Tanyakan Ethan: Kelebihan positron - apakah layak menghubungkan materi gelap dengan solusi semua misteri astrofisika?

Teleskop HAWC dengan bidang pandang luas melihat pulsar Geming dan PSR B0656 + 14 sebagai suar radiasi gamma, ukuran sudutnya lebih besar dari bulan (diberikan untuk skala).

Terlepas dari semua pengetahuan kita tentang hukum fisika dan keberhasilan Model Standar dan Teori Relativitas Umum, beberapa pengamatan fenomena di Alam Semesta tidak memiliki penjelasan yang komprehensif. Semesta masih penuh dengan misteri, mulai dari pembentukan bintang hingga sinar kosmik berenergi tinggi. Meskipun kami telah membuat banyak penemuan terkait ruang, kami masih belum tahu segalanya. Apakah ini berarti bahwa layak menghubungkan efek yang tidak diketahui dengan aksi materi gelap? Pembaca kami bertanya:

Biasanya ditulis tentang materi gelap yang tidak berinteraksi dengan materi, kecuali melalui gravitasi. Jadi bagaimana Anda mencarinya? Sepertinya teka-teki tua dengan lubang hitam mengisap semuanya. Dan kemudian saya membaca di artikel lain bahwa itu dapat dideteksi dengan cara lain, dan bukan hanya melalui pelensaan gravitasi. Bagaimana cara memusnahkan? Apakah itu terlihat seperti pemusnahan positron dengan elektron?

Ini daftar banyak misteri dan banyak bukti keberadaan materi gelap. Tetapi menghubungkan semua teka-teki dengan karya TM bukan hanya pendekatan jangka pendek, tetapi juga contoh yang bagus untuk menunjukkan apa yang terjadi ketika para ilmuwan kehabisan ide-ide bagus.


Masing-masing dari dua galaksi besar yang terang di pusat cluster Veronica Hair , NGC 4889 (kiri) dan NGC 4874 (kanan, sedikit lebih kecil), melebihi satu juta tahun cahaya. Tetapi pergerakan galaksi yang cepat yang terletak di pinggiran mengindikasikan adanya halo besar materi gelap di seluruh volume cluster

Materi gelap tersebar di seluruh alam semesta. Konsepnya pertama kali diusulkan pada 1930-an untuk menjelaskan gerak cepat galaksi individu dalam kelompok, karena ternyata semua materi normal - yang terdiri dari proton, neutron, dan elektron - tidak cukup untuk menjelaskan jumlah total gravitasi. Ini adalah bintang, planet, gas, debu, antarbintang dan plasma intergalaksi, lubang hitam dan semua yang dapat kita ukur. Ada banyak faktor menarik yang mendukung materi gelap.


Jaringan ruang angkasa dikendalikan oleh materi gelap, dan struktur skala terbesar ditentukan oleh laju ekspansi dan energi gelap. Struktur kecil yang terletak di sepanjang ulir terbentuk karena runtuhnya materi normal yang berinteraksi secara elektromagnetik.

Dan ini tidak hanya mencakup galaksi di cluster, meskipun setiap cluster pasti membutuhkannya. TM diperlukan untuk:

• deskripsi sifat rotasi galaksi,
• pembentukan galaksi dengan berbagai ukuran, dari galaksi elips raksasa seukuran Bima Sakti hingga galaksi kerdil kecil,
• interaksi antara pasangan galaksi,
• sifat-sifat kluster galaksi dan sifat kluster galaksi pada skala besar,
• jaringan ruang angkasa, termasuk struktur filamennya,
• Spektrum fluktuasi CMB,
• efek yang diamati dari pelensaan gravitasi pada massa yang jauh,
• perbedaan antara efek yang diamati dari gravitasi dan materi normal hadir dalam tabrakan gugus galaksi.

Dari skala kecil galaksi individu hingga alam semesta, materi gelap sangat dibutuhkan.


X-ray (pink) dan peta materi umum (biru) dari berbagai kelompok galaksi bertabrakan menunjukkan perbedaan antara materi normal dan efek gravitasi - ini adalah salah satu bukti paling meyakinkan untuk keberadaan materi gelap. Teori gravitasi alternatif harus menjadi sangat tegang sehingga banyak yang menganggapnya konyol

Jika Anda menggabungkan ini dengan kosmologi lainnya, kami akan menerima bukti bahwa setiap galaksi, termasuk galaksi kita, mengandung lingkaran cahaya yang sangat besar dari TM di sekitarnya. Tidak seperti bintang, gas, dan debu di galaksi yang ada dalam bentuk cakram, halo TM harus berbentuk bola, karena ada banyak bukti bahwa TM, tidak seperti materi berbasis atom normal, tidak merata ketika bertabrakan dengan dirinya sendiri atau dengan masalah biasa. Selain itu, TM harus paling padat di sekitar pusat galaksi, dan penurunan kepadatan saat bergerak menjauh, dan juga memanjang, mungkin, pada jarak sepuluh kali distribusi bintang. Akhirnya, di setiap halo harus ada benjolan kecil TM.


Menurut model dan simulasi, semua galaksi harus dikelilingi oleh lingkaran cahaya materi gelap dengan puncak kepadatan di pusat galaksi. Namun, jika hanya TM tidak akan mematuhi model tertentu dan memiliki sifat tertentu, akan sulit untuk menjelaskan kelebihan positron atau sinar gamma.

Untuk menjelaskan seluruh spektrum pengamatan di atas dan beberapa lainnya, TM seharusnya tidak memiliki sifat lain, kecuali untuk yang berikut:

• dia harus memiliki massa;
• ia harus berinteraksi secara gravitasi;
• itu harus bergerak perlahan relatif terhadap kecepatan cahaya dari waktu paling awal;
• seharusnya tidak mengalami jenis interaksi lainnya.

Itu saja. Semua interaksi lainnya sangat terbatas, tetapi tidak dikecualikan.

Jadi mengapa, setiap kali terjadi kelebihan partikel normal selama pengamatan astrofisika - foton, positron, antiproton, dll. - Apakah orang terutama berusaha untuk "menyalahkan" TM?


Jika Anda tidak tahu bagaimana menjelaskan pengamatan yang tidak terkait dengan gravitasi, segera salahkan TM untuk semuanya - itu artinya meraih sedotan.

Pada bulan November 2017, sebuah tim yang mempelajari sumber radiasi gamma dekat pulsar menerbitkan karya mereka di jurnal Science dan mencoba untuk lebih memahami dari mana kelebihan positron yang diamati berasal. Positron, antipartikel elektron, muncul secara alami ketika mempercepat partikel materi normal menjadi energi yang cukup tinggi, akibatnya pasangan elektron - positron dapat muncul dalam tabrakan, mulai dari Einstein's E = mc ² . Dalam percobaan dalam fisika partikel, kami membuat pasangan ini secara rutin, dan kami juga dapat melihat bukti penciptaan positron dalam astrofisika - keduanya secara langsung, ketika mencari sinar kosmik, dan tidak secara langsung, mempelajari tanda-tanda energi dari penyatuan kembali positron elektron.


Sinyal karakteristik untuk pemusnahan kembali elektron-positron pada energi rendah, pada garis foton 511 keV, diukur secara komprehensif oleh satelit INTEGRAL

Tanda-tanda astrofisika dari keberadaan positron terlihat di sekitar pusat Galaksi, mereka terkonsentrasi di sekitar sumber titik seperti mikroquarars dan pulsar yang terletak di wilayah misterius Galaksi kita yang disebut " annihilator besar ", dan diamati sebagai latar belakang yang tersebar yang tidak diketahui asalnya. Satu hal yang jelas: secara umum, kita melihat lebih banyak positron daripada yang seharusnya. Ini telah dikenal selama bertahun-tahun: sebagai hasil pengukuran oleh PAMELA , Fermi , spektrometer alfa magnetik di atas ISS. Baru-baru ini, observatorium HAWC telah mengukur sinar gamma dari energi sangat tinggi dari urutan TeV, yang menunjukkan bahwa partikel-partikel yang terdispersi sangat kuat datang kepada kita dari arah pulsar setengah baya. Tapi, sayangnya, ini tidak cukup untuk menjelaskan kelebihan positron.


Kelebihan positron berenergi tinggi sulit untuk dijelaskan, tetapi tidak adanya perataan grafik spektrum, berlanjut karena pengukuran HAWC, menunjukkan bahwa materi gelap adalah alasan untuk ini

Tetapi untuk beberapa alasan, dengan setiap pengukuran baru kelebihan positron atau pengamatan sumber astrofisika yang tidak dapat bertanggung jawab untuk itu, percakapan segera dimulai dengan gaya "kita tidak bisa menjelaskan ini, karena itu materi gelap yang harus disalahkan." Dan ini buruk - ada beberapa kandidat untuk sumber astrofisika yang tidak memerlukan eksotis:

• produksi sekunder dari positron dan sinar gamma pada partikel lain,
• microquarars atau lubang hitam lainnya yang menyerap materi,
• pulsar sangat muda atau sangat tua, termasuk magnetar,
• sisa-sisa supernova.

Dan ini bukan daftar lengkap - hanya contoh dari apa yang bisa menyebabkan kelebihan ini.


Sisa-sisa supernova tidak hanya melemparkan unsur-unsur berat yang diciptakan selama ledakan kembali ke Semesta - kehadiran unsur-unsur ini dapat ditentukan dari Bumi

Banyak ilmuwan yang bekerja di bidang ini cenderung materi gelap terutama karena jika ia memusnahkan dan menghasilkan sinar gamma dan partikel materi normal, itu akan menjadi revolusi dan terobosan. Ini akan ideal untuk pemburu materi gelap di antara para astrofisikawan. Tetapi angan-angan tidak berhasil, dan, sejauh yang dapat kita nilai, penghancuran partikel-partikel materi gelap masih belum terdeteksi oleh kita. Dan meskipun TM selalu dibedakan sebagai penjelasan yang mungkin untuk kelebihan positron, ini tidak lebih dari aktivitas alien dalam kasus bintang Tabby .


Gagasan melampirkan bintang di casing bahan pengumpul cahaya dikenal sebagai "bola Dyson." Selama konstruksi, dapat menutupi semakin banyak cahaya bintang. Penjelasan yang tidak biasa ini untuk aktivitas bintang Tabby mirip dengan penjelasan kelebihan positron menggunakan TM

Saya menghubungi Brenda Dingus, supervisor proyek HAWC, dan dia berkomentar seperti ini:

Tidak ada keraguan bahwa positron memiliki sumber lain. Namun, positron tidak merambat jauh dari sumber dan sumber positron di sekitarnya tidak begitu banyak. Dua kandidat sumber terbaik ditemukan oleh HAWC, dan sekarang kita tahu jumlah positron yang mereka pancarkan. Dan kita juga tahu bagaimana positron ini berserakan dari sumbernya, dan ini terjadi lebih lambat dari yang diperkirakan sebelumnya. Oleh karena itu, meskipun kami mengkonfirmasi keberadaan sumber positron di dekatnya, kami menemukan bahwa positron merambat sangat lambat dari sumbernya, dan karena itu tidak bertanggung jawab atas kelebihan positron yang ditemukan di Bumi.

Ketika Anda mencoret satu kemungkinan, itu meningkatkan kemungkinan yang lain. Namun, ini tidak berarti bahwa positron ini berasal dari materi gelap. Kami tidak bersungguh-sungguh.

Kelebihan positron yang dihipotesiskan dari pengamatan HAWC menunjukkan bahwa hanya sebagian kecil dari jumlah positron yang diperlukan dapat berasal dari sumber-sumber seperti pulsar setengah baya di dekatnya.

Fakta bahwa data dari HAWC menjelaskan keberadaan hanya 1% dari positron yang diamati dalam eksperimen lain memang demikian, dan ini sangat luar biasa - dan menunjukkan bahwa ada hal lain yang harus disalahkan atas kehadiran mereka. Ketika Anda memiliki pengamatan bahwa ide-ide biasa tidak dapat menjelaskan, misalnya, kelebihan positron astrofisika, Anda dapat mengajukan gagasan bahwa TM ini menunjukkan interaksi yang telah lama dicari. Tetapi jauh lebih mungkin bahwa beberapa proses astrofisika lainnya mempercepat partikel-partikel biasa yang diketahui, yang mengarah pada efek seperti itu. Ketika sebuah teka-teki muncul dalam sains, perlu untuk menjaga pikiran tetap terbuka terhadap kemungkinan revolusi, tetapi untuk bertaruh pada yang biasa. Dan jangan pernah percaya hype yang mengklaim sebaliknya.