicists to start asking other questions about dark matter. Is there something fundamental missing about our theories about how to interact with it? Or could it have properties different than we theorized?

Now, a new paper proposes a completely new theory that would explain so much of dark matter's weirdness. What if dark matter var interacting with itself in ways besides gravitationally — yet via a fifth fundamental force, one as-yet-unknown?

According to the Standard Model of Particle Physics, the gold standard theory of forces and particles, there are four known forces in the universe. Two of them are quotidian and easily visible: gravity and the electromagnetic force. One of them, the strong force, binds atomic nuclei together the last, the weak force, is implicated in certain types of radioactive decay.

Yet a new research paper in the Journal of High Energy Physics suggests that dark matter could be explained by a proposed fifth fundamental force.

Want more health and science stories in your inbox? Subscribe to Salon's weekly newsletter The Vulgar Scientist.

"We live in an ocean of dark matter, yet we know very little about what it could be," said Flip Tanedo, an assistant professor of physics and astronomy and the senior author of the paper. "It is one of the most vexing known unknowns in nature. We know it exists, but we do not know how to look for it or why it hasn't shown up where we expected it."

The theory goes more or less like this: Much of the dark matter in the universe doesn't behave like the particles we know and study. Perhaps these "invisible" particles interact with other, equally invisible particles in a way that causes them to stop acting like particles — hence, the difficulty observing them.

Notably, dark matter does seem to interact with itself — in ways besides gravitationally, and especially at close range. No one is sure how. This new theory could help explain that.

Of course, that question leads to another question: what are these invisible particles that dark matter is interacting with?

"The goal of my research program for the past two years is to extend the idea of dark matter 'talking' to dark forces," Tanedo said. "Over the past decade, physicists have come to appreciate that, in addition to dark matter, hidden dark forces may govern dark matter's interactions. These could completely rewrite the rules for how one ought to look for dark matter."

Tanedo is proposing that these dark forces — potentially a so-called fifth force — operate when two dark matter particles are attracting or repelling each other. But there's more to it than that, including a potential fourth dimension at play, too.

"Our ongoing research program at UCR [University of California, Riverside] is a further generalization of the dark force proposal," he said. "Our observed universe has three dimensions of space. We propose that there may be a fourth dimension that only the dark forces know about. The extra dimension can explain why dark matter has hidden so well from our attempts to study it in a lab."

In the world as we know it, length, width and depth constitute the three spatial dimensions. Time is often considered a dimension too, although it cannot be traversed in the same way. Many physics theories postulate that there are more dimensions that exist that aren't directly accessible famously, string theory requires the existence of many additional dimensions, albeit they would be "small" dimensions that particles wiggle in and out of, not traversable ones like the three that humans know and love.

"Since these conformal field theories were both intractable and unusual, they hadn't really been systematically applied to dark matter," Tanedo added. "Instead of using that language, we work with the holographic extra-dimensional theory."

Tanedo argues that mathematical tricks, that don't mimic the behavior of visible particles, could help researchers better understand what's going on with dark matter. Hence, in Tanedo's theory, the intensity of the hypothetical "dark" force would have an unusual relationship to distance. Both magnetism and gravity decrease exponentially as objects with those properties move together or apart whereas the the force between dark matter particles would vary in a different way.

"For the gravitational force or electric force, when you double the distance between two particles you reduce the force by a factor of four," Tanedo said. "A continuum force, on the other hand, is reduced by a factor of up to eight." The dark force would constitute a continuum force, Tanedo says.

So, what is the feasibility of dark matter involving a fifth fundamental force?

"There are hints that dwarf galaxies have cores rather than cusps of dark matter — as would be the case if the dark matter particles were not interacting with each other (the premise of the standard cosmological model)," said Avi Loeb, the former chair of astronomy at Harvard University, in an email. "One way to get the needed cores is by allowing the dark matter particles to scatter off each other (but not off ordinary matter) with a relatively large cross-section, similar to that of the one of light with free electrons and protons."

Loeb added that this specific research paper in question suggests a novel origin for dark matter interactions which "stems from a sector of mediating particles hidden in extra dimensions."

"The interaction between dark matter particles depends on their separation in a way that is different from previous models in the standard three dimensional space," Loeb said. "This innovative model can be tested with better astrophysical data."

As Tanedo and his team further their research, identifying blind spots is a priority.

"My research program targets one of the assumptions we make about particle physics: that the interaction of particles is well-described by the exchange of more particles," he said. "While that is true for ordinary matter, there's no reason to assume that for dark matter. Their interactions could be described by a continuum of exchanged particles rather than just exchanging a single type of force particle."


Dark matter map reveals hidden bridges between galaxies

A new map of dark matter in the local universe reveals several previously undiscovered filamentary structures connecting galaxies. The map, developed using machine learning by an international team including a Penn State astrophysicist, could enable studies about the nature of dark matter as well as about the history and future of our local universe.

Dark matter is an elusive substance that makes up 80% of the universe. It also provides the skeleton for what cosmologists call the cosmic web, the large-scale structure of the universe that, due to its gravitational influence, dictates the motion of galaxies and other cosmic material. However, the distribution of local dark matter is currently unknown because it cannot be measured directly. Researchers must instead infer its distribution based on its gravitational influence on other objects in the universe, like galaxies.

"Ironically, it's easier to study the distribution of dark matter much further away because it reflects the very distant past, which is much less complex," said Donghui Jeong, associate professor of astronomy and astrophysics at Penn State and a corresponding author of the study. "Over time, as the large-scale structure of the universe has grown, the complexity of the universe has increased, so it is inherently harder to make measurements about dark matter locally."

Previous attempts to map the cosmic web started with a model of the early universe and then simulated the evolution of the model over billions of years. However, this method is computationally intensive and so far has not been able to produce results detailed enough to see the local universe. In the new study, the researchers took a completely different approach, using machine learning to build a model that uses information about the distribution and motion of galaxies to predict the distribution of dark matter.

The researchers built and trained their model using a large set of galaxy simulations, called Illustris-TNG, which includes galaxies, gasses, other visible matter, as well as dark matter. The team specifically selected simulated galaxies comparable to those in the Milky Way and ultimately identified which properties of galaxies are needed to predict the dark matter distribution.

"When given certain information, the model can essentially fill in the gaps based on what it has looked at before," said Jeong. "The map from our models doesn't perfectly fit the simulation data, but we can still reconstruct very detailed structures. We found that including the motion of galaxies -- their radial peculiar velocities -- in addition to their distribution drastically enhanced the quality of the map and allowed us to see these details."

The research team then applied their model to real data from the local universe from the Cosmicflow-3 galaxy catalog. The catalog contains comprehensive data about the distribution and movement of more than 17 thousand galaxies in the vicinity of the Milky Way -- within 200 megaparsecs. The resulting map of the local cosmic web is published in a paper appearing online May 26 in the Astrofysisk tidsskrift.

The map successively reproduced known prominent structures in the local universe, including the "local sheet" -- a region of space containing the Milky Way, nearby galaxies in the "local group," and galaxies in the Virgo cluster -- and the "local void" -- a relatively empty region of space next to the local group. Additionally, it identified several new structures that require further investigation, including smaller filamentary structures that connect galaxies.

"Having a local map of the cosmic web opens up a new chapter of cosmological study," said Jeong. "We can study how the distribution of dark matter relates to other emission data, which will help us understand the nature of dark matter. And we can study these filamentary structures directly, these hidden bridges between galaxies."

For example, it has been suggested that the Milky Way and Andromeda galaxies may be slowly moving toward each other, but whether they may collide in many billions of years remains unclear. Studying the dark matter filaments connecting the two galaxies could provide important insights into their future.

"Because dark matter dominates the dynamics of the universe, it basically determines our fate," said Jeong. "So we can ask a computer to evolve the map for billions of years to see what will happen in the local universe. And we can evolve the model back in time to understand the history of our cosmic neighborhood."

The researchers believe they can improve the accuracy of their map by adding more galaxies. Planned astronomical surveys, for example using the James Web Space Telescope, could allow them to add faint or small galaxies that have yet to be observed and galaxies that are further away.

In addition to Jeong, the research team includes Sungwook Hong at the University of Seoul/Korea Astronomy and Space Science Institute in Korea, Ho Seong Hwang at the Seoul National University in Korea, and Juhan Kim at the Korea Institute for Advanced Study.


Fishing for Data

Recently, a team of scientists decided to look for theoretical candidates for dark matter. They didn’t even need to rent a telescope. Instead, they went fishing in a pile of existing data.

X-ray data can be detected by large telescopes equipped with spectrometers the team borrowed the spectroscopic data from several telescopes’ observations of 73 galaxy clusters. Each cluster, remember, contains dozens of galaxies, each galaxy contains hundreds of billions of stars.

Then they “stacked’’ the spectra, using well-known atomic emission peaks to align the data at different redshifts. This had the effect of amplifying any real signals and diminishing random noise.

They were looking for a theoretical particle called the sterile neutrino. Expecting to find it in a narrow band between 2 and 10 keV, they discovered a small blip in the data at about 3.56 keV (another team found it at 3.52 keV).

The line was extremely faint and almost impossible to see when glancing at the full spectrum dominated by strong, well-known emission peaks. It would be lost in the noise if you analyzed any one spectra with the human eye. But taking all the data together, the blip emerged.

The blip was most interesting because there was no known corresponding atomic line.

The authors of the study were excited. Perhaps they had finally found the signature of dark matter. After all, good chance that whatever was making the line was happening everywhere in the universe. This remains a strong piece of evidence in favor of the theory.

Mills, however, had his own interpretation.

Mills calculated that a collision between an H atom and an H(1/4) hydrino — which is the most preferred hydrino seen in experiments — could undergo catalysis to generate a H(1/17) hydrino with the emission of a band of continuum radiation with a cutoff at 3.48 keV.

It remains to be seen whether Mills’s team can reproduce the H(1/4) to H(1/17) transition experimentally. If they can, they may be able to convince the astrophysics community that dark matter is not an exotic new particle, but rather more of the mundane stuff from which the luminous universe is made.

Brett Holverstott is author of the book Randell Mills and the Search for Hydrino Energy. This is the first in a series of articles on Mills that adapt content from the book.


Se videoen: TEMNÁ HMOTA A TEMNÁ ENERGIA - najväčšie hádanky fyziky (November 2022).