V nové éře rozsáhlého výzkumu temné hmoty vychází kontroverzní myšlenka její koncentrace v tenkých discích z vědeckého zabudnutí
V roce 1932 holandský astronom Jan Oort počítal hvězdy v Mléčné dráze a zjistil, že zmizely. Na základě skutečnosti, že hvězdy, pohybující se v kruhu v rovině galaxie, skákají nahoru a dolů jako koně na karuselu, Oort spočítal, že hmota, která na ně působí gravitačním účinkem a uvádí je do pohybu, by měla být dvakrát větší, než viděl … Oort usoudil, že nedostatek je nahrazen skrytou „temnou hmotou“, a navrhl, že je soustředěn v disku, což vysvětluje pohyb hvězd.
Objev temné hmoty, jak se nazývá neviditelná a neurčitá hmota, která tvoří pět šestin hmotnosti vesmíru, se však obvykle připisuje švýcarsko-americkému astronomovi Fritzovi Zwickymu, který v roce 1933 odvozoval svou existenci ze vzájemných pohybů galaxií. Oort nebyl dobře známý z toho důvodu, že byl na špatné trati. Do roku 2000 autoři nových studií Mléčné dráhy pomocí Oortovy metody určili, že „chybějící“hmota byla obsažena ve slabých hvězdách, plynu a prachu a že potřeba tmavého disku již nebyla nutná. Rady před 80 lety naznačují, že temná hmota, ať už je cokoli, vytváří kolem galaxií sférické mraky, které se nazývají halos.
Přinejmenším to říká většina lovců temné hmoty. Přestože koncept temného disku ztratil svou popularitu, nikdy nebyl zcela opuštěn. Více nedávno, tento nápad našel velký fanoušek Lisy Randall, profesor fyziky na Harvardově univerzitě, který vytáhl teorii disků z vědeckého zapomnění a tlačil ji do středu galaktické scény.
Poté, co Randall a jeho kolegové navrhli svůj model v roce 2013, tvrdili, že temný disk dokáže vysvětlit gama paprsky vycházející z galaktického centra, ploché rozložení trpasličích galaxií na oběžné dráze kolem mlhoviny Andromeda a Mléčná dráha, a dokonce i pravidelné poklesy komet a hromadné vymírání. druh na Zemi. O tom napsala ve své populární vědecké knize Dark Matter and the Dinosaurs, která byla vydána v roce 2015.
Astrofyzici, kteří inventarizovali Mléčnou dráhu, však protestovali a tvrdili, že celková hmotnost galaxie a skoky jejích hvězd se příliš dobře shodují a nezůstává žádný prostor pro tmavý disk. "Je to mnohem těsnější, než si myslí Lisa Randall," říká astrofyzik Jo Torov z University of Toronto.
Nyní Randall, který vyvinul řadu velkých myšlenek o kritických otázkách základní fyziky, se vrací. V příspěvku zveřejněném minulý týden online a přijatém k publikaci v The Astrophysical Journal, Randall a její student Eric Kramer našli ve své analýze Mléčné dráhy mezeru ve tvaru disku: „Stále existuje důležitý detail, který máme dosud nevěnovali pozornost, píšou. "Disk může vytvořit prostor pro sebe."
Pokud temný disk projde „střední rovinou“galaxie, argumentují Randall a Kramer, pak gravitace zatáhne zbytek hmoty dovnitř, což povede ke zvýšení hustoty hvězd, plynu a prachu ve střední rovině. Vědci obvykle počítají celkovou zdánlivou hmotnost Mléčné dráhy extrapolací směrem ven na základě hustoty střední roviny. Pokud dojde k omezujícímu účinku, povede tato extrapolace k přehánění zdánlivé hmoty a pak bude pocit, že hmota odpovídá pohybu hvězd. Z tohoto důvodu autoři předchozích studií neviděli důkazy o tmavém disku, říká Kramer. Společně s Randallem věří, že je možný tenký tmavý disk a že jeho přítomnost je v některých ohledech výhodnější než jeho nepřítomnost.
Propagační video:
„Lisova práce oživila toto podnikání,“říká Chris Flynn z Swinburne University of Technology v australském Melbourne. On, spolu s Johanem Holmbergem (Johan Holmberg) na začátku roku 2000, provedl několik „inventářů“Mléčné dráhy, které, jak se zdálo, zcela zničily všechny možnosti existence temného disku.
Bowie nesouhlasí. I když vezmeme v úvahu omezující účinek, podle jeho odhadu nemůže být na tmavém disku více než 2% z celkového množství tmavé hmoty, zatímco zbytek hmoty by měl tvořit halo. "Myslím, že většina lidí chce zjistit, co je 98% temné hmoty, ne 2%," říká.
Tato debata, stejně jako osud temného disku, může být brzy vyřešena. Satelit Gaia Evropské kosmické agentury v současnosti teleskopuje polohy a rychlosti miliard hvězd a konečný registr Mléčné dráhy by mohl být dokončen do konce příštího léta.
Skupina mladých galaxií Abell 2151 v souhvězdí Herkules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitized Sky Survey 2
Otevření tmavého disku jakékoli velikosti by bylo velmi odhalující. Pokud existuje, temná hmota se ukáže být mnohem složitější, než vědci dlouho věřili. Hmota se shromažďuje do tvaru disku pouze tehdy, má-li schopnost emitovat energii a nejlepší způsob, jak emitovat dostatek energie, je tvořit atomy. Existence temných atomů by znamenala, že temné protony a temné elektrony, nabité jako viditelné protony a elektrony, spolu interagují skrze temnou sílu přenášenou temnými fotony. I když je 98% temné hmoty inertní a tvoří halo, existence nejtenčího temného disku by znamenala přítomnost „temného sektoru“neznámých částic, tak rozmanitých jako viditelný vesmír.
Obyčejná záležitost je docela složitá; v atomech hraje roli atomová látka a nehraje roli, říká astrofyzik z University of California, Irvine, James Bullock. „Proto by nebylo šílené představit si, že dalších pět šestin hmoty ve vesmíru je také docela složitých a že existuje určitá část tohoto temného sektoru, která existuje ve formě vázaných atomů.“
Koncept složitosti temné hmoty v poslední době našel stále více příznivců, které pomáhají astrofyzikální anomálie, které se ve skutečnosti nehodí k myšlence temné hmoty jako pasivní, pomalé a „slabě interagující masivní částice“. Tyto anomálie, jakož i skutečnost, že v průběhu podrobných experimentů v různých zemích světa nebyly nikdy detekovány takové silně slabě interagující částice (WIMP), oslabily tuto teorii a označily začátek nové éry, ve které může kdokoli spekulovat, že je pro takovou bestii - temnou hmotu.
Tato éra přišla někdy v roce 2008, kdy účastníci experimentu PAMELA objevili nadbytek pozitronů pocházejících z vesmíru (ve srovnání s elektrony). Tato asymetrie vyvolala zájem o nyní populární model „asymetrické temné hmoty“, který navrhla Kathryn Zurek a její kolegové. V té době bylo v oběhu jen málo nápadů, jiných než koncept wimpů. "Byli tu modeláři jako já, kteří chápali, že myšlenka temné hmoty byla tímto směrem úplně nevyvinutá," říká Tsurek, který nyní pracuje v Národní laboratoři. Lawrence Berkeley v Kalifornii. "Takže jsme se ponořili do této práce."
Hustota trpasličích galaxií byla dalším stimulem. Když se vědci pokoušejí simulovat jejich vznik, trpasličí galaxie bývají ve svých centrech příliš husté, ledaže by vědci předpokládali, že částice temné hmoty mohou vzájemně působit pomocí temných sil. Pokud ale přidáme příliš silnou interakci, zničíme modely formování struktury v časném vesmíru.
"Snažíme se přijít na to, co lze tolerovat," říká Bullock, který tyto modely také navrhuje. Většina modelářů umožňuje slabé interakce, které neovlivňují tvar halo hmoty temné hmoty. "Ale pozoruhodné je, že existuje třída temné hmoty, která umožňuje vytváření disků," říká Bullock. V tomto případě bude interagovat pouze nepatrná částice částic temné hmoty, ale budou interagovat dostatečně silně, aby rozptýlily energii a vytvořily disky.
Randall a její kolegové JiJi Fan, Andrey Katz a Matthew Reece v roce 2013 přišli s touto myšlenkou stejným způsobem jako Oort. Pokusili se vysvětlit zjevnou anomálii Mléčné dráhy. Takzvaná Fermiho linie je přebytek gama paprsků o určité frekvenci vycházející z galaktického centra. „Obyčejná temná hmota nemohla zničit dost na to, aby vytvořila linii Fermi," říká Randall, "a tak jsme si mysleli, co když je to mnohem hustší?" Takže temný disk dostal druhý život. Linie Fermi zmizela, když se objevila další data, ale nápad na disk stálo za to prozkoumat. V roce 2014 Randall a Rees navrhli, že právě kvůli disku existují intervaly 30–35 milionů let mezi rostoucí aktivitou komet a meteorů.které někteří vědci spojují s periodickými masovými zániky. Pokaždé, když se sluneční soustava odrazí nahoru nebo dolů na Mléčné dráze, tvrdí, gravitační účinek disku může destabilizovat asteroidy a komety v Oortově oblaku, skládku odpadu na okraji naší sluneční soustavy pojmenovanou po astronomovi z Holandska. Tyto objekty létají směrem k vnitřní části sluneční soustavy a některé spadají na Zemi.
Randall a její tým však provedli jen zběžný kurz, a jak se ukázalo, nesprávná analýza toho, kolik místa v celkové hmotnosti Mléčné dráhy zůstává pro temný disk, jak bylo posouzeno pohybem hvězd. "Udělali několik pobuřujících prohlášení," řekl Bovey.
Randall, známá mezi svými vrstevníky pro svou houževnatost (podle Reese), přivedla Kramera do případu, aby reagoval na kritiku a „vyžehlil všechny vrásky“v analýze, než se Gaiaina data stala dostupnou. Nová analýza ukázala, že jakmile existuje temný disk, nemůže být tak hustý, jak původně věřil její tým. Ale byl tu prostor pro tenký tmavý disk, kvůli jeho omezujícímu účinku a další nejistotě způsobené čistým driftováním hvězd v Mléčné dráze.
Chris McKee a jeho kolegové z University of California v Berkeley identifikovali nový problém, o kterém psali v The Astrophysical Journal. McKee si myslí, že tenký, tmavý disk by stále mohl vtlačit do velkokapacitního úložiště Mléčné dráhy. Tento disk však může být tak tenký, že se jednoduše zhroutí. McKee a jeho kolegové citují výzkum ze 60. a 70. let a píší, že disky nemohou být mnohem tenčí než disk viditelného plynu v Mléčné dráze, protože by se zhroutily. "Možná, že temná hmota má vlastnosti, které se liší od vlastností obyčejné hmoty, a tomu zabránit, ale nevím, co by to mohlo být," - řekl McKee.
Randall ještě musí odrazit tento nejnovější útok a nazývá ho „choulostivou otázkou, která se právě studuje.“Souhlasila také s názorem Bowieho, že disk nabitých temných atomů je zanedbatelný ve srovnání s povahou 98% temné hmoty. Nyní zkoumá možnost, že veškerou temnou hmotu lze nabít jedinou temnou silou, ale z důvodu přebytku temných protonů nad temnými elektrony je na atomy vázána pouze malá frakce a je přenesena na disk. V tomto případě musí být disk a halo tvořeny stejnými prvky, „které by byly hospodárnější,“říká. "Mysleli jsme si, že to lze vyloučit, ale nefungovalo to."
Temný disk dosud žije - jako symbol všeho, co je o temné straně vesmíru neznámo. "Myslím, že v této oblasti je velmi užitečné, že různí lidé se dívají na různé myšlenky," říká Bullock. "Protože nemáme tušení, co to je - temná hmota, a musíme být připraveni na celou řadu možností."