11 самых больших вопросов без ответов о темной материи

11 самых больших вопросов без ответов о темной материи

В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки заметил, что галактики в отдаленном скоплении вращаются вокруг друг друга гораздо быстрее, чем им следовало бы дать количество видимой массы, которую они имели. Он предположил, что невидимая субстанция, которую он назвал темной материей, могла бы гравитационно тянуть эти галактики.

С тех пор исследователи подтвердили, что этот загадочный материал можно найти по всему космосу, и что он в шесть раз больше, чем обычная материя, из которой состоят обычные вещи, такие как звезды и люди. Тем не менее, несмотря на то, что они видят темную материю во всей вселенной, ученые в основном все еще ломают голову над ней. Вот 11 самых больших оставшихся без ответа вопросов о темной материи.

Что такое темная материя?

Во-первых, и, возможно, наиболее озадачивающе, исследователи остаются неуверенными в том, что такое темная материя. Первоначально некоторые ученые предполагали, что недостающая масса во вселенной была составлена ​​из маленьких слабых звезд и черных дыр, хотя подробные наблюдения не позволили подобрать такие объекты, чтобы объяснить влияние темной материи, как считает физик Дон Линкольн из Департамента США. Фермилаб Энергии ранее написал для Живой Науки . В настоящее время ведущим претендентом на мантию темной материи является гипотетическая частица, называемая слабо взаимодействующей массивной частицей, или WIMP, которая будет вести себя как нейтрон, за исключением того, что будет в 10-100 раз тяжелее протона, как писал Линкольн. Тем не менее, эта гипотеза привела только к большему количеству вопросов — например …

Можем ли мы обнаружить темную материю?

Если темная материя сделана из WIMP, они должны быть вокруг нас, невидимы и едва различимы. Так почему же мы еще не нашли? Хотя они не будут сильно взаимодействовать с обычной материей, всегда есть небольшая вероятность того, что частица темной материи может ударить нормальную частицу, такую ​​как протон или электрон, когда она путешествует в пространстве. Итак, исследователи создали эксперимент за экспериментом для изучения огромного количества обычных частиц глубоко под землей, где они защищены от мешающего излучения, которое может имитировать столкновение темной материи с частицами. Проблема? После десятилетий поиска ни один из этих детекторов не сделал заслуживающего доверия открытия. Ранее в этом году китайский эксперимент PandaX сообщил о последнем обнаружении WIMP. Кажется вероятным, что частицы темной материи намного меньше, чем WIMP,рассказал Live Science в то время .

Обычная материя состоит из обычных частиц, таких как протоны и электроны, а также из целого зоопарка из более экзотических частиц, таких как нейтрино, мюоны и пионы. Таким образом, некоторые исследователи задаются вопросом, может ли темная материя, которая составляет 85 процентов вещества во вселенной, быть такой же сложной. «Нет веских оснований полагать, что вся темная материя во Вселенной построена из частиц одного типа», — сказал физик Андрей Кац из Гарвардского университета, Space.com, родственный сайт Live Science . Темные протоны могут объединяться с темными электронами, образуя темные атомы, создавая конфигурации, столь же разнообразные и интересные, как и в видимом мире, сказал Кац. Хотя такие предложения все чаще воображаются в физических лабораториях, до сих пор не удалось найти способ подтвердить или опровергнуть их.Странные кварки и мюоны, о боже! Природы мельчайших частиц Вскрытый ]

Существуют ли темные силы?

Наряду с дополнительными частицами темной материи существует вероятность того, что темная материя испытывает силы, аналогичные тем, которые ощущает обычная материя. Некоторые исследователи искали «темные фотоны», которые походили бы на фотоны, обмениваемые между нормальными частицами, которые вызывают электромагнитную силу, за исключением того, что их чувствовали бы только частицы темной материи. Физики в Италии готовятся разбить пучок электронов и их античастиц, известных как позитроны, в алмаз, как ранее сообщалось в «Живой науке» . Если темные фотоны существуют, электрон-позитронные пары могут аннигилировать и производить одну из странных несущих силу частиц, потенциально открывая совершенно новый сектор Вселенной.

Может ли темная материя быть сделана из аксионов?

По мере того, как физики все больше влюбляются в WIMP, другие частицы темной материи начинают набирать популярность. Одна из главных замен — гипотетическая частица, известная как аксион, которая была бы чрезвычайно легкой, возможно, всего лишь в 10 раз, поднявшись до 31-й степени, менее массивной, чем протон. Аксионы сейчас разыскиваются в нескольких экспериментах. Недавние компьютерные симуляции повысили вероятность того, что эти аксионы могут образовывать звездообразные объекты, которые могут генерировать детектируемое излучение, которое будет очень похоже на таинственные явления, известные как вспышки быстрого радио, как ранее сообщала Live Science .

Астрономы обнаружили темную материю благодаря гравитационному взаимодействию с обычной материей, предполагая, что это ее основной способ заявить о своем присутствии во вселенной. Но, пытаясь понять истинную природу темной материи, исследователи удивительно мало что могут сделать. Согласно некоторым теориям, частицы темной материи должны быть их собственными античастицами, что означает, что две частицы темной материи будут аннигилировать друг с другом, когда встретятся. Эксперимент по альфа-магнитному спектрометру (AMS) на Международной космической станции искал явные признаки этого уничтожения с 2011 года и уже обнаружил сотни тысяч событий. Ученые до сих пор не уверены, происходят ли они из темной материи, и сигнал еще не помог им точно определить, что это за темная материя.

Существует ли темная материя в каждой галактике?

Поскольку темное вещество перевешивает обычную материю, часто говорят, что темная материя является управляющей силой, которая организует большие структуры, такие как галактики и скопления галактик. Итак, было странно, когда в начале этого года астрономы объявили, что нашли галактику с именем NGC 1052-DF2, которая, похоже, почти не содержит темной материи. «Темная материя, по-видимому, не является обязательным условием для формирования галактики», — сказал в то время Питер ван Доккум из Йельского университета . Однако летом отдельная команда опубликовала анализ, согласно которому команда ван Доккума неправильно измерила расстояние до галактики, а это означает, что ее видимая материя была намного тусклее и легче, чем первые находки, и что большая часть ее массы находилась в темной материи, чем ранее предложено.

Что случилось с результатами DAMA / LIBRA?

Давняя загадка в физике элементарных частиц — удивительные результаты европейского эксперимента, известного как DAMA / LIBRA. Этот детектор, расположенный в подземной шахте под горой Гран-Сассо в Италии, искал периодические колебания в частицах темной материи. Это колебание должно возникать, когда Земля движется по своей орбите вокруг Солнца, пролетая сквозь галактический поток темной материи, окружающей нашу солнечную систему, которую иногда называют ветром темной материи. С 1997 года DAMA / LIBRA утверждает, что видит именно этот сигнал , хотя никакой другой эксперимент не видел ничего подобного.

Может ли темная материя иметь электрический заряд?

Сигнал с начала времен заставил некоторых физиков предположить, что темная материя может иметь электрический заряд. Излучение с длиной волны 21 сантиметра испускалось звездами во вселенной Вселенной, всего через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Затем он был поглощен холодным водородом, который был одновременно. Когда это излучение было обнаружено в феврале этого года, его подпись предполагала, что водород был намного холоднее, чем предсказывали ученые. Астрофизик Джулиан Муньос из Гарвардского университета выдвинул гипотезу, что темная материя с электрическим зарядом могла бы отводить тепло от всепроникающего водорода, что-то вроде кубиков льда, плавающих в лимонаде, как он сказал в то время «Живой науке» . Но гипотеза еще не подтверждена.

Могут ли обычные частицы разлагаться в темную материю?

Нейтроны — это частицы регулярного вещества с ограниченным временем жизни. Примерно через 14,5 минут одиночный нейтрон, не пришвартованный из атома, распадется на протон, электрон и нейтрино. Но две разные экспериментальные установки дают немного разные времена жизни для этого распада, с расхождением между ними около 9 секунд, согласно экспериментам, приведенным в июльском исследовании в журнале Physical Review Letters., Ранее в этом году физики предположили, что, если в течение 1 процента времени некоторые нейтроны распадаются на частицы темной материи, это может объяснить эту аномалию. Кристофер Моррис из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и его команда контролировали нейтроны на предмет наличия сигнала, который может быть темной материей, но не может ничего обнаружить. Они предположили, что другие сценарии распада все еще возможны, согласно исследованию

Существует ли темная материя на самом деле?

Учитывая трудности, с которыми столкнулись ученые, пытаясь обнаружить и объяснить темную материю, разумный спрашивающий может задаться вопросом, все ли они ошибаются. В течение многих лет военное меньшинство физиков выдвигало идею о том, что, возможно, наши теории гравитации просто неверны, и что фундаментальная сила работает в больших масштабах иначе, чем мы ожидаем. Эти предположения, часто называемые «модифицированной ньютоновской динамикой» или моделями MOND, утверждают, что темной материи нет, а сверхбыстрая скорость, с которой звезды и галактики вращаются вокруг друг друга, является следствием удивительного поведения гравитации. «Темная материя все еще неподтвержденная модель», — писал физик Дон Линкольн в объяснителе «Живой науки»., Тем не менее, осмыслители еще не убедили более широкое поле своих идей. И последние доказательства? Это также предполагает, что темная материя реальна .