Pergunte a Ethan No. 66: Encontramos matéria escura?
De jeito nenhum. O que descobrimos, embora um mistério, mas certamente não a massa perdida do nosso universo
O tempo absorve tudo em si, o tempo leva o passado para mais longe e, finalmente, apenas a escuridão permanece. Escuridão.
- Stephen King
Mas ainda não temos o fim dos tempos, mas o fim da semana. Hora de responder à próxima pergunta na coluna "Pergunte ao Ethan", onde, escolhendo entre perguntas muito boas, escolhi uma pergunta de Joe Lathon, que pergunta sobre notícias recentes:li muitas manchetes em publicações físicas, como "Os pesquisadores descobriram um possível sinal da matéria escura" . Você poderia, com sua expressividade inerente, explicar o contexto da questão e a essência dessas notícias?Vamos dar a Joe o que ele precisa!
Em primeiro lugar, há o problema da matéria escura. Estudando um cluster galáctico - por exemplo, como o cluster Veronica Hair na foto acima, podemos aplicar dois métodos para medir sua matéria:- Observe todo o espectro de sinais eletromagnéticos que emanam dele, incluindo não apenas as estrelas que emitem luz, mas também a luz emitida e absorvida em outras partes do espectro. Isso nos dará informações sobre a quantidade de gás, poeira, plasma, estrelas de nêutrons, buracos negros, anões e até planetas no interior.
- Acompanhe o movimento de objetos em um aglomerado - neste caso, galáxias individuais - e use o conhecimento das leis da gravidade para calcular sua massa total.
Comparando os valores obtidos, veremos se toda a massa da matéria normal pertence ou se deve haver algo mais que não feito de prótons, nêutrons e elétrons.
O mesmo pode ser feito para galáxias individuais. Basta olhar para todos os diferentes componentes da galáxia em todos os comprimentos de onda. E para galáxias e para aglomerados, encontramos uma certa massa na forma de estrelas, então cerca de 5 a 8 vezes uma massa grande na forma de um gás neutro, muito pouco na forma de plasma (embora esteja cheio no espaço intergalático) e uma pequena fração na forma de outras tipos de massa combinados. Em média, além da massa total de todas as estrelas, há aproximadamente oito vezes a massa de outros componentes que consistem em matéria normal.Mas, tirando a massa total da gravidade, encontramos algo inesperado. Para justificar todos os efeitos gravitacionais observados, como as velocidades de rotação das galáxias a diferentes distâncias em espirais separadas e as velocidades das galáxias individuais em relação ao centro do aglomerado, precisamos de uma massa que não seja oito vezes a massa total de estrelas, mas cinquenta!
Essa diferença, bem como o fato de que precisamos de cerca de cinco vezes mais matéria em massa do que a matéria normal no Universo é encontrada hoje, é chamada de problema da matéria escura. Um grande número de observações - incluindo medições de distâncias e redshifts de velas astronômicas padrão, observações em escala gigante de grandes estruturas no Universo, observações de colisões de aglomerados galácticos e medições precisas da radiação cósmica de fundo de microondas (pós-brilho do Big Bang) - mostram que o problema não está na teoria da gravidade , e na existência de um novo tipo de matéria, que no Universo é cinco vezes mais que o atômico comum.E essa nova forma de matéria - matéria escura - entre outras coisas, não interage com a matéria e a radiação através de forças eletromagnéticas.
Também foi estabelecido que, seja qual for a matéria escura, essas não são partículas comuns do Modelo Padrão. Estes não são quarks, nem bósons, nem mesmo neutrinos. Seja o que for, deve ser um novo tipo de partícula que ainda não foi descoberto.Com base nas propriedades gravitacionais que essas partículas deveriam ter, elas deveriam ser coletadas em halos gigantes, tanto em torno de galáxias quanto em aglomerados, em esferóides gigantes rarefeitos.
Na maioria dos modelos de matéria escura, supõe-se que suas partículas devam ser suas próprias antipartículas. Portanto, onde a densidade da matéria escura é máxima (no centro de galáxias e aglomerados), existe a possibilidade de sua aniquilação. E, neste caso, duas partículas aniquiladoras emitirão dois fótons, cuja energia (para economizar energia e momento) corresponderá à massa restante da partícula.
Parece ótimo, certo? Nós apenas precisamos enviar telescópios com detectores de alta energia, nossos observatórios de raios X e raios gama, para os centros de galáxias e aglomerados, e procurar sinais dessa aniquilação. Isso significa procurar linhas espectrais de energia que não correspondam a partículas conhecidas.Bobagem, certo?
Não, espere um pouco. O problema é que no Universo existem muitos fenômenos diferentes de alta energia que não entendemos aqui na Terra! Porque Porque não podemos recriar todos esses fenômenos estranhos que ocorrem no espaço e não sabemos qual é a causa de muitos (ou mesmo da maioria) origens de radiação gama e raio-x observados por nós.Em outras palavras, existem muitas fontes de raios-x e raios gama, conhecidas, mas não conhecidas por nós.Segundo Joe, este ano uma nova linha de raios X foi descoberta - uma fonte da ordem de 3,5 keV - no núcleo da galáxia de Andrômeda e no núcleo do aglomerado de Perseu.
Sua causa é algo comum, como partículas acelerando em torno de um buraco negro supermassivo?Ou a razão para isso é uma nova partícula - o mesmo neutrino estéril, por exemplo - responsável pela matéria escura, aniquilando e, como resultado, mostrando sua massa de repouso equivalente a (através de E = mc 2 ) 3,5 keV? (Ou o dobro, 7 keV, se for uma partícula em decomposição).
A notícia quer que você acredite que a segunda opção é possível - porque seria legal se fosse matéria escura? Mas esse sinal não é apenas ainda não confirmado (o significado da detecção é 4σ, mesmo para um conjunto de dados combinado, quando o padrão para descobertas é 5σ), mas ainda não pode ser responsável pela matéria escura no Universo!Porque Dê uma olhada na imagem das regiões densas e rarefeitas do nosso Universo 380.000 anos após o Big Bang: radiação cósmica de fundo em microondas.
É fácil imaginar que naquela época o Universo era mais denso e jovem, mas é fácil esquecer que também era mais quente. Isso significa não apenas que a radiação estava quente, mas também que o assunto nela se movia a velocidades muito mais altas. E isso se aplica não apenas à matéria normal, como átomos, mas também à matéria escura.Por que isso é importante? Porque, para se dispersar em pedaços e manter a estrutura devido ao colapso gravitacional, a matéria deve se mover devagar o suficiente ou o colapso não ocorrerá. E se a matéria escura for muito clara, a estrutura não se formará suficientemente cedo para atender às observações!
O que podemos usar como limitação? As melhores medidas vêm de um fenômeno chamado floresta Lyman-alfa, que serve como uma medida da idade dos poços gravitacionais de nuvens de gás que estão fracamente ligadas gravitacionalmente. Obviamente, os objetos mais densos se transformarão em estrelas, galáxias e quasares - mas nuvens de gás intervirão no processo e absorverão parte da luz em frequências características.
Estudando a profundidade das “linhas florestais”, especialmente no início, podemos impor restrições ao peso da matéria escura. E mesmo nas circunstâncias mais livres, você pode ver que as linhas de absorção são incrivelmente fortes - elas correspondem ao fato de que a matéria escura é muito fria - o que significa que sua massa é limitada por baixo.
E qual é o significado? Agora deve ser mais pesado que 10 keV, a julgar pela força das linhas de absorção observadas. Em outras palavras, é 3 vezes mais pesado (ou 50% mais pesado no caso de uma partícula em decomposição) do que isso, supostamente, "sinal de matéria escura"!Não me entenda mal, a descoberta de uma linha potencialmente nova de radiação de raios-x é muito interessante e pode nos abrir uma nova astrofísica, ou, potencialmente (embora improvável), um novo tipo de partícula. Mas mesmo que se trate de uma nova partícula, ela não pertencerá à matéria escura, pois isso violaria toda a estrutura do Universo (especialmente em pequenas escalas), e nossas observações sobre essas estruturas excluem esse cenário.
Então, o que é interessante, mas não pode ser matéria escura? De maneira alguma, apenas se nós erramos algo terrivelmente em muitos lugares.Obrigado pela pergunta maravilhosa e espero que a explicação tenha sido esclarecida para você e para o resto. Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.Source: https://habr.com/ru/post/pt395571/
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