U novoj eri široko rasprostranjenog istraživanja tamne materije kontroverzna ideja njezine koncentracije u tankim diskovima izlazi iz znanstvenog zaborav
Godine 1932. nizozemski astronom Jan Oort prebrojio je zvijezde u Mliječnom putu i otkrio da su nestale. Na temelju činjenice da se zvijezde, krećući se u krugu u ravnini galaksije, skakuću gore-dolje poput konja na vrtiću, Oort je izračunao da bi tvar koja vrši gravitacijski utjecaj na njih i pokretala ih u pokretu trebala biti dvostruko veća nego što je vidio … Oort je postulirao da nedostatak čini skrivena "tamna tvar", i predložio da je koncentriran u disku, što objašnjava kretanje zvijezda.
Međutim, otkriće tamne materije, kako se naziva nevidljiva i neodređena materija, koja čini pet šestina mase svemira, obično se pripisuje švicarsko-američkom astronomu Fritzu Zwickyju, koji je 1933. godine svoje postojanje izvukao iz međusobnih kretanja galaksija. Oort nije bio dobro poznat s razloga što je bio na krivom putu. Do 2000. godine, autori novih studija Mliječnog puta, koristeći metodu Oort, utvrdili su da je "nestala" masa sadržana u slabašnim zvijezdama, plinu i prašini, a potreba za tamnim diskom više nije bila potrebna. Savjeti od prije 80 godina ukazuju na to da tamna tvar, što god ona bila, tvori sferne oblake oko galaksija, nazvane "halosi".
Pa, barem tako kažu većina lovaca na tamnu tvar. No iako je koncept tamnog diska izgubio svoju popularnost, nikada nije u potpunosti napušten. U novije vrijeme tu je ideju pronašla velika obožavateljica Lisa Randall, profesorica fizike na Sveučilištu Harvard, koja je teoriju diskova izvukla iz znanstvenog zaborava i gurnula u središte galaktičke scene.
Predlažući svoj model 2013. godine, Randall i njegovi kolege tvrdili su da bi tamni disk mogao objasniti gama zrake koje potiču iz galaktičkog centra, ravnu raspodjelu patuljastih galaksija u orbiti oko maglice Andromeda i Mliječnog puta, pa čak i periodične pade kometa i masovna izumiranja. vrste na Zemlji. O tome je pisala u svojoj popularnoznanstvenoj knjizi Dark Matter and the Dinosaurs, objavljenoj 2015. godine.
Međutim, astrofizičari koji popisuju Mliječni put prosvjedovali su, tvrdeći da se ukupna masa galaksije i skokovi njezinih zvijezda previše podudaraju, ne ostavljajući mjesta tamnom disku. "Mnogo je čvršće nego što misli Lisa Randall", kaže astrofizičar sa sveučilišta u Torontu Jo Bovy.
Sada Randall, koji je razvio niz velikih ideja o kritičnim pitanjima iz fundamentalne fizike, uzvraća udarac. U radu objavljenom prošlog tjedna na mreži i prihvaćenom za objavljivanje u časopisu Astrophysical Journal, Randall i njen student Eric Kramer pronašli su otvor u obliku diska u svojoj analizi Mliječnog puta: „Postoji važan detalj koji još uvijek imamo još nisu obraćali pažnju, pišu. "Disk može stvoriti prostor za sebe."
Ako tamni disk prođe kroz srednju ravninu galaksije, tvrde Randall i Kramer, onda gravitacija preostalu materiju povlači prema unutra, što dovodi do povećanja gustoće zvijezda, plina i prašine u srednjoj ravnini. Znanstvenici obično izračunavaju ukupnu prividnu masu Mliječnog puta ekstrapoliranjem prema van na temelju gustoće srednje plohe. Ako dođe do sužavajućeg učinka, ova ekstrapolacija će dovesti do preuveličavanja prividne mase, i tada se stvara dojam da masa odgovara kretanju zvijezda. Iz tog razloga, autori prethodnih studija nisu vidjeli dokaze o tamnom disku, kaže Kramer. Zajedno s Randallom, vjeruju da je moguć tanki tamni disk i da je na neki način poželjno da je njegova prisutnost odsutna.
Promotivni video:
"Lizin rad je oživio ovaj posao", kaže Chris Flynn sa Tehnološkog sveučilišta Swinburne u Melbourneu u Australiji. On je zajedno s Johanom Holmbergom (Johan Holmberg) početkom 2000-ih vodio nekoliko "inventara" Mliječnog puta koji su, čini se, potpuno uništili sve mogućnosti postojanja tamnog diska.
Bowie se ne slaže. Čak i ako uzmemo u obzir sužavajući učinak, prema njegovoj procjeni, ne više od 2% ukupne količine tamne materije može biti u tamnom disku, dok bi ostatak tvari trebao tvoriti halo. "Mislim da većina ljudi želi shvatiti što je 98% tamne materije, a ne 2%", kaže on.
Ova će se rasprava, poput sudbine tamnog diska, uskoro moći riješiti. Satelit Europske svemirske agencije Gaia trenutno teleskopira položaje i brzine milijardu zvijezda, a konačni registar Mliječnog puta mogao bi biti gotov krajem sljedećeg ljeta.
Mladi galaktički skup Abel 2151 u zviježđu Herkul
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A Fujii / Digitized Sky Sky 2
Otvaranje tamnog diska bilo koje veličine bilo bi izuzetno otkrivajuće. Ako postoji, ispasti će tamna tvar puno složenija nego što znanstvenici dugo vjeruju. Materija se skuplja u oblik diska samo ako ima sposobnost emitiranja energije, a najbolji način emitiranja dovoljno energije je formiranje atoma. Postojanje tamnih atoma značilo bi da tamni protoni i tamni elektroni, nabijeni poput vidljivih protona i elektrona, međusobno djeluju kroz tamnu silu koju prenose tamni fotoni. Čak i ako je 98% tamne materije inertno i tvori halo, postojanje najtanjeg tamnog diska značilo bi prisutnost "mračnog sektora" nepoznatih čestica, raznovrsnog koliko i vidljivi Svemir.
„Obična je materija prilično složena; postoji materija koja igra ulogu atoma, a postoji materija koja se ne igra, kaže astrofizičar sa Sveučilišta u Kaliforniji, James, Bullock. "Stoga, ne bi bilo suludo zamišljati da su ostalih pet-šestina materije u Svemiru također prilično složene i da postoji određeni dio ovog mračnog sektora koji postoji u obliku vezanih atoma."
Koncept složenosti tamne materije u posljednje vrijeme nalazi sve više pristalica, čemu pomažu astrofizičke anomalije, koje se zapravo ne uklapaju u ideju tamne materije kao pasivne, spore i „slabo interaktivne masivne čestice“. Te anomalije, kao i činjenica da tijekom detaljnih eksperimenata u različitim zemljama svijeta tako teške slabo interaktivne čestice (WIMP-ove) nikada nisu otkrivene, oslabile su ovu teoriju i označile početak nove ere u kojoj svatko može nagađati da je to za takvu zvijer - tamna materija.
To doba nastupilo je negdje 2008. godine, kada su sudionici eksperimenta PAMELA otkrili višak pozitrona koji dolaze iz svemira (u usporedbi s elektronima). Ova asimetrija potaknula je zanimanje za sada popularni model „asimetrične tamne materije“koji su predložile Kathryn Zurek i njezine kolege. Tada je u opticaju bilo nekoliko ideja, osim koncepta wimps. "Bilo je modelara poput mene koji su shvatili da je ideja tamne materije potpuno nerazvijena u tom smjeru", kaže Tsurek, koja sada radi u Nacionalnom laboratoriju. Lawrence Berkeley u Kaliforniji. "Stoga smo uronili u ovaj posao."
Još jedan poticaj bio je gustoća patuljastih galaksija. Kada znanstvenici pokušavaju modelirati njihovo nastajanje, patuljaste galaksije imaju tendenciju da su previsoke u njihovim središtima, osim ako znanstvenici ne pretpostave da čestice tamne materije mogu međusobno komunicirati pomoću tamnih sila. Ali ako tome dodamo previše jaku interakciju, tada uništavamo modele formiranja struktura u ranom Svemiru.
"Pokušavamo shvatiti što se može tolerirati", kaže Bullock, koji također dizajnira ove modele. Većina modelara omogućuje slabe interakcije koje ne utječu na oblik haloa tamne materije. "Ali ono što je izvanredno, postoji klasa tamne materije koja omogućava formiranje diskova", kaže Bullock. U ovom slučaju će djelovati samo mali dio čestica tamne materije, ali one će djelovati dovoljno snažno da rasipaju energiju i zatim tvore diskove.
Randall i njezini kolege JiJi Fan, Andrey Katz i Matthew Reece došli su na ideju 2013. na isti način kao i Oort. Pokušali su objasniti prividnu anomaliju Mliječnog puta. Takozvana Fermijeva linija višak je gama zraka određene frekvencije koji dolaze iz galaktičkog središta. "Obična tamna tvar nije mogla uništiti dovoljno da proizvede Fermi liniju," kaže Randall, "i tako smo pomislili, što ako je mnogo gušće?" Tako je tamni disk dobio drugi život. Fermi linija nestala je kako se pojavilo više podataka, ali ideju diska ipak je bilo vrijedno istražiti. U 2014., Randall i Rees sugerirali su da upravo zbog diska postoje intervali od 30 do 35 milijuna godina između sve veće aktivnosti kometa i meteora.koje neki znanstvenici povezuju s periodičnim masovnim izumiranjem. Svaki put kada Sunčev sustav odskoči gore ili dolje na plovidbi Mliječnog puta, tvrde, gravitacijski učinak diska mogao bi destabilizirati asteroide i komete u Oortovom oblaku, deponiji na periferiji našeg Sunčevog sustava nazvanoj po nizozemskom astronomu. Ti predmeti lete prema unutarnjem dijelu Sunčevog sustava, a neki padaju na Zemlju.
No, Randall i njezin tim učinili su samo slijed i, kako se ispostavilo, pogrešna analiza koliko prostora u ukupnoj masi Mliječnog puta ostaje za tamni disk, sudeći po gibanju zvijezda. "Dali su neke odvratne izjave", rekao je Bovey.
Randall, poznata među vršnjacima po svojoj tvrdoglavosti (prema Rhysu), privela je Kramera da odgovori na kritike i "izgladio sve bore" u analizi prije nego što Gaijevi podaci postanu dostupni. Nova analiza pokazala je da jednom kada postoji tamni disk, on ne može biti toliko gust kao što je u početku vjerovao njezin tim. Ali bilo je mjesta i za tanki tamni disk, zbog njegovog sužavajućeg učinka i dodatne nesigurnosti uzrokovane promatranjem čistog nanosa zvijezda na Mliječnom putu.
Chris McKee i kolege sa Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyju identificirali su novi problem, o kojem su pisali u The Astrophysical Journal. McKee misli da bi se tanki, tamni disk još uvijek mogao ugurati u masovnu pohranu Mliječnog Puta. Ali ovaj disk može biti toliko tanak da se jednostavno urušava. Citirajući istraživanja iz 1960-ih i 1970-ih, McKee i njegovi kolege pišu da diskovi ne mogu biti puno tanji od diska vidljivog plina u Mliječnom putu jer bi se oni urušili. "Možda tamna tvar ima svojstva koja se razlikuju od svojstava obične materije i to sprečavaju, ali ne znam što bi moglo biti", rekao je McKee.
Randall se još uvijek nije borio s ovim posljednjim napadom, nazivajući ga "škakljivim pitanjem koji se trenutno proučava". Također se složila sa stavom koji je iznio Bowie - da je disk nabijenih tamnih atoma beznačajan u usporedbi s prirodom 98% tamne materije. Sada istražuje mogućnost da se sva tamna tvar može nabiti jednom mračnom silom, ali zbog viška tamnih protona nad tamnim elektronima, samo se sitni dio veže u atome i provodi u disk. U ovom slučaju, disk i halo moraju biti sastavljeni od istih elemenata, "što bi bilo ekonomičnije", kaže ona. "Mislili smo da bi to moglo biti isključeno, ali nije uspjelo."
Za sada tamni disk živi dalje - kao simbol svega što je nepoznato o tamnoj strani svemira. "Mislim da je u ovom području vrlo, vrlo korisno da različiti ljudi gledaju na različite ideje", kaže Bullock. "Zato što nemamo pojma što je - tamna materija i moramo biti spremni na razne mogućnosti."
