Tanya Ethan No. 66: Sudahkah kita menemukan materi gelap?
Tidak mungkin. Apa yang kami temukan, meskipun merupakan misteri, tetapi tentu saja bukan massa yang hilang dari alam semesta kita
Waktu menyerap segalanya dengan sendirinya, waktu membawa masa lalu semakin jauh, dan akhirnya hanya kegelapan yang tersisa. Kegelapan.
- Stephen King
Tetapi kita masih belum memiliki akhir zaman, tetapi akhir minggu. Saatnya menjawab pertanyaan berikutnya di kolom "Tanya Ethan", di mana, memilih di antara pertanyaan yang sangat bagus, saya memilih pertanyaan dari Joe Lathon, yang bertanya tentang berita terbaru:Saya membaca banyak berita utama dalam publikasi fisik, seperti "Para peneliti telah menemukan sinyal yang mungkin dari materi gelap" . Bisakah Anda, dengan ekspresif Anda yang melekat, menjelaskan latar belakang masalah dan inti dari berita ini?Mari berikan Joe apa yang dia butuhkan!
Pertama, ada masalah dark matter. Mempelajari kluster galaksi - misalnya, seperti klaster Veronica Hair pada foto di atas, kita dapat menerapkan dua metode untuk mengukur masalahnya:- Lihatlah seluruh spektrum sinyal elektromagnetik yang memancar darinya, termasuk tidak hanya bintang yang memancarkan cahaya, tetapi juga cahaya yang dipancarkan dan diserap di bagian lain dari spektrum. Ini akan memberi kita informasi tentang jumlah gas, debu, plasma, bintang neutron, lubang hitam, katai, dan bahkan planet di dalamnya.
- Lacak pergerakan objek dalam sebuah cluster - dalam hal ini, galaksi individual - dan gunakan pengetahuan hukum gravitasi untuk menghitung massa totalnya.
Membandingkan nilai yang diperoleh, kita akan melihat apakah seluruh massa materi normal milik, atau apakah harus ada sesuatu yang lain yang dibuat bukan dari proton, neutron dan elektron.
Hal yang sama dapat dilakukan untuk galaksi individual. Lihat saja semua komponen galaksi yang berbeda di semua panjang gelombang. Dan untuk galaksi, dan untuk kluster, kita menemukan massa tertentu dalam bentuk bintang, kemudian sekitar 5-8 kali massa besar dalam bentuk gas netral, sangat sedikit dalam bentuk plasma (meskipun penuh dalam ruang intergalaksi), dan sebagian kecil dalam bentuk lainnya jenis-jenis massa digabungkan. Rata-rata, selain massa total semua bintang, ada sekitar delapan kali massa komponen lain yang terdiri dari materi normal.Tetapi, dengan menghilangkan massa total dari gravitasi, kita menemukan sesuatu yang tidak terduga. Untuk membenarkan semua efek gravitasi yang diamati, seperti kecepatan rotasi galaksi pada jarak yang berbeda dalam spiral terpisah, dan kecepatan masing-masing galaksi relatif terhadap pusat cluster, kita membutuhkan massa yang tidak delapan kali total massa bintang, tetapi lima puluh!
Perbedaan seperti itu, juga fakta bahwa kita membutuhkan sekitar lima kali lebih banyak massa daripada materi normal di Alam Semesta yang ditemukan saat ini, disebut masalah materi gelap. Sejumlah besar pengamatan - termasuk pengukuran jarak dan pergeseran merah dari lilin astronomi standar, pengamatan skala besar pada struktur besar di Semesta, pengamatan tabrakan gugusan galaksi, dan pengukuran akurat radiasi latar belakang kosmik gelombang mikro (cahaya pijar dari Big Bang) - menunjukkan bahwa masalahnya bukan pada teori gravitasi , dan dengan adanya jenis materi baru, yang di Semesta lima kali lebih banyak dari atom biasa.Dan bentuk materi baru ini - materi gelap - antara lain, tidak berinteraksi dengan materi dan radiasi melalui gaya elektromagnetik.
Juga telah ditetapkan bahwa apa pun materi gelap ini, ini bukan partikel biasa dari Model Standar. Ini bukan quark, bukan boson, bahkan bukan neutrino. Apa pun itu, pastilah itu jenis partikel baru yang belum ditemukan.Atas dasar sifat-sifat gravitasi yang seharusnya dimiliki oleh partikel-partikel semacam itu, partikel-partikel itu harus dikumpulkan dalam lingkaran cahaya raksasa, baik di sekitar galaksi maupun di sekitar kelompok, dalam spheroid raksasa yang langka.
Dalam sebagian besar model materi gelap, diasumsikan bahwa partikelnya harus anti partikelnya sendiri. Oleh karena itu, di mana kepadatan materi gelap maksimum (di pusat galaksi dan kluster), ada kemungkinan penghancurannya. Dan dalam hal ini, dua partikel pemusnahan akan memancarkan dua foton, energi masing-masing (untuk menghemat energi dan momentum) akan sesuai dengan massa sisa partikel.
Kedengarannya bagus, bukan? Kita hanya perlu mengirim teleskop dengan detektor berenergi tinggi, observatorium sinar-X dan gamma, ke pusat galaksi dan kluster, dan mencari sinyal penghancuran ini. Ini berarti mencari garis spektrum energi yang tidak sesuai dengan partikel yang diketahui.Omong kosong, kan?
Tidak, tunggu sebentar. Masalahnya adalah bahwa di Semesta ada banyak fenomena energi tinggi yang berbeda yang tidak kita mengerti di Bumi! Mengapa Karena kita tidak dapat menciptakan kembali semua fenomena aneh yang terjadi di ruang angkasa, dan kita tidak tahu apa penyebab dari banyak (atau bahkan sebagian besar) latar belakang radiasi sinar gamma dan sinar-x yang kita amati.Dengan kata lain, ada banyak sumber sinar-x dan sinar gamma, yang diketahui, tetapi tidak kita kenal.Menurut Joe, tahun ini sebuah garis sinar-X baru ditemukan - sumber dari urutan 3,5 keV - di dalam inti galaksi Andromeda dan inti dari gugus Perseus.
Apakah penyebabnya sesuatu yang biasa, seperti partikel yang melaju di sekitar lubang hitam supermasif?Atau apakah alasan untuk ini partikel baru - neutrino steril yang sama, misalnya - bertanggung jawab atas materi gelap, memusnahkan dan sebagai hasilnya menunjukkan massa sisanya setara dengan (melalui E = mc 2 ) 3,5 keV? (Atau dua kali lipat, 7 keV jika itu adalah partikel yang membusuk).
Berita itu ingin Anda percaya bahwa opsi kedua adalah mungkin - karena itu akan keren jika ternyata menjadi materi gelap? Tetapi sinyal ini bukan hanya belum benar-benar dikonfirmasi (pentingnya deteksi adalah 4σ bahkan untuk kumpulan data gabungan, ketika standar untuk penemuan adalah 5σ), itu masih tidak dapat bertanggung jawab atas materi gelap di Semesta!Mengapa Lihatlah gambar daerah padat dan langka di alam semesta kita 380.000 tahun setelah Ledakan Besar: radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik.
Sangat mudah untuk membayangkan bahwa pada saat itu alam semesta lebih padat dan lebih muda, tetapi mudah untuk melupakan bahwa ia juga lebih panas. Ini berarti tidak hanya bahwa radiasi itu panas, tetapi juga bahwa materi di dalamnya bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi. Dan ini berlaku tidak hanya pada materi normal, seperti atom, tetapi juga pada materi gelap.Mengapa ini penting? Karena untuk tersesat dalam gumpalan dan mempertahankan struktur akibat keruntuhan gravitasi, materi harus bergerak cukup lambat, atau keruntuhan tidak akan terjadi. Dan jika materi gelap terlalu terang, struktur tidak akan terbentuk cukup awal untuk memenuhi pengamatan!
Apa yang bisa kita gunakan sebagai batasan? Pengukuran terbaik datang dari fenomena yang disebut hutan Lyman-alpha, yang berfungsi sebagai ukuran usia sumur gravitasi awan gas yang secara gravitasi terikat lemah. Tentu saja, objek terpadat akan berubah menjadi bintang, galaksi dan quasar - tetapi awan gas akan campur tangan dalam proses tersebut, dan mereka akan menyerap sebagian cahaya pada frekuensi karakteristik.
Mempelajari kedalaman “garis hutan”, terutama di awal, kita dapat menerapkan batasan pada berat materi gelap. Dan bahkan dalam keadaan paling bebas, Anda dapat melihat bahwa garis serapannya sangat kuat - mereka bersesuaian dengan fakta bahwa materi gelap sangat dingin - yang berarti bahwa massanya terbatas dari bawah.
Dan apa artinya? Sekarang itu harus lebih berat dari 10 keV, dilihat dari kekuatan garis serapan yang diamati. Dengan kata lain, itu 3 kali lebih berat (atau 50% lebih berat dalam kasus partikel yang membusuk) daripada ini, diduga, "sinyal materi gelap"!Jangan salah paham, penemuan garis radiasi x-ray yang berpotensi baru sangat menarik, dan dapat membuka kita astrofisika baru, atau, berpotensi (walaupun tidak mungkin), jenis partikel baru. Tetapi bahkan jika itu ternyata menjadi partikel baru, itu tidak akan menjadi milik materi gelap, karena ini akan melanggar seluruh struktur Semesta (terutama pada skala kecil), dan pengamatan kami terhadap struktur ini mengecualikan skenario seperti itu.
Jadi apa yang menarik, tetapi tidak bisa materi gelap? Tidak berarti, hanya jika kita mengacaukan sesuatu di banyak tempat.Terima kasih atas pertanyaan yang luar biasa ini, dan saya harap penjelasannya menjadi jelas bagi Anda dan yang lainnya. Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.Source: https://habr.com/ru/post/id395571/
All Articles