Într-o nouă eră a cercetării pe scară largă a materiei întunecate, ideea controversată a concentrării sale în discurile subțiri iese din uitare științifică
În 1932, astronomul olandez Jan Oort a numărat stele pe Calea Lactee și a descoperit că acestea lipseau. Pe baza faptului că stelele, mișcându-se într-un cerc în planul galaxiei, sări în sus și în jos ca niște cai pe un carusel, Oort a calculat că materia care exercită asupra lor și le pune în mișcare ar trebui să fie de două ori mai mare decât a văzut … Oort a postulat că lipsa este compensată de „materia întunecată” ascunsă și a sugerat să fie concentrată pe disc, ceea ce explică mișcarea stelelor.
Totuși, descoperirea materiei întunecate, așa cum se numește materie invizibilă și nedeterminată, care constituie cinci șesimi din masa universului, este de obicei atribuită astronomului elvețian-american Fritz Zwicky, care în 1933 a derivat existența sa din mișcările reciproce ale galaxiilor. Oort nu era prea cunoscut pe motiv că era pe o cale greșită. Până în 2000, autorii noilor studii ale Căii Lactee, folosind metoda Oort, au stabilit că masa „lipsă” era conținută în stele slabe, gaz și praf, iar necesitatea unui disc întunecat nu mai era necesară. Sugestii de acum 80 de ani indică faptul că materia întunecată, oricare ar fi ea, formează nori sferici în jurul galaxiilor, numite „halos”.
Ei bine, cel puțin asta spun majoritatea vânătorilor de materii întunecate. Dar, deși conceptul de disc întunecat și-a pierdut popularitatea, nu a fost niciodată abandonat în întregime. Mai recent, ideea a găsit o mare fană a Lisa Randall, profesoară de fizică la Universitatea Harvard, care a ridicat teoria discului din uitare științifică și a împins-o în centrul scenei galactice.
După ce și-au propus modelul în 2013, Randall și colegii au susținut de atunci că discul întunecat ar putea explica razele gamma emanate din centrul galactic, distribuția plană a galaxiilor pitice pe orbita în jurul nebuloasei Andromedei și Calea Lactee, și chiar căderi periodice de comete și extincții în masă. specii de pe Pământ. Ea a scris despre acest lucru în cartea sa populară de științe Dark Matter and the Dinosaurs, publicată în 2015.
Cu toate acestea, astrofizicienii care inventează Calea Lactee au protestat, susținând că masa totală a galaxiei și salturile stelelor sale se potrivesc prea bine, lăsând loc pentru un disc întunecat. „Este mult mai strâns decât crede Lisa Randall”, spune astrofizicianul Universității din Toronto, Jo Bovy.
Acum Randall, care a dezvoltat o serie de idei mari cu privire la problemele critice în fizica fundamentală, izbește înapoi. Într-o lucrare postată online săptămâna trecută și acceptată pentru publicare în The Astrophysical Journal, Randall și elevul ei Eric Kramer au găsit o lacună în formă de disc în analiza lor a Căii Lactee: „Există un detaliu important pe care îl avem încă încă nu au acordat atenție, scriu. "Discul poate crea spațiu pentru sine."
Dacă un disc întunecat trece prin planul mijlociu al galaxiei, Randall și Kramer argumentează, atunci gravitația trage restul materiei spre interior, ceea ce duce la o creștere a densității stelelor, a gazului și a prafului din planul mijlociu. Oamenii de știință calculează de obicei masa aparentă totală a Calea Lactee extrapolând spre exterior pe baza densității planului mijlociu. Dacă există un efect de constrângere, această extrapolare va duce la o exagerare a masei aparente, și atunci va exista sentimentul că masa corespunde mișcării stelelor. Din acest motiv, autorii studiilor anterioare nu au văzut dovezi ale unui disc întunecat, spune Kramer. Împreună cu Randall, ei cred că este posibil un disc subțire întunecat și că, într-un fel, prezența sa este preferabilă absenței sale.
Video promotional:
„Munca Lisa a revitalizat această afacere”, spune Chris Flynn de la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Melbourne, Australia. El, împreună cu Johan Holmberg (Johan Holmberg), la începutul anilor 2000, a realizat mai multe „inventare” ale Căii Lactee, care păreau să distrugă complet toate posibilitățile existenței unui disc întunecat.
Bowie nu este de acord. Chiar dacă luăm în considerare efectul de constrângere, conform estimării sale, nu mai mult de 2% din cantitatea totală de materie întunecată poate fi pe discul întunecat, în timp ce restul materiei ar trebui să formeze un halou. „Cred că majoritatea oamenilor vor să-și dea seama care este 98% din materia întunecată, nu 2%”, spune el.
Această dezbatere, ca și soarta discului întunecat, poate fi curând rezolvată. Satelitul Gaia al Agenției Spațiale Europene telescopează în prezent pozițiile și viteza unui miliard de stele, iar un registru definitiv al Căii Lactee ar putea fi completat până la sfârșitul verii viitoare.
Tânăr grup de galaxii Abell 2151 în constelația Hercules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Sondaj cer digitalizat 2
Deschiderea unui disc întunecat de orice dimensiune ar fi extrem de revelator. Dacă există, materia întunecată se va dovedi a fi mult mai complexă decât au crezut de mult timp oamenii de știință. Materia se adună într-o formă de disc numai dacă are capacitatea de a emite energie, iar cea mai bună modalitate de a emite suficientă energie este formarea atomilor. Existența atomilor întunecați ar însemna că protonii întunecați și electronii întunecați, încărcați ca protoni vizibili și electroni, interacționează între ei prin forța întunecată transmisă de fotoni întunecați. Chiar dacă 98% din materia întunecată este inertă și formează un halou, existența celui mai subțire disc întunecat ar însemna prezența unui „sector întunecat” de particule necunoscute, la fel de divers ca Universul vizibil.
„Problema obișnuită este destul de complexă; există materie care joacă un rol în atomi și există materie care nu joacă, spune astrofizicianul de la Universitatea din California, Irvine, James Bullock. "Prin urmare, nu ar fi o nebunie să ne imaginăm că celelalte cinci șesimi ale materiei din Univers sunt, de asemenea, destul de complexe și că există o anumită parte a acestui sector întunecat care există sub formă de atomi legați."
Conceptul de complexitate a materiei întunecate a găsit recent tot mai mulți susținători, ajutați de anomalii astrofizice, care nu se potrivesc cu ideea materiei întunecate ca particule masive pasive, lente și „interacționând slab”. Aceste anomalii, precum și faptul că, în cursul experimentelor detaliate în diferite țări ale lumii, astfel de particule grele care interacționează slab (WIMP) nu au fost niciodată detectate, au slăbit această teorie și au marcat începutul unei noi ere în care oricine poate specula că este pentru o astfel de fiară - materie întunecată.
Această epocă a apărut cândva în 2008, când participanții la experimentul PAMELA au descoperit un exces de pozitroni care provin din spațiu (în comparație cu electronii). Această asimetrie a suscitat interesul pentru modelul de acum popular „materie întunecată asimetrică” propus de Kathryn Zurek și colegii săi. La acea vreme, în circulație erau puține idei, altele decât conceptul de wimps. „Au existat modele ca mine, care au înțeles că ideea de materie întunecată era complet subdezvoltată în această direcție”, spune Tsurek, care lucrează acum la Laboratorul Național. Lawrence Berkeley în California. „Așa că ne-am scufundat în această lucrare din cap.
Densitatea galaxiilor pitice a fost un alt stimul. Când oamenii de știință încearcă să simuleze formarea lor, galaxiile pitice tind să fie prea dense în centrele lor, cu excepția cazului în care oamenii de știință presupun că particulele de materie întunecată pot interacționa între ele folosind forțe întunecate. Dar dacă adăugăm aici o interacțiune prea puternică, atunci distrugem modelele de formare a structurii din Universul timpuriu.
„Încercăm să ne dăm seama ce poate fi tolerat”, spune Bullock, care proiectează și aceste modele. Majoritatea modelatorilor permit interacțiuni slabe care nu afectează forma halo-ului de materie întunecată. „Dar ceea ce este remarcabil este că există o clasă de materie întunecată care permite formarea discurilor”, spune Bullock. În acest caz, doar o mică parte din particulele de materie întunecată vor interacționa, dar vor interacționa suficient de puternic pentru a disipa energia și apoi a forma discuri.
Randall și colegii ei JiJi Fan, Andrey Katz și Matthew Reece au venit cu ideea în 2013 la fel cum a făcut Oort. Au încercat să explice anomalia aparentă a Căii Lactee. Așa-numita linie Fermi este un exces de raze gamma cu o anumită frecvență care provin din centrul galactic. "Materia întunecată obișnuită nu ar putea distruge suficient pentru a produce linia Fermi", spune Randall, "și așa ne-am gândit, dacă este mult mai dens?" Deci, discul întunecat a căpătat oa doua viață. Linia Fermi a dispărut pe măsură ce au apărut mai multe date, dar ideea de disc merită încă explorată. În 2014, Randall și Rees au sugerat că tocmai din cauza discului există intervale de 30-35 de milioane de ani între activitatea în creștere a cometelor și a meteorilor.pe care unii oameni de știință le asociază cu stingeri periodice de masă De fiecare dată când sistemul solar răspunde în sus sau în jos pe calea cea lăptară, consideră că efectul gravitațional al discului ar putea destabiliza asteroizii și cometele din norul Oort, o groapă de la marginea sistemului nostru solar numită după un astronom olandez. Aceste obiecte zboară spre partea interioară a sistemului solar, iar unele cad pe Pământ.
Dar Randall și echipa ei au făcut doar o cursă și, după cum s-a dovedit, o analiză incorectă a câtului spațiu din masa totală a Căii Lactee rămâne pentru discul întunecat, așa cum este apreciat de mișcarea stelelor. „Au făcut niște declarații scandaloase”, a spus Bovey.
Randall, cunoscut printre colegii săi pentru tenacitatea ei (potrivit Rhys), l-a adus pe Kramer în caz pentru a răspunde criticilor și a „calcat toate ridurile” în analiză înainte ca datele Gaiei să devină disponibile. O nouă analiză a arătat că, odată ce a existat un disc întunecat, acesta nu ar putea fi la fel de dens cum credea inițial echipa ei. Dar pentru un disc subțire întunecat, un loc a fost încă găsit, din cauza efectului său constrictiv și a incertitudinii suplimentare cauzate de derivă pură a stelelor Calea Lactee, care sunt observate.
Chris McKee și colegii de la Universitatea din California din Berkeley au identificat o nouă problemă, despre care au scris în The Astrophysical Journal. McKee consideră că un disc subțire și întunecat ar putea încă să se strecoare în depozitarea în masă a Calea Lactee. Dar acest disc poate fi atât de subțire încât pur și simplu se prăbușește. Citând cercetări din anii ’60 -’70, McKee și colegii săi scriu că discurile nu pot fi mult mai subțiri decât discul de gaz vizibil din Calea Lactee, deoarece s-ar prăbuși. "Poate că materia întunecată are proprietăți diferite de proprietățile materiei obișnuite și împiedică acest lucru, dar nu știu ce ar putea fi", a spus McKee.
Randall nu a reușit să renunțe la acest ultim atac, numindu-l „o întrebare complicată în prezent în curs de studiu”. De asemenea, a fost de acord cu părerea exprimată de Bowie - că discul de atomi întunecați încărcați este nesemnificativ în comparație cu natura a 98% din materia întunecată. Ea explorează acum posibilitatea ca toată materia întunecată să fie încărcată cu o singură forță întunecată, dar datorită excesului de protoni întunecați de electroni întunecați, doar o fracțiune minusculă este legată în atomi și dusă în disc. În acest caz, discul și halo trebuie să fie compuse din aceleași elemente, „ceea ce ar fi mai economic”, spune ea. "Am crezut că poate fi exclus, dar nu a funcționat."
Până în prezent, discul întunecat trăiește - ca simbol al tot ceea ce nu se cunoaște despre partea întunecată a universului. „Cred că este foarte, foarte util în acest domeniu că diferiți oameni se uită la idei diferite”, spune Bullock. "Pentru că nu avem idee despre ce este vorba - materie întunecată și trebuie să fim pregătiți pentru o varietate de opțiuni."
