5 vastaamattomia peruskysymyksiä pimeästä aineesta

Ainakin 1920-luvulta lähtien yksi hypoteesi on tunkeutunut tähtitieteen maailmaan: maailmankaikkeus sisältää enemmän ainetta kuin voimme nähdä paljaalla silmällä. Sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky huomasi 1930-luvulla, että kaukaisen klusterin galaksit kiertävät toisiaan nopeammin kuin niiden näkyvien massojen perusteella voidaan odottaa. Hän ehdotti, että näkymätön aine, jota hän kutsui tummaksi aineeksi, voisi vetää gravitaation avulla nämä galaksit yhteen.

  • Äänestä Curious Mega: n vuoden geek-lehdistöksi 2019 Golden Cube Award -palkinnossa!

Tätä ajatusta oli vaikeampi todistaa kuin tukea, koska tästä salaperäisestä asiasta ei ollut vielä todisteita. Jopa vahvoilla kaukoputkilla, kuten Hubble ja Kepler, sitä ei ole vielä havaittu, mutta sen olemassaolo on aina ollut enemmän kuin todennäköisyys, mutta vahva mahdollisuus. Noin 85% maailmankaikkeuden massasta koostuu materiaalista, jota tutkijat eivät näe - tumma aine, joka monimutkaistaa asioita, ei säteile valoa tai energiaa. Joten sillä olisi merkitystä maailmankaikkeuden tutkinnassa?

Kartta, joka kattaa 1/30 taivaasta, tehty 26 miljoonan galaksin havainnoinnista. Punaisilla alueilla on enemmän tummaa ainetta kuin keskimäärin; sinisiä alueita vähemmän. (Lähde: Chicagon yliopisto / Chihway Chang)

"Tähtien liikkeet kertovat, kuinka paljon sillä on merkitystä", sanoi Jelen yliopiston tutkija Pieter van Dokkum, joka johti ryhmää, joka tunnisti Dragonfly 44-galaksin, joka koostui melkein kokonaan pimeästä aineesta.

1. Mikä on tumma aine?

Kukaan ei tiedä varmasti. Jotkut tutkijat ovat jopa olettaneet, että se koostuisi pienistä heikoista tähtiistä ja mustista reikistä, mutta yksityiskohtaiset havainnot eivät ole paljastaneet tarpeeksi esineitä selittämään tumman aineen vaikutusta muihin taivaankappaleisiin.

Laajimmin hyväksytty hypoteesi on, että sen muodostaa hypoteettinen elementti, nimeltään matalan vuorovaikutuksen massahiukkas (tai WIMP), joka käyttäytyisi kuin neutroni - paitsi että se on 10–100 kertaa raskaampi.

2. Voimmeko havaita tumman aineen?

Jos pimeä aine valmistetaan WIMP-tiedostoista, ne olisivat kaikkialla, näkymättömiä ja melkein huomaamatta. Vaikka pimeän aineen hiukkaset eivät yleensä ole vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa, on hypoteettisesti mahdollista osua protoniin tai elektroniin, kun se kulkee avaruuden läpi. Joten tutkijat ovat vuosikymmenien ajan kokeilleet tutkia suurta määrää yleisiä maanalaisia ​​hiukkasia, joissa ne ovat suojattu häiritsevältä säteilyltä, joka voi jäljitellä tumman aineen ja hiukkasten törmäystä. Luotettavia löytöjä ei ole tehty.

Kiinan PandaX-kokeilu kertoi vuoden 2019 alkupuolella viimeisimmästä WIMP: n havaitsematta jättämisestä.

3. Sisältääkö tumma aine useammasta kuin yhdestä hiukkasesta?

Kaikki ovat kuulleet protoneista, elektroneista ja neutroneista, ja jotkut tuntevat neutriinoja, kuoneja ja pioneja. Tutkijat ihmettelevät sitten, onko tumma aine myös monimutkainen. "Ei ole syytä olettaa, että kaikki maailmankaikkeuden tumma aine on tehty vain yhdestä tyypistä hiukkasista", sanoi Harvardin yliopiston fyysikko Andrey Katz. Hänen mukaansa tummat protonit voivat yhdistyä tummien elektronien kanssa muodostaen tummia atomeja, mikä tuottaa yhtä monipuolisia ja mielenkiintoisia konfiguraatioita kuin mitä näkyvässä maailmassa löytyy. Taivas on kirjaimellisesti raja.

Tämä Hubble-avaruusteleskoopin ottama kuva osoittaa kummittaisen tumma-ainerenkaan Cl 0024 + 17-galaksiklusterissa (Lähde: NASA / ESA / Lehdistötiedote)

4. Mitkä ovat tumman aineen ominaisuudet?

Joidenkin teorioiden mukaan tumma-ainehiukkasilla on oltava omat hiukkasensa, ja molemmat tuhoavat toisiaan. Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) alfa-magneettisen spektrometrin (AMS) kokeilu on etsinyt merkkejä tästä tuhoutumisesta vuodesta 2011 ja se on havainnut satoja tuhansia tapahtumia. Silti tutkijat eivät vieläkään ole varmoja siitä, ovatko ne peräisin pimeästä aineesta, koska he eivät edes tiedä tarkalleen, mikä pimeä aine on.

5. Onko tummaa ainetta kaikkialla galaksissa?

Se näytti olevan voima, joka yhdistää suuret rakenteet, kuten galaksit ja galaktiset klusterit; mutta vuoden 2019 alkupuolella tähtitieteilijät ilmoittivat löytäneensä NGC 1052-DF2-galaksin, jossa ei ole melkein mitään tummaa ainetta. "Ilmeisesti ei vaadita galaksin muodostumista", Pieter van Dokkum sanoi tuolloin. Toinen ryhmä tähtitieteilijöitä julkaisi kuitenkin analyysin, jonka mukaan uudessa galaksissa oli enemmän tummaa ainetta kuin aikaisemmin ehdotettiin.