Eksoottiset tumman aineen teoriat. Jos olet fani kaikista maailmankaikkeuden mahtavimmista tavaroista, tämä artikkeli on sinua varten.
Suurin osa maailmankaikkeuden sisällöstä on fysiikalle täysin tuntematonta muotoa. Se on vain raaka tosiasia, että meidän kaikkien on tottuttava. Jos sinulla on kiusausta ajatella, että se on vain jonkinlaistakosmologisen ongelma, kysymys, joka nousee esiin vain suurimmissa asteikkoissa, ja minulla on siis sinulle huonoja uutisia. Yksi näistä kosmisen salaperäisistä komponenteista on - sikäli kuin voimme kertoa - eräänlainen aine.
Mutta ei vain minkäänlainen asia, muuten olisimme nähneet sen jo. Ei, mielestämme se on eräänlainentumma merkitystä; asia, joka ei vain ole vuorovaikutuksessa valon kanssa. Ei päästöjä. Ei imeytymistä. Ei sirotusta. Ei mitään. Ja sen, että tumma aine on olemassa, ei pitäisi ollaettä yllättävää, pitäisikö? Loppujen lopuksi kuka sanoi, että kaikki maailmankaikkeudessaon pakko olla vuorovaikutuksessa valon kanssa?
Kukaan ei tehnyt, ja niin täällä olemme. Jos katsot satunnaista galaksia, syttyvät asiat - tähdet, sumut jne. - edustavat vain pientä osaa kyseisen galaksin kokonaismäärästä. "Normaalin" aineen ja tummien asioiden tarkka suhde riippuu monista tekijöistä, kuten galaksin muodostumishistoriasta. Mutta yleensä mitä pienempi galaksi on, sitä enemmän sitä hallitsee tumma aine.
Pienimmät galaksit, joita kutsutaan kääpiögalakseiksi, voisivat olla kätevä laboratorio tumman aineen tutkimiseksi. Näissä galakseissa tumma aine voi vapaasti tehdä mitä tumma aine tekee ilman mitään ärsyttävää valoa vuorovaikutuksessa olevaa ainetta monimutkaistakseen asioita. Jos tumma aine tekee jotain outoa (hyvin, outoa kuin yksinkertaisesti olemassa olevaa), kuten vuorovaikutuksessa itsensä kanssa heikon ydinvoiman kautta, tai jos se koostuu monenlaisista eksoottisista hiukkasista, niin kaikki vaikutukset tekevät itsestään selvemmän kääpiögalaksissa kuin jotain sellaista Linnunrata.
Tämä on hienoa ja hyvää, paitsi pieni varoitus, että vaikka kaikki nämä mielenkiintoiset fysiikat tapahtuvat konepellin alla, meillä on vaikea nähdä sitä. Koska on pimeää.
Yksi asia monista asioista, joita emme ymmärrä pimeästä aineesta, on miten se käyttäytyy galaksien ytimissä. Yksinkertaiset galaksien evoluution simulaatiot ennustavat niin kutsuttua ”sikaa” - kovaa pähkinää, jolla on uskomattoman suuri tiheys galaksin muuten kermaisessa keskuksessa istuvan. Mutta havainnot eivät paljasta tätä: kaikkien näiden tummien aineiden painovoiman vaikutuksen tulisi olla paljon tähtiä. Ja galaksin keskustassa on varmasti paljon tähtiä, mutta eiettä monet.
Jotain on tasoitettava keskeinen tumma aine. Se voi olla eksoottisia vuorovaikutuksia itse pimeässä aineessa. Se voi olla maallisempia syitä, kuten supernoovatuulet tuulettaa kaasua. Se voi olla molemmat vai ei.
Tähtitieteilijät ovat erittäin kiinnostuneita galaksien ytimistä ja erityisesti kääpiögalakseista, koska siellä he voivat mahdollisesti oppia paljon tummasta aineesta. Ja huolimatta heidän monimutkaisesta, sotkuisesta fysiikasta, tarvitsemme silti tähtiä ja kaasua tarkkailemaan, koettamaan ja tutkimaan kääpiögalakseja toivoen, että pystymme jäljittämään taustalla olevan tumman aineen käyttäytymisen. Kääpiögalaktikot ovat kuitenkin kaukana, himmeitä ja pieniä - ja niiden ytimet vieläkin enemmän.
Kuinka voisimme kurkistaa heidän sisällään?
Onneksi galakseissa on enemmän kuin tähtiä. Heillä on myös mustia reikiä. Sydämessä jättiläismäiset supermassiiviset ja miljoonat pienemmät, jotka kelluvat niiden sisällä. Ja se, että jättiläisillä mustilla reikillä on taipumus kasautua isäntägalaksejensa ytimiin, saattaa olla hyödyllinen. Joten ehkä - työskentele kanssani täällä - jos voisimme jollakin tavalla tutkia kääpiögalaksejen sisällä olevien mustien reikien käyttäytymistä, saatamme saada joitain vihjeitä tumman aineen luonteelle.
Mutta mustat aukot ovat myös mustia ja niitä on vaikea nähdä. Ja pieni. Ja kaukana. Onneksi meidän ei tarvitse nähdä mustia reikiä - voimme kuulla ne.
Kun mustat reiät törmäävät, ne järistyvät ja vääristävät avaruuden ajan kangasta niin paljon, että ne aiheuttavat aaltoja, kuten veteen pudonneesta raskaasta kivestä leviävät aallot. Nämä painovoima-aallot leviävät koko avaruuteen valon nopeudella jatkuvasti niin lievästi venyttäen ja puristaen mitä tahansa väliintuloa, kun ne pesevät. Itse asiassa ruumiisi on, kun luet tätä, hinataan ja puristetaan kuin pala kittiä lukemattomista maan läpi kulkevista painovoima-aalloista.
Nämä painovoima-aallot ovat mielenkiintoisesti vaikeasti havaittavissa, minkä vuoksi ensimmäiset niitä mittaavat ihmiset saivat Nobel-palkinnot vuosikymmenien mittaisesta ponnistelustaan käyttää häiritseviä valonsäteitä hienovaraisen signaalin kaappaamiseen.
Mutta kolme gravitaatiotaallon observatorioamme maan pinnalla eivät voi auttaa meitä mustan aukon - sisäpuolella kääpiön - galaksin - tutkimuksen - pimeän aineen ongelmassa. Ne mustat aukot - tunnetaan nimelläkeskimassan mustia reikiä - ovat liian pieniä tekemään havaittavissa oleva signaali tänne Linnunradalla sulautuessaan.
Mutta avaruuden painovoima-observatorio voisi. Ehdotetussa LISA-tehtävässä (joka tarkoittaa, kuten luulet ehkä arvata, laserinterferometriavariantennia) saattaa olla oikea herkkyys nähdä keskikokoisten mustien reikien sulautumisen signaali, aivan kuten kääpiögalaksejen sydämessä.
Ja Zürichin yliopiston Tomas Tomfalin johdolla äskettäin hyväksymän Astrophysical Journal Letters -kirjeen mukaan tumman aineen eri mallit (ja sen mahdolliset vuorovaikutukset normaalia valoa rakastavan aineen kanssa) voivat vaikuttaa kuinka usein ja kuinka nopeasti kääpiögalaktien mustat aukot sulautuvat yhteen, ja se on jotain, jonka LISA voi mahdollisesti erottaa.
Se on pyöreä polku tumman aineen ymmärtämiseen, mutta niin huolestuttavassa ongelmassa se on lupaava.
Lue lisää: “LISA mustien reikien binaarien muodostuminen kääpiögalaksioissa: tumman aineen jälki
