Zbigwie Zbigwie
1339
BLOG

Wyobraźnia bez rygorów eksperymentu ma wartość śmiecia intelektualnego? – cz.4

Zbigwie Zbigwie Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 63

4. World Dark Matter Day na Salonie24

image

Dark Matter Day 2018.

On or around October 31, 2018, the world will celebrate the historic hunt for the unseen—something that scientists refer to as dark matter. More than 110 global, regional, and local events were held on and around October 31, 2017 by institutions and individuals looking to engage the public in discussions about what we already know about dark matter and the many present as well as planned experiments seeking to solve its mysteries.

Dark Matter Day to inicjatywa Interactions Collaboration - globalnej grupy uczonych zajmujących się fizyką cząstek elementarnych, która ma rzucić światło na tę tajemniczą materię i pracę naukowców, aby zrozumieć tę cichą, niewidzialną i ważną obecność we Wszechświecie. Trwa globalne polowanie na brakującą materię wszechświata i dzisiaj wszyscy mogą się do niego przyłączyć.

Celem Dark Matter Day jest podkreślenie globalnego poszukiwania tajemniczej i jeszcze niewykrywalnej substancji, która wraz z ciemną energią stanowi około 95 procent masy i energii w naszym wszechświecie. Ciemna materia jest wszędzie, ale jak dotąd wiemy o niej bardzo mało. Coroczne wydarzenie Dark Matter Day polega na wyjaśnianiu tego, co wiemy o ciemnej materii, ale także mówieniu o tym, ile jeszcze musimy się nauczyć.

W tym celu uniwersytety, laboratoria i naukowe instytucje na całym świecie ogłosiły wydarzenia związane z Dark Matter Day. Lista wydarzeń zarejestrowanych do tej pory jest dostępna na stronie https://www.darkmatterday.com/events-list/, można je wyszukiwać według lokalizacji i daty, a także uczestniczyć w kilku wydarzeń na żywo w mediach społecznościowych.

Dzień ten świętuje mnóstwo instytucji naukowych na całym świecie. Świętuje je też m.in. SNOLAB - podziemne laboratorium naukowe specjalizujące się w fizyce neutrin i ciemnej materii - położone 2 km pod powierzchnią w kopalni Vale Creighton w pobliżu Sudbury Ontario w Kanadzie.

Wydarzenia Dark Matter Day mają na celu rozpowszechnienie informacji o fascynujących poszukiwaniach ciemnej materii przez naukowców oraz o znaczeniu poświęcenia zasobów naukowych dla wyjaśnienia tej kosmicznej zagadki. Chociaż naukowcy nie wykryli jeszcze ciemnej materii, istnieją przytłaczające dowody na jej istnienie.

A my rozpoczynamy celebrowanie Światowego Dnia Ciemnej Materii na Salonie24 jako pierwszym tego typu wydarzeniu w Polsce.

image

4. Czy widziałeś ciemną materię?

image

Prawie wszyscy fizycy są przekonani o istnieniu ciemnej materii /CM/, ale jej właściwości, oprócz oczywistego wpływu grawitacyjnego na galaktyki i ich gromady, pozostają przedmiotem kontrowersji wśród astrofizyków i kosmologów. Przez długi czas zakładano, że ciemna materia składa się z różnych cząstek, które w żaden sposób nie manifestują się i tylko przyciągają widoczne nagromadzenia materii barionowej. Nieudane poszukiwanie cząstek CM w ciągu ostatnich dwóch dekad doprowadziło niektórych teoretyków do przekonania, że ciemna materia może w rzeczywistości składać się z tak zwanych aksjonów - hipotetycznych ultralekkich cząstek, które są podobne pod względem masy i własności do neutrin. /Jak pokazały symulacje komputerowe, gdy hipotetyczne aksjony są wystarczająco lekkie, to składająca się z nich ciemna materia w galaktyce zaczęła jednoczyć się w osobliwe krople, jak kondensat Bosego-Einsteina. Inni badacze sugerują, że CM może nie być cząstką, ale jak płyn składać się z różnych postaci, z których jedna lub więcej może stopniowo się rozpadać dokonując przejścia fazowego we Wszechświecie. Nowe pomysły dotyczące istoty CM powstają jak grzyby po deszczu, a nowe modele są popierane symulacjami komputerowymi.

image

Ciemna materia stała się w XXI wieku niezwykle popularna. Prawie tak popularna jak dinozaury, których wymieranie mogło być z nią związane.

A przecież CM materia jest bodajże najważniejszą częścią wszechświata - gdyby nie było tej substancji, nie byłoby ani galaktyk, ani gwiazd, ani dinozaurów.

Ostatnio dość często pojawia się inny rodzaj narzekania na ciemną materię. Mówią: nikt jej nie widział i wymyślili ją tylko po to, by ukryć niezdolność astrofizyki do objaśniania Wszechświata. Nawiązywanie do faktu, że ciemna materia znakomicie wyjaśnia różnorodne efekty, a jej ilość jest mierzona z dokładnością do kilku procentów nie pomaga. Argument typu "nikt nie widział ani nie czuł" okazuje się nadzwyczaj silny dla pewnej grupy fizyków

Tymczasem ciemnej materii jest pięć razy więcej niż zwykłej barionowej. I to ona utworzyła szkielet naszego wszechświata – doprowadziła do uformowania galaktyk

image

Dla tych, którzy wciąż wątpią w istnienie ciemnej materii, istnieje obraz Hubble'a dwóch gromad galaktyk, które przelatywały przez siebie, z nakładką gorącego gazu z teleskopu rentgenowskiego Chandra (różowy) i mapą rozkładu masy opartą na wynikach soczewkowania grawitacyjnego odległych galaktyk (niebieski). Gdzie jest większość zwykłych (barionowych) skupisk materii?

Nie w gwiazdach, ale w gazie - przynajmniej jego udział jest pięć razy większy niż gwiazd. Masę gazu szacuje się na podstawie natężenia promieniowania rentgenowskiego - im jest ono wyższe, tym częściej zderzają się cząstki. Gaz jest gorący, więc jest doskonale widoczny na zdjęciu rentgenowskim.

Co tam się stało? Podczas „przelotu” gromady jednej przez drugą, gaz obu gromad nieelastycznie oddziałując, zgromadził się w środku obłoku i pozostał w tyle za swoimi galaktykami. On stanowi dużą część zwykłej materii klastra. Gwiazdy galaktyk - mniejsza część zwykłej materii - przelatywały obok siebie swobodnie i kontynuowały wędrówkę. Ale to tylko jedna piąta masy. A gdzie główna część, która jest pokazana na niebiesko? Nie tam, gdzie jest gaz, ale tam, gdzie gwiazdy: tzn. główna masa, wielokrotnie większa niż masa gazu i masa gwiazd, zachowywała się jak gwiazdy – jej „obłoki” przelatywały swobodnie poprzez siebie i kontynuowały swoją drogę. Tak może zachowywać się tylko ta materia, która nie wchodzi w interakcje ze zwykłą materią i ze sobą – tylko ciemna materia (lepiej brzmiałaby nazwa niewidzialna) może zachowywać się w ten sposób.

W jaki sposób mapa rozmieszczenia mas została pokazana na niebiesko? Używano dobrze ugruntowanej techniki, którą nazywa się "słabym soczewkowaniem grawitacyjnym". Gdyby nie było ciemnej materii, wówczas niebieski kolor dotyczący rozkładu masy na tym obrazie byłby taki sam jak różowy, związany z dystrybucją gazu.

Podobnie wygląda obraz Hubble'a z gromady galaktyk Abell 3827 - w której zderzają się cztery galaktyki. - przedstawiający rozkład ciemnej materii. Rozkład ciemnej materii w klastrze jest pokazany za pomocą niebieskich linii obrysowych

image

Powiększ!

To odkrycie jest złą wiadomością dla modeli "oddziałujących z sobą" ciemnej materii. Ciemna materia wyraźnie nie oddziałuje zbytnio - jeśli w ogóle – ze zwykłą materią poprzez normalne siły elektromagnetyzmu, silną lub słabą siłę. Gdyby tak było, byłoby to znacznie łatwiejsze do wykrycia.

A tu być może mamy zdjęcie ciemnej energii w gromadzie Perseusza.

Kosmiczny Teleskop Chandra zarejestrował 2 stycznia 2018 r. dziwne promieniowanie w gromadzie Perseusza. Dlaczego gromada Perseusza tak dziwnie świeci w ultrafiolecie? Nikt dokładnie nie wie… Lecz popularna hipoteza mówi, że to rentgenowskie promieniowanie jest dawno oczekiwaną oznaką ciemnej materii. Niektórzy przypuszczają, że to może być hipotetyczna fluoroscencyjna ciemna materia.

image

KLIKNIJ i przeczytaj

Problemy związane z ruchem galaktyk w gromadach i gwiazd w galaktykach próbowano wyjaśniać bez obecności CM poprzez zmianę praw grawitacji wymyślając teorie zmodyfikowanej grawitacji.

Alternatywne teorie grawitacji były proponowane od czasów Einsteina. Ale teoria Einsteina trwa jak skała. Alternatywne teorie potrzebują mnóstwa wszelkiego rodzaju dodatkowych "rekwizytów" i upadają jedna po drugiej, gdy pojawiają się nowe dane.

Istnieje jednak o wiele silniejszy argument na korzyść rzeczywistości istnienia ciemnej materii. On dotyczy kosmologii - historii wczesnego Wszechświata: ciemnej materii na „dziecięcym” zdjęciu Wszechświata.

Fluktuacje promieniowania tła kosmicznego zostały po raz pierwszy dokładnie zmierzone przez COBE w latach 90., a dokładniej przez WMAP w latach 2000 i Planck (powyżej) w latach 2010. Ten obraz koduje ogromną ilość informacji o wczesnym Wszechświecie, w tym jego skład, wiek i historię.

image

Mapa fluktuacji temperaturowych promieniowania reliktowego. Cosmic microwave background: reproduced in false color to bring out the patterns more clearly. The color range corresponds to CMB temperature variations from −300 µK (blue) to +300 µK (red) around the mean temperature. (ESA / Planck collaboration).

Główny dowód obecności ciemnej materii już we wczesnym Wszechświecie jest "zaszyfrowany" w mapę promieniowania reliktowego. Jest to najbogatsze źródło kosmologicznej informacji o ciemnej materii. Promieniowanie reliktowe to mikrofalowe tło, "schłodzone światło" gorącej plazmy, które przestało współdziałać ze środowiskiem kosmicznym, kiedy Wszechświat liczył zaledwie 380 tysięcy lat, a temperatura wynosiła 3000 Kelwinów (teraz 2,7 ⁰K). To było w epoce rekombinacji - wtedy nastąpiło przejście zwykłej materii z plazmy nieprzezroczystej dla fotonów, do stanu gazowego przezroczystego. Materia w tym dziecięcym Wszechświecie była znacznie bardziej jednorodna niż obecnie - nie było galaktyk, skupisk galaktyk i pustek (nie wspominając już o gwiazdach i planetach), a niejednorodność zwykłej materii była rzędu 10ᶺ(-5). Te niejednorodności prowadzą do zależności temperatury reliktowego promieniowania tła od kierunku na sferze niebieskiej (anizotropii), mierzonej z dużą dokładnością w licznych eksperymentach, wśród których eksperyment kosmiczny Plancka jest prawdopodobnie najważniejszy. Innymi słowy, mapa temperaturowa Wszechświata w wieku 380 tysięcy lat jest lekko „plamista”. Kontrast tych plamek jest tylko nieco wyższy niż 10ᶺ(-5), ale zawiera wiele informacji.

image

Rozkład mapy fluktuacji temperaturowych promieniowania reliktowego na multipole. Krzywa znana jako „Power Spectrum”  .

Ciemna materia i zwykła materia wpływają na temperaturę reliktowego promieniowania tła w całkowicie różny sposób. Dla zwykłej materii, głównym efektem jest niejednorodność gorącego środowiska, które przejawia się w akustycznych oscylacjach plazmy. W literaturze rosyjskojęzycznej nazywane są one często "oscylacjami Sacharowa", a w literaturze anglojęzycznej nazywane są "oscylacjami akustycznymi" . Drgania te są wyraźnie widoczne w danych dotyczących reliktowego promieniowania tła – tam gdzie gęstość gorącego środowiska jest wyższa, temperatura jest większa.

W przypadku ciemnej materii nie ma takiego zjawiska: temperatura jej nie dotyczy - ciemna materia jest zimna. Ściśle mówiąc, nie jest tu ważna temperatura, której nie znamy (zależy ona od masy cząstek ciemnej materii), ale prędkość cząstek - musi być na tyle mała, aby cząstki mogły się gromadzić w studniach grawitacyjnych. Nagromadziły się one do czasu rekombinacji o prawie dwa rzędy wielkości zwiększając głębokość studni grawitacyjnych (gdzie gęstość jest większa) lub wysokość garbów (gdzie gęstość jest niższa). Te doły i garby są faktycznie widoczne na mapie promieniowania reliktowego, chociaż nie bezpośrednio, ale po pewnej obróbce. Ten zabieg nazywa się "dekompozycją w kątowych multipolach" - odzwierciedla zależność kontrastu plam od ich wielkości.

Rozkład pokazany jest na rysunku powyżej. Nie będę tu wyjaśniał jak uzyskano rozkład mapy na multipole, ani co to są te multipole – proszę poczytać o analizie harmonicznej i zobaczyć o oscylacjach amplitudy akustycznych fal stojących przyjmując, że pierwotne kwantowe perturbacje zaczęły rozprzestrzeniać się po całym ówczesnym wszechświecie, podobnie jak fale akustyczne. No i o falach akustycznych gęstości w tym dziecięcym Wszechświecie też można poczytać.

Gładkie szczyty na rysunku, z których najwyższe odpowiadają rozmiarowi plam około jednego stopnia, pojawiły się ze względu na zwykłą materię - odpowiadają wspomnianym powyżej oscylacjom akustycznym. Wysokość tych szczytów silnie zależy od koncentracji zwykłej materii - stąd uzyskano bardzo dokładny pomiar tej koncentracji. Jeśliby nie było ciemnej materii, to pod tymi szczytami prawie nic nie pojawiłoby się.

Tutaj przejawia się ciemna materia, „ściekająca” w tworzone przez nią grawitacyjne studnie. Fal akustycznych w CM nie ma (nie ma ciśnienia) i wkład ciemnej materii do kątowych multipoli nie oscyluje.

Reliktowe fotony wydostające się ze studni grawitacyjnych, tracą energię; ich częstotliwość, a tym samym temperatura, maleje.

Ciemna materia prowadzi również do anizotropii promieniowania CMB, ale w ramach zupełnie innego mechanizmu.

W rezultacie wzór szczytów i dolin, które pojawiają się w CMB jest różny w zależności od tego, ile każdego składnika znajduje się we Wszechświecie.

 I złożony obraz anizotropii CMB na który wpływa zarówno barionowa, jak i ciemna materia doskonale opisuje fakt, że medium kosmiczne w młodym Wszechświecie składa się zarówno ze zwykłej materii, jak i ciemnej materii w stosunku masowym 1: 5. Struktura szczytów CMB zmienia się w zależności od tego, co jest we Wszechświecie .

Porównując modele teoretyczne dotyczące założonej ilości materii barionowej oraz ciemnej (dla określonej wartości ciemnej energii) z obserwacjami, istnieje niezwykle przekonujące dopasowanie do Wszechświata za pomocą ciemnej materii, skutecznie wykluczające Wszechświat bez niej.

Względne wysokości, miejsca i liczby pików, które widać, są spowodowane względną obfitością ciemnej materii, normalnej materii przy określonej ilości ciemnej energii, a także szybkością ekspansji Wszechświata. Co całkiem istotne, jeśli nie ma ciemnej materii, widać tylko połowę całkowitej liczby szczytów!

Wzory szczytów akustycznych obserwowany w CMB z satelity Plancka skutecznie wykluczają Wszechświat, który nie zawiera ciemnej materii.

Podsumowując mówimy, że ciemna materia jest niezwykle ważna dla naszego istnienia. Gdyby tak nie było, wówczas niejednorodności materii we wszystkich skalach odległości w temperaturze 3000 K byłyby, jak powiedzieliśmy, względną wartością rzędu 10ᶺ(-5). Ważne jest, aby przedtem gorąca substancja znajdowała się w stanie plazmy, aby było w niej wiele fotonów, które zapewniałyby wysokie ciśnienie, a amplituda niejednorodności barionowej materii nie wzrastała. To, ściśle rzecz biorąc, można zobaczyć w schemacie promieniowania reliktowego. Gdyby przestrzeń była wypełniona tylko zwykłą materią, wtedy amplituda niejednorodności wzrosłyby od tego czasu określoną, niezbyt dużą liczbę razy.

Tak więc, gdyby nie ciemna materia, wówczas względna amplituda niejednorodności wynosiłaby teraz kilka procent. To nie wystarczy, by powstały poważne struktury z niejednorodności - galaktyki, gromady galaktyk, gwiazdy, planety, ty i ja. Wszechświat nadal byłby prawie jednorodny i pozbawiony życia. Wszystko ratuje ciemna materia. Dzięki niej, niejednorodności o stosunkowo niewielkich rozmiarach zaczynają rosnąć długo przed rekombinacją i stają się wystarczające do tworzenia pierwszych gęstych obszarów ciemnej materii po setkach milionów lat. Regiony o większej gęstości ciemnej materii grawitacyjnie przyciągają do siebie barionową materię, która po rekombinacji z kolei gromadzi się w studniach grawitacyjnych utworzonych przez ciemną materię. Tak powstają pierwsze gwiazdy, potem galaktyki i gromady galaktyk. Taki obraz jest ogólnie potwierdzany przez duży zestaw danych obserwacyjnych i nie pasuje do idei zmodyfikowanej grawitacji.

Ogólny wniosek: dzięki obserwacjom wiemy stosunkowo wiele o Wszechświecie i miejsca na egzotyczne hipotezy pozostaje już niewiele. We wszechświecie jest ciemna materia, wiemy, ile jej jest, wiele jej właściwości jest znamy. Jej rola we wszechświecie jest też znana - coś w rodzaju struktury wspierającej, ramy, czy szkieletu Wszechświata. Ale nie wiadomo, z czego jest wykonana ta rama! Istnieje wiele hipotez na ten temat, ale jak na razie ciemna materia ucieka przed bezpośrednim wykryciem i przejawia się tylko dzięki grawitacji. Znalezienie tego, z czego się składa, jest jednym z najbardziej ambitnych zadań dla fizyków.

image

Schemat piramidy kompozycji wszechświata i różne techniki, które można wykorzystać do pomiaru jego składników. Na przykład, dowody na istnienie ciemnej materii pochodzą z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i wzorów oraz wzrostu kosmicznej struktury. Badania laboratoryjne mogą identyfikować ciemną materię poprzez wykrywanie cząstek halo ciemnej materii lub wytwarzanie jej w akceleratorach.

Od lat siedemdziesiątych astronomowie i fizycy gromadzili dowody na obecność we wszechświecie tajemnicze ciemnej materii. Jednak pomimo dużego wysiłku nie odkryto żadnej z nowych cząsteczek proponowanych do wyjaśnienia ciemnej materii. Badania trwają nadal. W świecie astrofizyków trwa swoisty wyścig dotyczący badania CM wszelkimi możliwymi sposobami.

image

A map of different explanations for the dark matter phenomenon that are currently being investigated.

POWIĘKSZ!

Tymczasem można już obejrzeć mapy rozkładu ciemnej materii we Wszechświecie:

image

Mapa ciemnej materii otrzymana na podstawie pomiarów soczewkowania grawitacyjnego 26 milionów galaktyk przez Dark Energy Survey. Mapa obejmuje około 1/30 całego nieba i kilka miliardów lat świetlnych. Czerwone regiony mają więcej ciemnej materii niż średnia, niebieskie regiony mniej.

Pomiary DES, w porównaniu do mapy CMB Plancka, potwierdzają najprostszą wersję teorii ciemnej materii z dokładnością do kilku procent

Ten wynik Dark Energy Survey jest bliski "prognozom" z pomiarów CMB Plancka z odległej przeszłości, które pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób wszechświat ewoluował ponad 14 miliardów lat. "Pomiary DES, w porównaniu z mapą Plancka, potwierdzają najprostszą wersję teorii ciemnej materii / ciemnej energii" – uważa Joe Zuntz z Uniwersytetu w Edynburgu, który pracował nad analizą. "Moment, w którym zdaliśmy sobie sprawę, że nasz pomiar pasował do wyniku Plancka w 7 procentach, był ekscytujący dla całego zespołu.

„Wyniki Plancka były przełomowymi ograniczeniami w kosmologii - naprawdę niesamowite jest to, że mamy model opisujący wszechświat w wieku 400 000 lat, a teraz mamy podobnie precyzyjny pomiar wszechświata starszego o 13 miliardów lat, który zgadza się z tym modelem " - mówi Tim Eifler, który kierował zespołem analitycznym Dark Energy Survey. Wyniki są szczególnie ważne dla społeczności naukowej, ponieważ po raz pierwszy zaznaczają, że obserwacje z nowszego wszechświata - "dorosłego" wszechświata - za pomocą techniki zwanej soczewkowanie grawitacyjne i grupowanie galaktyk, przyniosły wyniki tak dokładne, jak te z kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła - światło z wszechświata "niemowlęcego".

Prof. Scott Dodelson: "Wynik ten jest nie do pobicia . Po raz pierwszy możemy zobaczyć obecną strukturę ciemnej materii wszechświata z tą samą klarownością, że możemy zobaczyć jego początki. Możemy śledzić wątki od jednego do drugiego, potwierdzając wiele przewidywań po drodze. "

Rzeczywistość jest taka, że istnienie ciemnej materii nie zostało jeszcze udowodnione. Ciemna materia nadal jest hipotezą, aczkolwiek raczej dobrze popartą – jest najbardziej udanym modelem. Wszystkie dowody na jej istnienie, do tej pory są pośrednie.

Jednym słowem, możemy powiedzieć: ciemna materia jest standardową hipotezą nauki.

Prof. Avi Loeb, astrofizyk z Harvard University, opisuje naukę jako "wyspę wiedzy otoczoną oceanem ignorancji”. Jeśli szukasz lwa na pustyni, możesz go ostatecznie znaleźć, wykluczając kolejno większe obszary pustyni, w których nie znajdziesz lwa, dopóki nie zawęzisz regionu do śladu lwa. Ale to prawda, tylko jeśli wiesz, że lew żyje na pustyni. Dobra wiadomość jest taka, że większość naukowców zgadza się, że jak lew na pustyni, gdzieś tam powinna być ciemna materia”:

image

Kliknij i obejrzyj dokładnie!

I prof. Avi Loeb mając w pamięci artykuły An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum oraz Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars mówi: „… to odkrycie zasługuje na dwie Nagrody Nobla”. Zarówno za uchwycenie sygnału pierwszych gwiazd, jak i potencjalnego potwierdzenia ciemnej materii. Jednocześnie ostrzegając, że "nadzwyczajne roszczenia wymagają nadzwyczajnych dowodów" - niezależne testy są potrzebne, aby zweryfikować ustalenia. A jeden ze współautorów Judd D. Bowman uważa, że ich odkrycie jest "jak pierwsze zdanie" we wczesnym rozdziale historii Wszechświata. 

Zbigwie
O mnie Zbigwie

"Niedawno ukazał się interesujący wpis: http://bezwodkinierazbieriosz.salon24.pl/338033,grawicapy-lataja-w-kosmosie pióra znanego blogera Zbigwie, z wykształcenia fizyka" - http://autodafe.salon24.pl/249413,zagadkowe-analogie. Znajdź ponad 100 moich notek na Forum Rosja-Polska  http://bezwodkinierazbieriosz.salon24.pl Poetry&Paratheatre 2010 i 2013. Free counters

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie