Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Ciemna materia i ciemna energia. Tajemnicze 95% wszechświata
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Książki
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Czarne dziury od dziesięcioleci fascynują naukowców, pisarzy i zwykłych zjadaczy chleba. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, wszystko, co dostaje się do czarnej dziury opada do jej centrum i zostaje tam zniszczone przez gigantyczną grawitację. Centrum to, zwane osobliwością, to nieskończenie mały punkt, w którym przyspieszenie grawitacyjne jest nieskończone. Tam skupia się cała materia czarnej dziury.
Na łamach Physical Review Letters ukazał się artykuł autorstwa Steffena Gielena z University of Sheffield i Lucíi Menéndez-Pidal z Universidad Complutense de Madrid, którzy stwierdzają, że osobliwość nie oznacza końca, a raczej nowy początek. Tym nowym początkiem mają być białe dziury, w które zmieniają się czarne dziury.
Para uczonych wykorzystała mechanikę kwantową oraz uproszczony teoretyczny model płaskiej dwuwymiarowej czarnej dziury. Od dawna zastanawiano się, czy mechanika kwantowa może zmienić nasze rozumienie czarnych dziur i pozwolić nam zajrzeć w głąb ich prawdziwej natury. Z punktu widzenia mechaniki kwantowej czas nie może się skończyć, gdyż układy ciągle zmieniają się i ewoluują, stwierdza Gielen. Naukowcy pokazali jak, za pomocą praw mechaniki kwantowej, osobliwość wewnątrz czarnej dziury zostaje zastąpiona przez wielki region fluktuacji kwantowych, niewielkich zmian energii, gdzie czas i przestrzeń nie mają końca. W regionie tym czas i przestrzeń zmieniają się w nową fazę, zwaną białą dziurą. To obszar, w którym przestrzeń zaczyna funkcjonować przeciwnie do czarnej dziury. W ten sposób białe dziury mogą być miejscem, gdzie czas się rozpoczyna. O ile czarne dziury wszystko pochłaniają, białe dziury mają wyrzucać z siebie materię, a nawet czas, z powrotem do wszechświata.
O ile, zwykle, czas jest postrzegany zawsze w odniesieniu do obserwatora, w naszych badaniach czas pochodzi od tajemniczej ciemnej energii, która wypełnia wszechświat. Proponujemy, by czas był mierzony przez ciemną energię obecną wszędzie we wszechświecie i odpowiedzialną za jego aktualne rozszerzanie się, dodaje Gielen. W artykule ciemna energia została użyta niemal w roli punktu odniesienia, a czas i energia są uzupełniającymi się bytami.
To jednak dopiero początek. Hipotetycznie może istnieć obserwator – jakiś hipotetyczny byt – który wejdzie do czarnej dziury, przejdzie przez to, co opisujemy jako osobliwość i pojawi się po drugiej stronie białej dziury. To wysoce abstrakcyjne, ale w teorii może się wydarzyć, stwierdza uczony.
Jednak odkładając na bok tego hipotetycznego obserwatora, niezwykle istotnym elementem nowych rozważań jest sugestia, że istnieje głęboka łączność pomiędzy naturą czasu w jego najbardziej podstawowej formie, a ciemną energią, która wypełnia kosmos i rządzi jego rozszerzaniem się. Nowe badania sugerują też inne podejście do prób połączenia grawitacji i mechaniki kwantowej.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Prowadzony głęboko pod włoskimi Alpami eksperyment XENON1T mógł wykryć ciemną energię, twierdzą członkowie międzynarodowej grupy badawczej, na której czele stali uczeni z Cambridge University. W artykule opublikowanym na łamach Physical Review D uczeni z Wielkiej Brytanii, Włoch, Holandii, Francji i USA donoszą, że część z niewyjaśnionych sygnałów mogło zostać spowodowanych interakcją z ciemną energią, a nie ciemną materią dla której XENON1T został zaprojektowany.
XENON1T znajduje się we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso położonym 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.
Przed rokiem informowaliśmy, że „Najczulszy detektor ciemnej materii zarejestrował niezwykłe sygnały. Fizycy nie wiedzą, czym one są", a kilka miesięcy później pojawiła się informacja o kilku interesujących hipotezach dotyczących tych sygnałów. Nikt wówczas nie przypuszczał, że rozwiązaniem zagadki może być ciemna energia, gdyż XENON1T nie został przygotowany do jej rejestrowania.
Autorzy najnowszych badań stworzyli model fizyczny, który wyjaśnia część z tych niezwykłych sygnałów. Zgodnie z nim, mamy tu do czynienia z cząstkami ciemnej energii, które powstały w regionie Słońca o silnych polach magnetycznych.
To, co jesteśmy w stanie obecnie dostrzec stanowi mniej niż 5% wszechświata. Cała reszta jest dla nas ciemna. Wszechświat składa się w 27% z ciemnej materii, a 68% stanowi ciemna energia. Pomimo tego, że obie te składowe są dla nas niewidoczne, znacznie więcej wiemy o ciemnej materii, gdyż jej obecność sugerowano już w latach 20. ubiegłego wieku. O tym, że musi istnieć też ciemna energia dowiedzieliśmy się dopiero w 1998 roku, wyjaśnia doktor Sunny Vagnozzi z Kavli Institute for Cosmology na Cambridge University. Wielkie eksperymenty, jak XENON1T zostały zaprojektowane tak, by bezpośrednio wykrywać ciemną materię, rejestrując zderzenia jej cząstek z cząstkami zwykłej materii. Jednak uchwycenie ciemnej energii jest jeszcze trudniejsze.
Chcąc wykryć ciemną energię naukowcy poszukują dowodów jej oddziaływania grawitacyjnego na otoczenie. Wiemy, że w największej skali – całego wszechświata – ciemna energia odpycha obiekty od siebie, dlatego też wszechświat rozszerza się coraz szybciej.
Przy tego typu złożonych badaniach często pojawiają się niewytłumaczalne sygnały, które po analizach zwykle okazują się różnego typu zakłóceniami. Gdy w XENON1T zarejestrowano w ubiegłym roku wspomniane już tajemnicze sygnały, pojawiło się kilka pomysłów na to, czym mogą one być. Najpopularniejsze wyjaśnienie brzmiało, że zarejestrowano aksjony, hipotetyczne cząstki tworzące ciemną materię, oraz że pochodziły one ze Słońca. Jednak analizy wykazały, że liczba aksjonów, które musiałyby dotrzeć do nas ze Słońca, by wywołać taki sygnał w XENON1T musiałaby być bardzo duża. Tak duża, że gdyby gwiazdy emitowały tyle aksjonów, to gwiazdy o masie większej od masy Słońca ewoluowałyby w inny sposób, niż ewoluują.
Autorzy najnowszych badań przyjęli więc założenie, że tajemnicze sygnały wywołała ciemna energia. I stworzyli model, który pokazuje, co powinien zarejestrować XENON1T gdyby dotarła doń ciemna energia wygenerowana w tachoklinie, obszarze Słońca, w którym pola magnetyczne są wyjątkowo silne.
Naukowcy byli zaskoczeni, gdy okazało się, że ich model pasuje do obserwacji. Uzyskane wyniki sugerują bowiem, że wykrywacze takie jak XENON1T mogą być też używane do poszukiwania ciemnej energii. Vagnozzi i jego koledzy zastrzegają jednak, że ich badania wciąż wymagają potwierdzenia. Musimy wiedzieć, że to nie jest jakieś zakłócenie. Jeśli jednak XENON1T coś zarejestrował, to w niedalekiej przyszłości powinniśmy zarejestrować podobne, ale znacznie silniejsze sygnały, mówi Luca Visinelli z Narodowych Laboratoriów Frascati we Włoszech.
Uczony ma tutaj na myśli badania prowadzone przez znacznie większe i doskonalsze urządzenia. Takie jak LUX-ZEPLIN, XENONnT czy PandaX-xT, które już rozpoczęły pracę lub w najbliższym czasie ją rozpoczną.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Pomimo tego, że jest milion razy mniejszy, pojedynczy neutron może wpływać na energię molekuły. Teraz fizykom z MIT i innych uczelni udało się zmierzyć wpływ neutronu na radioaktywną molekułę, co może mieć fundamentalne znaczenie dla badań nad ciemną materią czy naruszeniem symetrii.
Naukowcy opracowali technikę wytwarzania i badania krótko żyjących radioaktywnych molekuł z precyzyjnie kontrolowaną liczbą neutronów. Wybrali liczne izotopy tej samej molekuły, a w każdym z nich był o 1 neutron mniej, niż w poprzednim. Następnie mierzyli energię każdej z molekuł i byli w stanie wykryć minimalne, niemal niewidoczne różnice pomiędzy nimi.
Możliwość zarejestrowania takich różnic oznacza, że naukowcy będą w stanie badać radioaktywne molekuły pod kątem występowania w nich zjawisk wywoływanych przez obecność ciemnej materii lub też przyczyn naruszenia symetrii we wszechświecie.
Jeśli prawa fizyki są symetryczne, a sądzimy, że są, to w wyniku Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Jednak fakt, że obserwujemy niemal wyłącznie materię, a antymateria to jedynie jedna część na miliard, oznacza, że coś narusza podstawową symetrię fizyki w sposób, którego nie potrafimy wyjaśnić, mówi profesor Ronald Fernando Garcia Ruiz z MIT.
Teraz mamy szansę zmierzyć te naruszenia symetrii, używając przy tym ciężkich radioaktywnych molekuł, które są niezwykle czułe na zjawiska, jakich nie obserwujemy w innych molekułach. Może to nam dostarczyć odpowiedzi na najwięsze tajemnice dotyczące powstania wszechświata, dodaje.
Większość jąder atomowych ma kształt sfery z równo rozłożonymi protonami i neutronami. Jednak niektóre pierwiastki radioaktywne, jak rad, mają jądra o kształcie gruszki. Protony i neutrony są w nich rozłożone nierównomiernie. Fizycy uważają, że takie zaburzenie kształtu może zwiększać naruszenie symetrii, które spowodowało, iż wszechświat składa się z materii. "Jądra pierwiastków radioaktywnych mogą pozwolić nam na obserwowanie tego naruszenia", uważa współautor najnowszych badań, Silviu-Marian Udrescu. "Problem w tym, że są one bardzo niestabilne i krótkotrwałe. Potrzebujemy więc bardzo czułych metod, które pozwolą nam na ich szybkie wytwarzania i badanie.
Naukowcy umieszczali radioaktywne pierwiastki w molekule, co dodatkowo zwiększa zaburzenie symetrii. Każda z radioaktywnych molekuł składa się z co najmniej jednego radioaktywnego atomu związanego z co najmniej jednym innym atomem. Każdy z atomów otoczony jest chmurą elektronów, które tworzą pole bardzo silne elektryczne molekuły. Naukowcy uważają, że pole to może dodatkowo wzmacniać subtelne zjawiska, jak np. zaburzenie symetrii.
Autorzy badań tworzą molekuły, które nie istnieją w naturze. W ubiegłym roku poinformowali u uzyskaniu monofluorku radu (RaF), radioaktywnej molekuły składającej się z atomu radu i atomu fluoru. Teraz zaczęli uzyskiwać izotopy tej molekuły, zawierające różną liczbę neutronów.
Podczas swojej pracy wykorzystali urządzenie ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) z CERN-u. Powstaje w nim cała grupa molekuł, w tym RaF, które są oddzielane od reszty za pomocą laserów, pól elektromagnetycznych i pułapek jonowych. Następnie naukowcy badają masę molekuł, dzięki czemu poznają liczbę neutronów w jądrach radu. Następnie sortują molekuły w zależności od liczby neutronów. W ten sposób uzyskali pięć grup identycznych izotopów RaF. Izotopy w każdej z grup mają inną liczbę neutronów niż w pozostałych grupach. Następnie dokonywali pomiarów poziomów energetycznych cząsteczek.
Wyobraźmy sobie molekułę, która wibruje jak dwie piłki na sprężynie. Posiada ona pewną energię. Jeśli w jednej z tych piłek zmienimy liczbę neutronów, może zmieć się poziom energetyczny. Jednak każdy z neutronów jest 10 milionów razy mniejszy niż molekuła. Więc różnice są tutaj minimalne. Szczerze mówiąc, nie spodziewaliśmy się, że za pomocą współczesnych technik będziemy w stanie je zauważyć. Ale się udało. I bardzo wyraźnie to widać, mówi Udrescu.
Naukowiec porównuje czułość eksperymentu do możliwości zaobserwowania, jak Mount Everest, umieszczony na powierzchni Słońca, zmienia promień naszej gwiazdy. Dodaje, że zaobserwowanie naruszenia symetrii wymaga czułości odpowiadającej obserwacji wpływu ludzkiego włosa na zmianę promienia Słońca.
Uzyskane wyniki pokazują, że radioaktywne molekuły, takie jak RaF, są niezwykle czułe na pewne zjawiska, dzięki czemu możemy badać te zjawiska. Bardzo ciężkie radioaktywne molekuły są wyjątkowe. Są wrażliwe na zjawiska, jakich nie możemy zaobserwować w innych molekułach. Jeśli więc szukamy tego, co narusza symetrię, jest spora szansa, że zauważymy to w takich właśnie molekułach, dodaje Udrescu.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Od dawna wśród astronomów i fizyków trwa spór, czy tajemnicza ciemna materia faktycznie istnieje we Wszechświecie - czy może są to jakieś odstępstwa od tego, jak rozumiemy grawitację. Naukowcy analizujący przegląd nieba KiDS, a wśród nich polski astronom Maciej Bilicki z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, sprawdzali to, wykorzystując obserwacje tysięcy galaktyk.
Ciemna materia to składnik Wszechświata, którego nie obserwujemy bezpośrednio. O jej istnieniu wnioskujemy na podstawie oddziaływań grawitacyjnych ze zwykłą (świecącą) materią. Obecność ciemnej materii została zaproponowana dla wytłumaczenia obserwowanej rotacji galaktyk oraz ruchów galaktyk w gromadach – widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty. Modele wskazują, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej, niż materii zwykłej.
W nowych badaniach, które przeprowadził zespół naukowców pod kierunkiem Margot Brouwer (Uniwersytet w Groningen i Uniwersytet Amsterdamski), postanowiono sprawdzić zarówno hipotezę ciemnej materii, jak i różne teorie grawitacji.
Badacze wykorzystali dane z przeglądu nieba Kilo-Degree Survey (KiDS), wykonanego przy pomocy VLT Survey Telescope (VST), należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Mierzyli tzw. słabe soczewkowanie grawitacyjne, czyli niewielkie ugięcie światła galaktyk spowodowane przez grawitację innych galaktyk położonych bliżej nas. Do analiz wybrano galaktyki z obszaru nieba o powierzchni 1000 stopni kwadratowych (2,5 procent sfery niebieskiej), badając rozkład grawitacji dla około miliona galaktyk. Dane na temat analizowanych galaktyk pochodziły z katalogu opublikowanego niezależnie przez międzynarodową grupę, którą kierował dr hab. Maciej Bilicki.
Dla prawie 260 tysięcy galaktyk udało się zmierzyć tzw. relację przyspieszenia radialnego (ang. Radial Acceleration Relation, w skrócie RAR). Opisuje ona związek pomiędzy spodziewaną, a obserwowaną grawitacją (obserwowaną na podstawie widocznej materii), z czego można wysnuć wnioski ile jest nadmiarowej grawitacji.
Do tej pory ta nadmiarowa grawitacja była wyznaczana w zewnętrznych regionach galaktyk jedynie poprzez obserwację ruchu gwiazd oraz zimnego gazu. Wykorzystując efekt soczewkowania grawitacyjnego badacze byli teraz w stanie wyznaczyć RAR w rejonach o stukrotnie słabszej sile grawitacji niż dotąd, sięgając w rejony znajdujące się daleko poza centrami galaktyk.
Sprawdzili cztery różne modele teoretyczne – dwa zakładające istnienie ciemnej materii i dwa ze zmodyfikowanym prawem grawitacji (tzw. „zmodyfikowana dynamika newtonowska”, w skrócie MOND od angielskiego określenia „Modified Newtonian Dynamics”). Okazało się, że najlepiej do wyników pasuje symulacja o nazwie MICE (jedna z uwzględniających ciemną materię), ale pozostałe warianty również pozostają w grze.
W dalszym toku badań podzielono galaktyki z badanej próbki na młode (niebieskie galaktyki spiralne) i stare (czerwone galaktyki eliptyczne). Powstają one w różny sposób, a względna ilość zwykłej i ciemnej materii w różnych typach galaktyk może się zmieniać. Z kolei z alternatywnych teorie grawitacji wynika, że zależność ta powinna być stała. Dało to szansę na dalszą weryfikację poszczególnych modeli.
W teoriach zmodyfikowanej grawitacji, takich jak MOND, ta relacja powinna być zawsze taka sama, niezależnie od typu galaktyki, gdyż jedynym znaczącym parametrem (determinującym RAR) jest w tych modelach łączna masa całej zwykłej materii (świecącej) – czyli gwiazd i gazu. Natomiast w standardowym modelu kosmologicznym galaktyki czerwone mają stosunkowo więcej ciemnej materii niż niebieskie, przy tej samej łącznej masie zwykłej materii – czyli stosunek ilości ciemnej materii do materii świecącej jest większy dla galaktyk czerwonych niż dla niebieskich, tłumaczy Bilicki.
Nasze badania pokazują, że relacja RAR jest inna dla galaktyk czerwonych niż dla niebieskich. To wyjaśniałoby różnice w mierzonej relacji RAR i wykluczałoby teorie takie jak MOND czy grawitacja entropiczna, dodaje polski astronom.
Naukowiec mówi, że potrzebne są jednak dalsze obserwacje, bowiem może zachodzić także sytuacja, że galaktyki czerwone mają w rzeczywistości znacznie więcej zwykłej materii niż nam się wydaje, jeśli są otoczone ogromnymi obłokami rzadkiego, gorącego gazu (w przeciwieństwie do niebieskich, które tego gorącego gazu miałyby znacznie mniej). Taki wariant nie wykluczałby przynajmniej niektórych alternatywnych teorii grawitacji.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Powstała największa mapa ciemnej materii, niewidzialnego materiału, który – jak sądzą naukowcy – stanowi ok. 80% materii wszechświata. Jako że materia zagina światło astronomowie, obserwując światło dochodzące do nas z odległych galaktyk, wnioskują o obecności materii na podstawie zaburzeń jego drogi.
W ramach Dark Energy Survey (DES) naukowcy zaprzęgli do pracy sztuczną inteligencję, której zadaniem była analiza światła ze 100 milionów galaktyk. W ten sposób powstała wielka mapa materii wykrytej pomiędzy nami a obserwowanymi galaktykami. Obejmuje ona 25% nieboskłonu półkuli południowej.
Większość materii we wszechświecie to ciemna materia. To wspaniale, że możemy rzucić okiem na te rozległe ukryte struktury na tak dużym obszarze nieboskłonu. Nasza mapa, która pokazuje głównie ciemną materię, wykazuje podobne wzorce do mapy tworzonej z samej widocznej materii. Mamy tutaj podobną do pajęczej sieci strukturę gęstych zbitek materii z wielkimi pustymi przestrzeniami pomiędzy nimi, mówi Niall Jeffrey z University College London (UCL).
Widoczne galaktyki tworzą się w najgęstszych regionach występowania ciemnej materii. Gdy patrzymy na nocne niebo widzimy światło galaktyk, ale nie dostrzegamy otaczającego ich dysku materii. Wykorzystując soczewkowanie grawitacyjne, czyli obliczając, jak materia zaburza światło, otrzymujemy pełny obraz. Zarówno materii widzialnej jak i niewidzialnej, dodaje Ofer Lahav z UCL.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.