Przejdź do głównej zawartości

Ciemna strona materii

Tylko niewielki ułamek całkowitej masy Wszechświata tworzą znane cząsteczki (materia barionowa i neutrina), podczas gdy reszta składa się z ciemnej materii. To sprawia, że ciemna materia jest integralną częścią tzw. modelu kosmologicznego Lambda Cold Dark Matter, który naukowcy wykorzystują do opisania natury Wszechświata zgodnie z jego wiekiem, tempem ekspansji, historią i zawartością.


Istnienie ciemnej materii po raz pierwszy zostało wskazane w latach 30. XX wieku, kiedy szwajcarski astrofizyk Fritz Zwicky znalazł anomalię, gdy próbował oszacować masę dużych gromad galaktyk za pomocą pomiarów prędkości poszczególnych galaktyk w tych gromadach. Stwierdził, że obserwowane prędkości były zaskakująco wysokie i postulował, że galaktyki muszą podlegać polu grawitacyjnemu znacznie silniejszemu niż to, które tworzy masa obserwowanych układów, a zatem dodatkowa masa była wynikiem jakiejś formy nieobserwowalnego rodzaju „ciemnej” materii. Potwierdzenie tych prognoz zajęło 40 lat, kiedy to amerykańska astrofizyk Vera Rubin przedstawiła solidne dowody obserwacyjne rozbieżności między przewidywanym a obserwowanym ruchem obrotowym gwiazd w galaktykach. W związku z tym wiemy teraz, że wszystkie galaktyki znajdują się w centrach „halo” ciemnej materii, charakteryzujących się dużą gęstością centralną, ale rozciągających się daleko poza rozmiar widzialnej galaktyki.

Podczas, gdy obserwacje mówią nam o tym, że ciemna materia istnieje, jej natura nadal pozostaje jedną z największych tajemnic nauki.

Model standardowy fizyki cząstek może wyjaśnić znane cząstki i siły we Wszechświecie, nie może jednak wyjaśnić istnienia tajemniczej ciemnej materii. Okazuje się, że żadna z cząstek tworzących model standardowy nie jest w stanie w pełni zaspokoić właściwości ciemnej materii, czego wymagają obserwacje kosmologiczne. Luka ta sugeruje, że model standardowy jest niekompletny i że rozwiązanie zagadki ciemnej materii może być łącznikiem z innymi nierozwiązanymi problemami w fizyce cząstek, więc jej badanie może spowodować znaczący przełom w naszym podstawowym zrozumieniu natury.

Od dawna kandydatami na cząsteczki ciemnej materii są tzw. słabo oddziałujące masywne cząsteczki (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP). WIMPy pojawiły się jako idealny kandydat na ciemną materię: cząsteczki teoretyczne o masie 100-1000 razy większej od masy protonu (ok. 100 GeV - 1 TeV), które naturalnie powstałyby z odpowiednią obfitością we Wszechświecie. WIMPy nie są jednak jedynym kandydatem. Szeroki zakres proponowanych kandydatów obejmuje masę około 40 rzędów wielkości: od wyjątkowo lekkich, takich jak „aksjony”, przez znacznie cięższe „WIMPZille” po obiekty makroskopowe, takie jak pierwotne czarne dziury.

Grawitacja doprowadziła do odkrycia istnienia ciemnej materii i wciąż jest jedyną siłą, dzięki której cząsteczki ciemnej materii oddziałują. Jeżeli jednak cząsteczka ciemnej materii ma uzupełnić standardowy model cząsteczek podstawowych, istnieje nadzieja, że będzie ona także w stanie oddziaływać z innymi znanymi cząsteczkami, co może dostarczyć kolejnej możliwości jej wykrycia.

W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci społeczność naukowa połączyła siły i opracowała jasną (wstępną) strategię poszukiwania WIMP: poprzez ich produkcję w zderzeniach cząstek (jak np. w Wielkim Zderzaczu Hadronów), poprzez rozproszenie w modelu standardowym w dedykowanych detektorach i poprzez obserwacje astrofizyczne. Główną ideą tego ostatniego jest to, że w regionach Wszechświata, w których gęstość ciemnej materii jest wysoka, cząsteczki ciemnej materii mogą ulegać samozniszczeniu albo rozpadowi, wytwarzając cząsteczki modelu standardowego, które docierają do nas w postaci promieniowania kosmicznego a także promieni gamma.

Zatem nie ma wątpliwości, że Cherenkov Telescope Array (Teleskop Czerenkowa – CTA) będzie działać jako potężny instrument do wykrywania ciemnej materii: CTA wykryje bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, obiecujący sposób poszukiwania ciemnej materii, gdy promienie gamma przemieszczają się w liniach prostych (w przeciwieństwie do naładowanego promieniowania kosmicznego) i są łatwiejsze do złapania niż neutrina. CTA wykorzysta w szczególności swoją niespotykaną czułość i rozdzielczość energetyczną do przechwytywania promieniowania gamma dokładnie w zakresie energii odpowiadającym cięższemu końcowi masy WIMPów.

Różne eksperymenty przeprowadzone w ciągu ostatnich dekad zbadały i wykluczyły znaczną część lżejszych kandydatów na WIMPy. Chociaż obecne instrumenty nie są wystarczająco czułe, aby wykryć niektóre z najlepiej uzasadnionych modeli WIMP, ich sygnały mogą chować się dokładnie w optymalnym zakresie energii CTA.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Wykryto największą eksplozję w historii Wszechświata

Naukowcy badający odległą gromadę galaktyk odkryli największą eksplozję obserwowaną we Wszechświecie od czasów Wielkiego Wybuchu.

Wybuch pochodził z supermasywnej czarnej dziury w centrum odległej o setki milionów lat świetlnych stąd galaktyki. W trakcie eksplozji zostało uwolnione pięć razy więcej energii, niż przy poprzednim ówczesnym najpotężniejszym wybuchu.
Astronomowie dokonali tego odkrycia przy użyciu danych z obserwatorium rentgenowskiego Chandra i XMM-Newton, a także danych radiowych z Murchison Widefield Array (MWA) w Australii i Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) w Indiach.
Ten potężny wybuch został wykryty w gromadzie galaktyk Ophiuchus, która znajduje się około 390 mln lat świetlnych stąd. Gromady galaktyk to największe struktury we Wszechświecie utrzymywane razem przez grawitację, zawierające tysiące pojedynczych galaktyk, ciemną materię i gorący gaz.
W centrum gromady Ophiuchus znajduje się duża galaktyka zawierająca supermasywną czarną dziurę. Naukowcy uważają, że źró…

Odkryto najbliższą znaną „olbrzymią planetę niemowlęcą”

Nowonarodzona masywna planeta znajduje się zaledwie 100 parseków od Ziemi.

Naukowcy odkryli nowonarodzoną masywną planetę bliższą Ziemi niż jakikolwiek tego typu obiekt w podobnym wieku. Olbrzymia niemowlęca planeta, nazwana 2MASS 1155-7919 b, znajduje się w asocjacji Epsilon Chamaeleontis i leży tylko około 330 lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego.
„Ciemny, chłodny obiekt, który znaleźliśmy, jest bardzo młody i ma zaledwie 10 mas Jowisza, co oznacza, że prawdopodobnie patrzymy na planetę niemowlęcą, być może wciąż w fazie formowania się. Chociaż zostało odkrytych wiele innych planet podczas misji Kepler i innych podobnych, prawie wszystkie z nich są planetami ‘starymi’. Obiekt ten jest jednocześnie czwartym lub piątym przykładem planety olbrzymiej krążącej tak daleko od swojej gwiazdy macierzystej. Teoretycy usiłują wyjaśnić, w jaki sposób się tam uformowały lub jak tam dotarły” – powiedziała Annie Dickson-Vandervelde, główna autorka pracy.
Do odkrycia naukowcy wykorzystali dane…

Czy rozwiązano tajemnicę ekspansji Wszechświata?

Badacz z Uniwersytetu Genewskiego rozwiązał naukową kontrowersję dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata, sugerując, że na dużą skalę nie jest ono całkowicie jednorodne.


Ziemia, Układ Słoneczny, cała Droga Mleczna i kilka tysięcy najbliższych nam galaktyk porusza się w ogromnym „bąblu” o średnicy 250 mln lat świetlnych, gdzie średnia gęstość materii jest o połowę mniejsza niż w pozostałej części Wszechświata. Taka jest hipoteza wysunięta przez fizyka teoretyka z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) jako rozwiązanie zagadki, która od dziesięcioleci dzieli społeczność naukową: z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat? Do tej pory co najmniej dwie niezależne metody obliczeniowe osiągnęły dwie wartości różniące się o około 10% z odchyleniem, które jest statystycznie nie do pogodzenia. Nowe podejście usuwa tę rozbieżność bez korzystania z „nowej fizyki”.
Wszechświat rozszerza się od czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu – propozycja po raz pierwszy przedstawiona przez b…