Většina vesmíru sestává z „hmoty“, kterou nelze vidět, možná nehmotnou, a interaguje s jinými věcmi pouze gravitační silou. Ach ano, a fyzici nevědí, o co jde, nebo proč je toho ve vesmíru tolik - asi čtyři pětiny jeho hmotnosti.
Vědci to nazývají temnou hmotou.
Takže kde je tato záhadná záležitost, která tvoří tak obrovskou část našeho vesmíru, a kdy ji vědci objeví?
Jak víme, že tato záležitost existuje
Hypotézu temné hmoty poprvé předložil švýcarský astronom Fritz Zwicky ve 30. letech, kdy si uvědomil, že jeho měření hmot galaktických shluků ukázala, že část vesmíru „chybí“. Ať už je galaxie těžší, nevyzařuje žádné světlo ani interaguje s ničím jiným než prostřednictvím gravitace.
Astronom Vera Rubin v 70. letech 20. století zjistil, že rotace galaxií není v souladu s Newtonovým zákonem pohybu; Zdálo se, že hvězdy v galaxiích (zejména Andromeda) rotují kolem středu stejnou rychlostí, ale hvězdy od hvězdy se pohybují pomaleji. Jako by něco přidávalo hmotu vnější části galaxie, kterou nikdo nemohl vidět.
Zbytek důkazů pochází z gravitačních čoček, ke kterým dochází, když gravitace velkého objektu ohýbá světelné vlny kolem objektu. Podle teorie Alberta Einsteina o obecné relativitě gravitační ohyb prostoru (jako zápasník sumo může deformovat podložku, na které stojí), takže paprsky světla se ohýbají kolem velkých objektů, i když samotné světlo je bezhmotné. Pozorování ukázala, že není dostatek viditelné hmoty k ohýbání světla, jako tomu bylo u jednotlivých shluků galaxií - jinými slovy, galaxie byly masivnější, než by měly být.
Propagační video:
Pak je zde relikvální záření (CMB), „ozvěna“Velkého třesku a supernovy. "CMB nám říká, že vesmír je prostorově plochý," řekl Jason Kumar, profesor fyziky na Havajské univerzitě. „Prostorově plochý“znamená, že pokud nakreslíte dvě čáry vesmírem, nikdy se neprotínají, i když byly tyto čáry přes miliardu světelných let. V strmě zakřiveném vesmíru se tyto linie setkají v určitém okamžiku ve vesmíru.
Mezi kosmology a astronomy je nyní malá diskuse o tom, zda existuje temná hmota. Neovlivňuje světlo a není nabitá jako elektrony nebo protony. Až dosud se vyhnula přímé detekci.
"To je záhada," řekl Kumar. Vědci se mohou pokusit „vidět“temnou hmotu - buď prostřednictvím interakce s běžnou hmotou, nebo hledáním částic, které by mohly být temnou hmotou.
Co temná hmota není
Mnoho teorií přišlo a odešlo, co je temná hmota. Jedna z prvních byla dostatečně logická: otázka byla skryta v masivních astrofyzikálních kompaktních halo objektech (MACHO), jako jsou neutronové hvězdy, černé díry, hnědé trpaslíci a nepoctiví planety. Nevyzařují světlo (nebo jen velmi málo), takže jsou pro teleskopy prakticky neviditelné.
Prozkoumání galaxií hledajících malá zkreslení ve hvězdném světle, které způsobuje MACHO kolem - nazývané microlensing -, však nedokázalo vysvětlit množství temné hmoty kolem galaxií nebo dokonce mnoho z nich. "Zdá se, že MACHO jsou stejně vyloučení jako vždy," řekl Dan Hooper, docent ve výzkumné laboratoři Fermi National Accelerator Laboratory v Illinois.
Temná hmota se nejeví jako oblak plynu, který nelze vidět dalekohledy. Difuzní plyn pohlcuje světlo z galaxií, které jsou dále od sebe, a na vrcholu tohoto normálního plynu bude znovu emitovat záření při delších vlnových délkách - na obloze bude obrovská emise infračerveného světla. Protože se tak nestane, můžeme to vyloučit.
Co by to mohlo být
Slabé interakce masivních částic (WIMP) jsou jedny z nejsilnějších uchazečů o vysvětlení temné hmoty. Wimpy jsou těžké částice - asi 10 až 100krát těžší než proton, které byly vytvořeny během Velkého třesku a dnes zůstávají v malém počtu. Tyto částice interagují s normální hmotou prostřednictvím gravitace a slabých jaderných sil. Masivnější WIMP se budou pohybovat pomaleji vesmírem, a proto mohou být kandidáty na „studenou“temnou hmotu, zatímco lehčí se budou pohybovat rychleji a být kandidáty na „teplou“temnou hmotu.
Jedním ze způsobů, jak je najít, je pomocí „přímé detekce“, jako je experiment Velký podzemní xenon (LUX), který je nádobou na tekutý xenon v dole v Jižní Dakotě.
Dalším způsobem, jak vidět wimpy, může být urychlovač částic. Uvnitř urychlovačů jsou atomová jádra rozbíjena rychlostí blízkou rychlosti světla a při této kolizní energii je přeměněna na jiné částice, některé z nich jsou pro vědu nové. Dosud nebylo v urychlovačích částic nalezeno nic, co by vypadalo jako domnělá temná hmota.
Další možnost: axiony. Tyto subatomické částice by mohly být detekovány nepřímo podle typů záření, které vydávají, jak se ničí nebo jak se rozkládají na jiné typy částic nebo se objevují v urychlovačích částic. Neexistují však ani přímé důkazy o axionech.
Od objevu těžkých, pomalých „studených“částic, jako jsou WIMP nebo axiony, dosud nebylo dosaženo výsledků, někteří vědci hledají možnost lehkých a rychlejších částic, které způsobují „teplou“temnou hmotu. Znovu se objevil zájem o takový model temné hmoty poté, co vědci našli důkaz o neznámé částici pomocí rentgenové observatoře Chandra v klastru Perseus, skupině galaxií asi 250 milionů světelných let od Země. Známé ionty v tomto klastru produkují určité linie rentgenové emise a v roce 2014 vědci viděli novou „linii“, která by mohla odpovídat neznámé světelné částici.
Pokud jsou částice temné hmoty světlé, vědci budou mít problémy s přímou detekcí, řekl Tracy Slater, fyzik z MIT. Navrhla nové typy částic, které mohou tvořit temnou hmotu.
"Tmavá hmota s hmotností pod asi 1 GeV je opravdu těžko detekovatelná pomocí standardních experimentů s přímou detekcí, protože pracují tak, že hledají nevysvětlitelné zpětné rázy atomových jader … ale když je temná hmota mnohem lehčí než atomové jádro, je zpětná energie velmi malá," řekl Tracy. Pokrývač.
Při výzkumu temné hmoty bylo provedeno mnoho výzkumů a pokud současné metody selžou, budou provedeny nové. Použití „kapalného“kapalného helia, polovodičů a dokonce i přerušení chemických vazeb v krystalech jsou některé z nových nápadů pro detekci temné hmoty.