De leder efter mørkt stof på jorden, under jorden og i rummet. Dens mystiske partikler er usynlige for videnskabelige instrumenter og manifesterer sig ikke nogen steder. Imidlertid er der samlet en solid "evidensbase" til fordel for deres eksistens. Har forskere en chance for nogensinde at opdage mørkt stof.
En nøglekomponent i universet
Partikler af mørkt stof blev født kort efter Big Bang, da universet var en rødglødende plasma. Da de afkøledes, dannede de klumper, der til sidst gav fremkomsten af stjerner og galakser. Hvis plasmaet kun indeholdt almindelige partikler, der udgør atomer, ville strålingen afvise dem fra hinanden og ikke lade dem danne nogen strukturer. Gravitationsbundne genstande dukkede hurtigt nok op, hvilket betyder at noget hjalp dem. Noget massivt stof holdt dem tilbage. Nu interagerer det ikke på nogen måde med almindeligt stof, udstråler ikke, derfor observerer vi det ikke ved nogen metoder.
Dette er hvordan forskere rekonstruerer universets udvikling, som ville være ufuldstændig uden deltagelse af mørkt stof. Denne konklusion blev nået tilbage i 1930'erne af den schweiziske astronom Fritz Zwicky. Han studerede klynger af galakser og spekulerede på, hvorfor de ikke spredte sig. Når alt kommer til alt er massen af de synlige galakser ikke nok til at holde klyngen. Derfor skal der være en skjult masse. Senere fandt denne hypotese adskillige bekræftelser af anomalierne i galaksernes rotationshastighed: delene af skiverne langt fra centrum bremses næppe, som de ville, hvis de kun bestod af stjerner.
Gravitationslinser gør det muligt at indirekte fange tilstedeværelsen af skjult masse. Denne effekt er skabt af to massive galakser placeret bag hinanden. Lys fra en fjern galakse bøjes af tyngdefeltet i en nærliggende, og som i en linse vises dets billede. Dette giver noget indblik i det mørke stof i galakser, der danner en enorm usynlig glorie omkring dem. Ved hjælp af forskellige modeller beregner forskere densitetsfordelingen af mørkt stof i glorien og på dette grundlag gætter på strukturen.
Til venstre - glorie af mørkt stof i galaksen NGC 4555.
Salgsfremmende video:
Mørk stofsammensætning
Fysikere er tilbøjelige til at tro, at mørkt stof består af partikler, der er ukendte for os.
”Astrofysiske observationsmetoder siger ikke noget om deres egenskaber. Det er muligt, at de ikke interagerer på nogen måde undtagen tyngdekraftsmetoden. Måske vil hverken direkte eksperimenter på jorden eller observationer i rummet føre til noget. Dette skal altid huskes,”siger Dmitry Gorbunov, korresponderende medlem af det russiske videnskabsakademi, chefforsker ved Institut for Nuklear Forskning ved det russiske videnskabsakademi til RIA Novosti.
Kandidater til rollen som mørke partikler inkluderer ultralette aksioner, svagt interagerende partikler (WIMP) og en steril neutrino, der hjælper med at forklare massen og svingningen af solneutrinoer.
”Den letteste sterile neutrino kan meget vel være en partikel af mørkt stof. Det er ikke stabilt, men det lever i meget lang tid. I galaksen skal sådanne partikler henfalde til neutrinoer og en foton. De drejer langsomt (10-3 gange lysets hastighed), så der forventes en top i røntgenområdet i foton-spektret,”siger videnskabsmanden.
Ifølge ham skal et godt spektrometer sendes i kredsløb for at forsøge at registrere sådanne begivenheder.
For to år siden modellerede Gorbunov og hans kolleger en af hypoteserne om en ustabil komponent af mørkt stof for at forklare uoverensstemmelsen i resultaterne af Planck-rumteleskopeksperimentet, som målte relikstrålingen. Måske var dette en fejltagelse eller måske en indikation af en eller anden egenskab ved mørkt stof. Forskere har antydet, at det mørke stof er heterogent i sammensætning, og at en del af det ikke har overlevet den dag i dag.
På jagt efter mørke partikler
Hvordan man fanger mørke stofpartikler er et af de vigtigste spørgsmål i fysikken. Mange teoretikere og eksperimenter forsøger at besvare det. Observationsmåden afhænger af modellen, hvor alle egenskaberne af den hypotetiske partikel er lagt. Hvis vi antager, at mørkt stof var i ligevægt i plasmaet i det tidlige univers - og der også var almindelige partikler - betyder det, at det på en eller anden måde interagerer med dem. Af alle de kendte typer interaktioner, bortset fra tyngdekraften, er den mest egnede den svage, der forekommer under beta-henfaldet i en atomkerne.
"Efter denne antagelse forbliver den nødvendige mængde mørkt stof, efter at det primære plasma er kølet af," forklarer Dmitry Gorbunov.
Baseret på dette kan mørke partikler ødelægges med dannelsen af en elektron og en positron. De leder efter spor af disse tilintetgørelser, men dette er under alle omstændigheder omstændigheder. Derudover er resultaterne temmelig fuzzy, partikler afbøjes, flyver rundt om galaksen, udsletter, mister energi, og hvad der når jorden er vanskeligt at skelne på baggrund af kosmiske stråler.
De forsøger at observere mørke partikler direkte i underjordiske detektorer, der registrerer neutrinoer. Under jorden falder baggrunden fra atmosfæriske partikler, detektorsubstansen afkøles, og du skal vente på, at en mørk stofpartikel rammer den. Disse begivenheder er sjældne i sig selv, da partiklen, hvis den interagerer, er svag. Virkningen forårsager excitation af atomet og et energibryst, som registreres af detektoren.
På samme tid er det umuligt at uendeligt øge volumenet af detektorsubstansen for at øge sandsynligheden for passage af mørke partikler uden tab af følsomhed. Derudover forstyrrer neutrinoer signalet. For at afskære det skal du muligvis bygge en helt ny detektor for at gå under dette signal.
”Det er nødvendigt at bruge påvisningen af partikelens slagretning. Dette vil undertrykke baggrunden markant, fordi neutrinoer flyver retningsvis fra solen, og mørkt stof vil ramme i andre retninger,”specificerer videnskabsmanden.
Den tredje retning er skabelsen af en mørk stofpartikel som et resultat af kollisionen med almindelige partikler ved LHC og andre acceleratorer. For en observatør vil det for eksempel ligne en foton, der er fløjet væk til siden. I henhold til loven om bevarelse af momentum skal en partikel også flyve ud i den anden retning, men der er ingen. Så hun er usynlig.
Indtil videre har ingen af måderne til at fange mørke stofpartikler været vellykkede. Det er ikke engang klart, hvilken af dem der er mest lovende.
Sammensætning af universet / illustration af RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
