La formación de la estructura cósmica en escalas grandes y pequeñas depende en gran medida de la interacción de la materia oscura y la normal. A pesar de la evidencia indirecta de la existencia de materia oscura, nos gustaría mucho detectarla directamente, y esto puede suceder solo si hay una intersección mutua no nula entre la materia normal y la oscura.El equilibrio de la materia en el Universo, a pesar de todos sus planetas, estrellas, gas, polvo, galaxias y todo lo que encontramos en él, no converge. En las escalas cósmicas más grandes, vemos lo mismo: para los efectos gravitacionales que observamos, no hay suficiente materia. La materia se acumula, formando una red cósmica; los cúmulos de galaxias crecen a un tamaño enorme, y dentro de ellas las galaxias se mueven a altas velocidades; Las galaxias individuales rotan a alta velocidad, permaneciendo grandes hasta su borde.
Pero todo esto no podría haber sucedido si no hubiera cinco veces más materia que todo por lo que solo los protones, neutrones y electrones pueden responder. Nuestra imagen del Universo necesita materia oscura (TM) para la consistencia interna. Y si es real, entonces nuestra Vía Láctea también tiene su propio halo de TM, y parte de esta TM pasa a través del sistema solar, la Tierra e incluso su cuerpo. Y aquí está cómo averiguar cuánto TM hay dentro de usted en este momento.
Para explicar los fenómenos observados en el Universo en las escalas más grandes, desde la radiación relicta hasta la red cósmica, los cúmulos de galaxias y las galaxias individuales, se requiere materia oscuraEn el Universo joven, todo era más cálido, más denso y más uniforme que hoy. En los primeros días, había áreas ligeramente más densas que contenían un poco más de materia promedio. La gravedad atrae más materia a esas áreas, y la radiación trabaja para expulsarla.
Si tuviéramos solo materia normal y sus partículas constituyentes junto con esta radiación, entonces las galaxias y los cúmulos galácticos de hoy serían completamente diferentes de lo que vemos. Pero si la TM está en una relación de 5 a 1 con la habitual, teóricamente podemos reproducir la red cósmica correspondiente a nuestras observaciones y mediciones.
En la escala más grande, las simulaciones (rojo) no corresponden a cómo se acumulan realmente las galaxias (azul y púrpura), a menos que se incluya materia oscura en ellas.Una de las consecuencias de la existencia de HM es que cualquier estructura grande que se forme en el Universo, por ejemplo, una galaxia, estará rodeada por un gran halo enrarecido de HM. Más cerca del centro de las galaxias, la materia normal (basada en átomos) se acumulará, ya que puede colisionar e interactuar consigo misma y con la radiación. Pero TM simplemente pasa por todo lo demás: a través de sí mismo, materia normal, fotones, etc.
Las partículas TM, que interactúan solo a través de la gravedad, no pueden perder un gran impulso inicial. En toda la historia del Universo, cada partícula de TM podría pasar por el centro de la galaxia no más de una docena de veces.
Según modelos y simulaciones, todas las galaxias deben estar envueltas en el halo TM, cuya densidad es máxima en el centro. Incluso a intervalos suficientemente largos de miles de millones de años, cada partícula TM en el borde del halo apenas completa una revolución.En la escala más grande del Universo, la materia oscura domina. Pero donde estamos, a 25,000 años luz del centro de la galaxia, la materia ordinaria prevalece localmente. En la Tierra, en el sistema solar, la situación es aún más diferente de la que reina en el espacio interestelar. La densidad del cuerpo humano es comparable al agua: 1000 kg / m
3 .
La densidad de la materia oscura donde vivimos, incluso en las simulaciones más realistas, es muchas veces menor:
10-12 kg / m
3 . Si recolecta toda la TM que está dentro de todas las personas en la Tierra en un determinado momento, no se escribirá en nanogramos.
Los terremotos son conocidos no solo por las grietas en la tierra, sino también por los cambios en la rotación de la Tierra, que, además, disminuye ligeramente en diámetro después de completar una revolución completa. Todo esto no afecta la TM, como nada más sucede en la Tierra, incluida la presencia o ausencia de personas.Si recolectas todo el HM de todo el sistema solar hasta la órbita de Neptuno, no obtienes más de 10
17 kg: la masa de un pequeño asteroide. Además, dado que no colisiona con la materia normal, no se mueve con el sistema solar. Ella:
- no gira alrededor del sol,
- no se mueve con el sol y otras estrellas alrededor del centro galáctico,
- no permanece en un plano,
- No gires con el disco de la Vía Láctea.
En otras palabras, en relación con la Tierra, ¡se mueve a una velocidad bastante alta bajo la influencia de la gravedad!
El halo de TM alrededor de nuestra galaxia debería demostrar propiedades de interacción ligeramente diferentes cuando la Tierra gira alrededor del Sol, cambiando nuestro movimiento a través de TM en nuestra galaxia.Si desea saber cuánto TM pasa a través de su cuerpo en un tiempo determinado, solo necesita multiplicar cuatro valores. Esto es:
- densidad de materia oscura
- El área de superficie de la persona a través de la cual pasa el TM,
- TM velocidad
- la cantidad de tiempo
Habiendo estimado la densidad de TM, y ya la conocemos, es
10-21 kg / m
3 , podemos obtener una respuesta de inmediato.
Nuestra galaxia está rodeada por un enorme halo disperso de TM, por lo que su flujo debe atravesar nuestro sistema solar. Pero su densidad es muy pequeña, lo que hace que sea muy difícil de detectar.La superficie de una persona es de 1,7 m
2 . Dado que la TM puede provenir de un ángulo aleatorio, podemos estimar el área intersectada por la TM en aproximadamente 0.6 m
2 .
Nuestro sistema solar se mueve en órbita alrededor del centro galáctico a una velocidad de aproximadamente 200 km / s, pero en relación con la TM, este movimiento debería ir más rápido, más cerca de 350 km / s. Esto significa que TM se mueve con relación a la Tierra a una velocidad del orden de 400 km / s.
Y podemos realizar cálculos para cualquier período de tiempo, por cada segundo, durante un año, para la vida de una persona (aproximadamente 80 años).
Moviéndose a través del cuerpo humano a una velocidad del orden de 400 km / s, cada partícula individual de la TM hace una revolución muy lentamente alrededor de la galaxia, en aproximadamente mil millones de años. Si hay alguna interacción entre TM y materia normal, tendremos la oportunidad de detectarla.Y si en algún momento hay
10-22 kg de TM dentro de usted, una cantidad mucho mayor pasa constantemente a través de usted.
- Cada segundo, alrededor de 2.5 × 10-16 kg de materia oscura pasarán a través de su cuerpo.
- Cada año - alrededor de 10 -8 kg.
- Durante la vida, aproximadamente 1 miligramo de TM pasará a través de una persona.
Una cantidad aparentemente pequeña durante un largo período de tiempo se recolecta en algo tangible.
Pabellón B en LNGS con una instalación de XENON con un detector ubicado dentro de un gran escudo de agua. Si TM se cruza con la materia normal, entonces el experimento tendrá la oportunidad de detectar directamente TM, y su cuerpo tendrá la oportunidad de reaccionar con él.El hecho de que los valores obtenidos no sean tan buenos no solo habla sobre el contenido de nuestro cuerpo, sino también sobre si podemos soñar con encontrar TM. Ya sea que se trate de partículas de masa muy pequeña o muy grande, al menos sabemos qué masa de TM pasa no solo a través de una persona, sino también a través de cualquier detector de un volumen dado. Si suponemos que conocemos la masa de HM, podemos calcular el número de partículas que pasan a través de cualquier cosa.
Durante varias décadas, hemos estado construyendo detectores cada vez más grandes y más sensibles, tratando de probar las interacciones evasivas probables entre HM y la materia ordinaria. Los detectores más avanzados de la actualidad usan átomos con un núcleo grande y una masa grande, y buscan signos de rebotes u otras interacciones. Y hasta ahora, todos los esquemas de detección directa para TM no han dado resultado.
Limitaciones en la intersección de las propiedades de la materia oscura y el rebote del núcleo, incluida la precisión prevista del proyecto XENON1T. Todos nuestros intentos de encontrar TM se basaron en un cierto conjunto de supuestos sobre la naturaleza de TM, pero las dimensiones de esta intersección mutua son muy limitadas.Según nuestros mejores supuestos, TM está en todas partes. Puede ser invisible para los ojos, pero podemos sentir su atracción gravitacional. Atraviesa toda la materia del Universo, incluidas las personas, como si no hubiera nada allí. Hasta donde sabemos, no hay colisiones o interacciones con él, excepto por la curvatura del espacio-tiempo bajo su influencia. No se arruga, no se agrupa, no forma estructuras como átomos o moléculas oscuras.
Y, sin embargo, si existe el más mínimo indicio de la posibilidad de una colisión de TM con materia normal o radiación, podemos detectarlo. Si incluso una partícula de TM choca con un protón o electrón en su cuerpo, tendremos una oportunidad. Es difícil pedir más cuando se trata de uno de los misterios más profundos del universo.