Tajemnicze sygnały w detektorze ciemnej materii. Fizycy proponują ekscytujące wyjaśnienia
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Niedawno astronomowie usłyszeli głos z kosmicznych zaświatów. Potężny krótkotrwały impuls na chwilę przyćmił wszystkie źródła sygnałów radiowych. Clancy James z australijskiego Curtin University i jego zespół skanowali nieboskłon za pomocą Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) – zestawu 36 radioteleskopów znajdujących się w Zachodniej Australii – odebrali krótki, bardzo silny sygnał.
Niezwykle podekscytowani stwierdzili, być może odkryli nowy pulsar lub inny obiekt, a że źródło sygnału wydawało się pochodzić z naszej galaktyki, stwierdzili, że nowy obiekt powinien być widoczny za pomocą teleskopów optycznych. Jednak gdy bardziej szczegółowo przeanalizowali sygnał okazało się, że jego źródło było tak blisko, iż ASKAP nie skupić na nim jednocześnie wszystkich swoich anten. A to oznaczało, że źródło sygnału musi znajdować się mniej niż 20 tysięcy kilometrów od Ziemi. Impuls trwał zaledwie 30 nanosekund i przez tę chwilę silniejszy, niż wszystko inne rejestrowane za pomocą radioteleskopów.
Gdy Australijczycy przeanalizowali pozycję źródła sygnału i porównali ją z pozycjami wszystkich znanych satelitów okazało się, że jedynym możliwym źródłem sygnału jest Relay 2. To jeden z pierwszych satelitów w historii. Został wystrzelony w 1964 roku i służył NASA jako eksperymentalne urządzenie komunikacyjne. Agencja przestała używać Relay 2 już w 1965 roku, natomiast pokładowa elektronika satelity działała do roku 1967. Wówczas Relay 2 zamilkł i od tej pory krąży wokół Ziemi jako bezwładny kawałek metalu.
Teraz, po niemal 60 latach satelita znowu wysłał sygnał. Jednak jego urządzenie nie działają, więc źródłem sygnału musiały być czynniki zewnętrzne. Clancy i jego koledzy sądzą, że albo na powierzchni satelity zebrały się ładunki elektrostatyczne i doszło do wyładowania, albo uderzył w niego mikrometeoryt, który wywołał pojawienie się chmury plazmy. Sygnały z obu tych wydarzeń wyglądają podobnie, więc trudno byłoby je odróżnić. Przede wszystkim ktoś musiałby chcieć przeprowadzić takie badania. Tylko po co?
Źródło: A nanosecond-duration radio pulse originating from the defunct Relay 2 satellite, https://arxiv.org/abs/2506.11462
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Krążący wysoko nad Antarktydą wykrywacz promieniowania kosmicznego, zarejestrował nietypowe sygnały, które wykraczają poza nasze obecne rozumienie fizyki cząstek. ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) to zespół wyspecjalizowanych anten, które za pomocą balonu wypuszczane były nad Antarktyką i przez około miesiąc krążyły na wysokości do 40 kilometrów, unoszone przez wiatry obiegające kontynent. Celem eksperymentu jest obserwowanie promieniowania kosmicznego po tym, jak dotarło do Ziemi. W trakcie badań co najmniej 2-krotnie zarejestrowano sygnały, które nie pochodzą od promieniowania odbitego przez lód, a kierunek, z którego napłynęły, nie pozwala wyjaśnić ich pochodzenia na gruncie znanych zjawisk fizycznych.
Sygnały radiowe, które odkryliśmy, nadeszły z bardzo ostrego kąta, około 30 stopni spod powierzchni lodu, mówi profesor Stephanie Wissel. Z obliczeń wynika, że taki sygnał musiałby przejść przez tysiące kilometrów skał, z których zbudowana jest Ziemia, ale wówczas byłby niewykrywalny, gdyż zostałby przez Ziemię zaabsorbowany. To interesujący problem, bo obecnie nie potrafimy wyjaśnić, czym jest ten sygnał. Wiemy jednak, że to najprawdopodobniej nie pochodzi z neutrin, dodaje uczona.
Neutrina to cząstki bardzo pożądane przez naukowców. Niosą ze sobą ogrom informacji. W każdej sekundzie przez nasze ciała przechodzą biliony neutrin i nie czynią nam szkody. Neutrina niemal nigdy nie wchodzą w interakcje, trudno więc je wykryć.
Źródłem neutrin mogą być na przykład wydarzenia, do których doszło miliary lat świetlne od nas. Wykrycie takiego neutrina to dla naukowców okazja, by dowiedzieć się czegoś więcej o wydarzeniu, które było jego źródłem.
ANITA ma wykrywać też neutrina. Została umieszczona nad Antarktyką, gdyż tam istnienie najmniejsze ryzyko zakłócenia jej pracy przez inne sygnały. Unoszony przez balon zespół anten skierowany jest w dół i rejestruje wielkie pęki atmosferyczne odbite od lodu. Wielki pęk atmosferyczny, to wywołana pojedynczą cząstką promieniowania atmosferycznego kaskada cząstek powstających w atmosferze Ziemi.
ANITA rejestruje takie pęki odbite od lodu, naukowcy są w stanie przeanalizować sam pęk, jak i pęk odbity od lodu i na tej podstawie określić, jaka cząstka wywołała pęk. Na podstawie kąta odbicia sygnału można zaś określić jego źródło. I tutaj pojawia się problem, gdyż zarejestrowano też sygnały, których nie można prześledzić do źródła. Kąt ich odbicia jest bowiem znacznie bardziej ostry, niż przewidują istniejące modele.
Naukowcy przeanalizowali dane z wielu przelotów, porównali je z modelami matematycznymi, przeprowadzili liczne symulacje i wykluczyli zakłócenia tła i inne źródła sygnałów. Porównali swoje dane z niezależnie zbieranymi danymi innych instrumentów naukowych, takich jak IceCube Experiment czy Pierre Auger Observatory, by sprawdzić, czy i one odebrały podobne nietypowe sygnały. Okazało się, że nie. Dlatego też Wissel i jej koledzy określają znalezione sygnały jako „nietypowe” i wykluczają, by były one spowodowane przez neutrina. Sygnały nie pasują do standardowych modeli fizyki cząstek. Być może wyjaśnieniem tkwi w mniej popularnych teoriach, z których wynika, że sygnały te mogą pochodzić od ciemnej materii, jednak brak na to dowodów.
Obecnie naukowcy budują nowe urządzenie, PUEO. Będzie ono większe i bardziej czułe. Badacze mają nadzieję, że rzuci ono nowe światło na nietypowe sygnały. Sądzę, że przy powierzchni lodu i blisko horyzontu dochodzi do jakichś interesujących zjawisk związanych z rozprzestrzenianiem się sygnałów radiowych. Nie rozumiemy tego. Sprawdzaliśmy różne hipotezy i do niczego nie doszliśmy. To tajemnica. Bardzo się cieszę na myśl o tym, że powstaje bardziej czułe PUEO. Powinniśmy uchwycić więcej takich anomalii, dzięki czemu być może zrozumiemy, z czym mamy do czynienia, dodaje Wissel.
Źródło: Search for the Anomalous Events Detected by ANITA Using the Pierre Auger Observatory, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.121003
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy potrafią przygotować bakterie tak, by wyczuwały różnego typu molekuły obecne w środowisku, jak składniki odżywcze czy zanieczyszczenia w glebie. Jednak by odczytać takie sygnały, by stwierdzić, że bakterie wyczuły obecność interesujących nas molekuł, trzeba przyjrzeć się samym bakteriom pod mikroskopem. Przez to dotychczas nie mogły być wykorzystywane do monitorowania środowiska na duża skalę. Jednak właśnie się to zmieniło. Naukowcy z MIT stworzyli bakterie, od których sygnały można odczytywać z odległości 90 metrów. W przyszłości mogą więc powstać bakterie, które będzie można monitorować za pomocą dronów lub satelitów.
Wyprodukowane na MIT bakterie wytwarzają molekuły generujące unikatowe połączenie kolorystyczne. To nowy sposób na uzyskiwanie informacji z komórki. Jeśli staniesz obok, niczego nie zauważysz, ale z odległości setek metrów, wykorzystując specjalną kamerę, możesz odczytać potrzebne informacje, mówi jeden z autorów badań, Christopher Voigt, dziekan Wydziału Inżynierii Biologicznej MIT.
Naukowcy stworzyli dwa różne typy bakterii, które wytwarzają molekuły emitujące światło o specyficznej długości fali w zakresie widma widzialnego i podczerwieni. Światło to można zarejestrować za pomocą specjalnej kamery. Generowanie molekuł jest uruchamiane po wykryciu sąsiadujących bakterii, jednak tę samą technikę można wykorzystać do wytwarzania molekuł w obecności np. zanieczyszczeń. W ten sposób można bakterie zamieniać w czujniki wykrywające dowolne substancje.
Generowane przez bakterie molekuły można obserwować za pomocą kamer hiperspektralnych, które pokazują zawartość różnych kolorów w każdym z pikseli obrazu. Każdy z nich zawiera bowiem informację o setkach fal światła o różnej długości.
Obecnie kamery hiperspektralne wykorzystywane są na przykład do wykrywania promieniowania. Wykorzystuje się je chociażby wokół Czarnobyla do rejestrowania niewielkich zmian koloru, powodowanych przez pierwiastki radioaktywne w chlorofilu roślin.
Uczeni z MIT wykorzystali podczas testów bakterie Pseudomonas putida i Rubrivivax gelatinosus. Pierwszą z nich przygotowali tak, by wydzielała biliwerdynę, drugą wyposażono w możliwość wytwarzania pewnego typu bakteriochlorofilu. Testowe skrzynki zawierające bakterie umieszczono w różnych miejscach, a następnie były one obserwowane przez kamery hiperspektralne.
Kamery w ciągu 20–30 sekund skanowały skrzynki, a algorytm komputerowy analizował sygnały i zgłaszał, czy doszło do emisji wspomnianych związków. Największa odległość, z której udało się wykryć emisję molekuł przez bakterie wynosiła 90 metrów.
Autorzy badań pracują już nad zwiększeniem odległości, z jakiej można odczytywać sygnały. Mówią, że ich technologia przyda się zarówno do badania ilości składników odżywczych w glebie, jak i do wykrywania min.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W detektorze XENON1T we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso zarejestrowano, po raz pierwszy w historii, rozpad atomu ksenonu-124. Doszło do niego w formie podwójnego wychwytu elektronu. To niezwykle rzadkie wydarzenie. Okres połowicznego rozpadu tego pierwiastka jest bowiem... bilion razy dłuższy niż wiek wszechświata. To wyjaśnia, dlaczego zaobserwowanie tego procesu jest tak wyjątkowym wydarzeniem.
Fakt, że byliśmy w stanie bezpośrednio obserwować ten proces pokazuje, jak potężnymi metodami detekcji dysponujemy. Sprawdzają się one również w przypadku sygnałów, które nie pochodzą z czarnych dziur, mówi profesor Christian Weinheimer z Uniwersytetu w Münster, który stał na czele grupy badawczej.
XENON1T to wspólny projekt, przy którym pracuje 160 naukowców z Europy, USA i Bliskiego Wschodu. Laboratorium Narodowe Gran Sasso, którego właścicielem jest włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej, znajduje się na głębokości 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane.
Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia.
Wyniki uzyskane przez grupę Weinheimera dowodzą, że XENON1T jest też zdolny do rejestrowania innych rzadkich zjawisk fizycznych, takich jak podwójny wychwyt elektronu.
Jądro atomowe zawiera protony o ładunku dodatnim oraz obojętne neutrony. Całość otoczona jest elektronami, których ładunek jest ujemny. Jądro ksenonu-124 zawiera 54 protony i 70 neutronów. W procesie podwójnego wychwytu elektronów dwa protony jednocześnie przechwytują dwa elektrony, w wyniku czego powstały dwa neutrony i zostały wyemitowane dwa neutrino. Pozostałe elektrony przeorganizowują się tak, by uzupełnić luki spowodowane wychwyceniem elektronów na najbardziej wewnętrznej powłoce. Energia uwolniona w całym tym procesie jest przenoszona przez promieniowanie rentgenowskie oraz elektrony Augera.
Podwójny wychwyt elektronu to niezwykle rzadki proces rozpadu. Można go zaobserwować dla tych nielicznych pierwiastków, dla których inne rodzaje rozpadu są praktycznie niemożliwe. Jakby jeszcze tego było mało, same sygnały tego procesu jest bardzo trudno wykryć, gdyż są one schowane we wszechobecnych sygnałach naturalnej radioaktywności.
Udało się to jednak w detektorze XENON1T. Promienie rentgenowskie z podwójnego wychwytu elektronu wygenerowały w płynnym ksenonie sygnał świetlny. Pojawiły się też wolne elektrony. Elektrony te przesunęły się w stronę wypełnionej gazem górnej części cylindra, gdzie wygenerowały kolejny sygnał świetlny. Różnica w czasie pomiędzy pojawieniem się obu sygnałów świetlnych odpowiadała czasowi, jaki elektrony potrzebowały, by dotrzeć do góry detektora. Naukowcy wykorzystali te informacje do odnalezienia miejsca, w którym doszło do podwójnego wychwytu elektronu. Z siły sygnałów wyliczono też energię uwolnioną w tym procesie.
Wszystkie sygnały zarejestrowano w czasie dłuższym niż rok. Jednak rozpatrywanie ich z osobna nie pozwoliło na zauważenie zjawiska, które miało miejsce. Dlatego też sama rejestracja sygnałów nie wystarczała. O tym, że doszło do podwójnego wychwytu elektronów, procesu świadczącego o rozpadzie ksenonu-124 uczeni dowiedzieli się dopiero po ukończeniu wszystkich analiz. Dopiero po tym i po sprawdzeniu danych z regionu, w którym zaszło wspomniane zjawisko, można było jednoznacznie stwierdzić, że 126 elementów znajdujących się w zarejestrowanych danych zostało wywołanych podwójnym wychwytem elektronu w jądrze ksenonu-124.
Na podstawie uzyskanych danych naukowcy wyliczyli, że okres połowicznego rozpadu ksenonu-124 wynosi 1,8x1022 lat. Jest to najwolniejszy proces, jaki kiedykolwiek bezpośrednio zaobserwowano.
Ksenon-124 nie jest jednak rekordzistą pod tym względem. Wiadomo, że jeszcze dłuższy okres połowicznego rozpadu ma tellur-128. Tego zjawiska nigdy jednak bezpośrednio nie zaobserwowano, a okres półrozpadu tego pierwiastka wyliczono pośrednio z innego procesu.
XENON1T zbierał dane do grudnia 2018 roku. Wtedy to został wyłączony i obecnie jest rozbudowywany do urządzenia XENONnT. Znajdzie się w nim trzykrotnie więcej płynnego ksenonu niż obecnie, a urządzenie zostanie też lepiej zabezpieczone przez szumem tła. Dzięki temu stanie się ono czulsze o cały rząd wielkości.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Gdyby większość ciemnej materii istniała nie w postaci w formie cząstek, a mikroskopijnych czarnych dziur, to mogłyby one wpływać na orbitę Marsa tak, że bylibyśmy w stanie wykryć to za pomocą współczesnej technologii. Zatem zmiany orbity Czerwonej Planety mogłyby posłużyć do szukania ciemnej materii, uważają naukowcy z MIT, Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. A wszystko zaczęło się od odrodzenia hipotezy z lat 70. XX wieku i pytania o to, co stałoby się z człowiekiem, przez którego przeszłaby miniaturowa czarna dziura.
Pomysł, że większość ciemnej materii, której wciąż nie potrafimy znaleźć, istnieje w postaci miniaturowych czarnych dziur, narodził się w latach 70. Wysunięto wówczas hipotezę, że u zarania wszechświata z zapadających się chmur gazu powstały niewielkie czarne dziury, które w miarę ochładzania się i rozszerzania wszechświata, rozproszyły się po nim. Takie czarne dziury mogą mieć wielkość pojedynczego atomu i masę największych znanych asteroid. W ostatnich latach hipoteza ta zaczęła zdobywać popularność w kręgach naukowych.
Niedawno jeden z autorów badań, Tung Tran, został przez kogoś zapytany, co by się stało, gdyby taka pierwotna czarna dziura przeszła przez człowieka. Tran chwycił za coś do pisania i wyliczył, że gdyby tego typu czarna dziura minęła przeciętnego człowieka w odległości 1 metra, to osoba taka zostałaby w ciągu 1 sekundy odrzucona o 6 metrów. Badacz wyliczył też, że prawdopodobieństwo, by taki obiekt znalazł się w pobliżu kogokolwiek na Ziemi jest niezwykle małe.
Jednak Tung postanowił sprawdzić, co by się stało, gdyby miniaturowa czarna dziura przeleciała w pobliżu Ziemi i spowodowała niewielkie zmiany orbity Księżyca. Do pomocy w obliczeniach zaprzągł kolegów. Wyniki, które otrzymaliśmy, były niejasne. W Układzie Słonecznym mamy do czynienia z tak dynamicznym układem, że inne siły mogłyby zapobiec takim zmianom, mówi uczony.
Badacze, chcąc uzyskać jaśniejszy obraz, stworzyli uproszczoną symulację Układu Słonecznego składającego się z wszystkich planet i największych księżyców. Najdoskonalsze symulacje Układu biorą pod uwagę ponad milion obiektów, z których każdy wywiera jakiś wpływ na inne. Jednak nawet nasza uproszczona symulacja dostarczyła takich danych, które zachęciły nas do bliższego przyjrzenia się problemowi, wyjaśnia Benjamin Lehmann z MIT.
Na podstawie szacunków dotyczących rozkładu ciemnej materii we wszechświecie i masy miniaturowych czarnych dziur naukowcy obliczyli, że taka wędrująca we wszechświecie czarna dziura może raz na 10 lat trafić do wewnętrznych regionów Układu Słonecznego. Wykorzystując dostępne symulacje rozkładu i prędkości przemieszczania się ciemnej materii w Drodze Mlecznej, uczeni symulowali przeloty tego typu czarnych dziur z prędkością około 241 km/s. Szybko odkryli, że o ile efekty przelotu takiej dziury w pobliżu Ziemi czy Księżyca byłyby trudne do obserwowania, gdyż ciężko byłoby stwierdzić, że widoczne zmiany wywołała czarna dziura, to w przypadku Marsa obraz jest już znacznie jaśniejszy.
Z symulacji wynika bowiem, że jeśli pierwotna czarna dziura przeleciałaby w odległości kilkuset milionów kilometrów od Marsa, po kilku latach orbita Czerwonej Planety zmieniłaby się o około metr. To wystarczy, by zmianę taką wykryły instrumenty, za pomocą których badamy Marsa.
Zdaniem badaczy, jeśli w ciągu najbliższych dziesięcioleci zaobserwujemy taką zmianę, powinniśmy przede wszystkim sprawdzić, czy nie została ona spowodowana przez coś innego. Czy to nie była na przykład nudna asteroida, a nie ekscytująca czarna dziura. Na szczęście obecnie jesteśmy w stanie z wieloletnim wyprzedzeniem śledzić tak wielkie asteroidy, obliczać ich trajektorie i porównywać je z tym, co wynika z symulacji dotyczących pierwotnych czarnych dziur, przypomina profesor David Kaiser z MIT.
A profesor Matt Caplan, który nie był zaangażowany w badania, dodaje, że skoro mamy już obliczenia i symulacje, to pozostaje najtrudniejsza część – znalezienie i zidentyfikowanie prawdziwego sygnału, który potwierdzi te rozważania.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.