Výpočty vědců ukázaly, že vesmír je z 95 % složen z hmoty, kterou ještě lidé neprozkoumali: 70 % tvoří temná energie a 25 % temná hmota. Předpokládá se, že první je druh pole s nenulovou energií, ale druhé se skládá z částic, které lze detekovat a studovat.
Ne nadarmo se ale této látce říká skrytá hmota – její hledání trvá značnou dobu a je provázeno bouřlivými diskusemi mezi fyziky. Aby CERN přiblížil jejich výzkum veřejnosti, inicioval dokonce Den temné hmoty, který se poprvé slaví právě dnes, 31. října.
Zastánci existence temné hmoty uvádějí poměrně závažné argumenty, potvrzené experimentálními fakty. Jeho rozpoznávání začalo ve 30. letech 20. století, kdy švýcarský astronom Fritz Zwicky změřil rychlost, kterou se galaxie v kupě Coma pohybují kolem společného středu. Jak víte, rychlost pohybu závisí na hmotnosti. Vědcovy výpočty ukázaly, že skutečná hmotnost galaxií musí být mnohem větší, než jaká byla zjištěna v procesu pozorování pomocí dalekohledů. Ukázalo se, že poměrně velká část galaxií pro nás prostě není vidět. Proto se skládá z hmoty, která neodráží ani neabsorbuje světlo.
Druhým potvrzením existence skryté hmoty je změna světla při průchodu galaxiemi. Faktem je, že jakýkoli předmět s hmotností zkresluje přímočarý průběh světelných paprsků. Temná hmota tedy provede své vlastní změny ve světlém obrazu (obrazu vzdáleného předmětu) a bude se lišit od obrazu, který by vytvořila pouze viditelná hmota. Existuje deset důkazů o existenci temné hmoty, ale dva popsané jsou hlavní.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Obrázek kupy galaxií. Čáry ukazují "obrysy" temné hmoty
Přestože důkazy o existenci temné hmoty jsou poměrně přesvědčivé, dosud nikdo nenašel a neprostudoval částice, které ji tvoří. Fyzici naznačují, že takové utajení je způsobeno dvěma důvody. První je, že tyto částice mají příliš vysokou hmotnost (vztaženou na energii podle vzorce E=mc²), takže schopnosti moderních urychlovačů na „stvoření“ takové částice prostě nestačí. Druhým důvodem je velmi nízká pravděpodobnost výskytu temné hmoty. Možná ho nemůžeme najít právě proto, že s ním velmi slabě interaguje Lidské tělo a nám známé částice. Přestože je temná hmota (podle výpočtů) všude a její částice se námi doslova řítí každou vteřinou, my ji prostě necítíme.
K detekci částic temné hmoty vědci používají detektory, které jsou umístěny pod zemí, aby se minimalizovaly zbytečné dopady. Předpokládá se, že se s nimi občas částice temné hmoty stále srážejí atomová jádra, přenést na ně část své hybnosti, vyřadit elektrony a způsobit záblesky světla. Četnost takových srážek závisí na pravděpodobnosti interakce částic temné hmoty s jádrem, jejich koncentraci a relativní rychlosti (s přihlédnutím k pohybu Země kolem Slunce). Ale experimentální skupiny i při detekci nějakého dopadu popírají, že by tato reakce detektoru byla způsobena temnou hmotou. A pouze italská experimentální skupina DAMA, pracující v podzemní laboratoři Gran Sasso, hlásí pozorované roční změny v počtu signálů, pravděpodobně spojené s pohybem Země skrz galaktickou skrytou hmotu.
Detektor temné hmoty
V tento experiment po několik let se měří počet a energie záblesků světla uvnitř detektoru. Výzkumníci prokázali přítomnost slabých (asi 2%) ročních výkyvů v počtu takových událostí.
Přestože italská skupina sebevědomě hájí spolehlivost experimentů, názory vědců na tuto záležitost jsou značně nejednoznačné. Hlavní slabinou výsledků dosažených italskou skupinou je jejich nereprodukovatelnost. Když byly například objeveny gravitační vlny, byly detekovány laboratořemi po celém světě, čímž potvrdily údaje získané jinými skupinami. V případě DAMA je situace jiná – nikdo jiný na světě se nemůže pochlubit stejnými výsledky! Samozřejmě existuje možnost, že tato skupina má výkonnější detektory nebo vlastní metody, ale tato jedinečnost experimentu způsobuje, že někteří badatelé pochybují o jeho spolehlivosti.
"Zatím není možné přesně říci, k čemu se vztahují data shromážděná v laboratoři Gran Sasso. V každém případě skupina z Itálie poskytla pozitivní výsledek, a nikoli popření něčeho, co je již senzací. Nyní je třeba vysvětlit nalezené signály. A to je skvělý podnět k tomu, abychom vyvinuli co nejvíce různé teorie, včetně těch, které se věnují vytvoření modelu skryté hmoty. Ale i když se vědec pokusí vysvětlit, proč získaná data nijak nesouvisí s temnou hmotou, stále to může být nový krok v pochopení přírody. V každém případě je výsledek a musíme pokračovat v práci. Ale osobně nemohu plně souhlasit s tím, že temná hmota byla nalezena,“ komentuje Konstantin Belotsky, vedoucí výzkumník na katedře fyziky. elementární částice NRNU "MEPhI".
MOSKVA 31. října - RIA Novosti, Olga Kolentsová. Výpočty vědců ukázaly, že vesmír je z 95 % složen z hmoty, kterou ještě lidé neprozkoumali: 70 % tvoří temná energie a 25 % temná hmota. Předpokládá se, že první je druh pole s nenulovou energií, ale druhé se skládá z částic, které lze detekovat a studovat. Ne nadarmo se ale této látce říká skrytá hmota – její hledání trvá značnou dobu a je provázeno bouřlivými diskusemi mezi fyziky. Aby CERN přiblížil jejich výzkum veřejnosti, inicioval dokonce Den temné hmoty, který se poprvé slaví právě dnes, 31. října.
Zastánci existence temné hmoty uvádějí poměrně závažné argumenty, potvrzené experimentálními fakty. Jeho rozpoznávání začalo ve 30. letech 20. století, kdy švýcarský astronom Fritz Zwicky změřil rychlost, kterou se galaxie v kupě Coma pohybují kolem společného středu. Jak víte, rychlost pohybu závisí na hmotnosti. Vědcovy výpočty ukázaly, že skutečná hmotnost galaxií musí být mnohem větší, než jaká byla zjištěna v procesu pozorování pomocí dalekohledů. Ukázalo se, že poměrně velká část galaxií pro nás prostě není vidět. Proto se skládá z hmoty, která neodráží ani neabsorbuje světlo.
Druhým potvrzením existence skryté hmoty je změna světla při průchodu galaxiemi. Faktem je, že jakýkoli předmět s hmotností zkresluje přímočarý průběh světelných paprsků. Temná hmota tedy provede své vlastní změny ve světlém obrazu (obrazu vzdáleného předmětu) a bude se lišit od obrazu, který by vytvořila pouze viditelná hmota. Existuje deset důkazů o existenci temné hmoty, ale dva popsané jsou hlavní.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Přestože důkazy o existenci temné hmoty jsou poměrně přesvědčivé, dosud nikdo nenašel a neprostudoval částice, které ji tvoří. Fyzici naznačují, že takové utajení je způsobeno dvěma důvody. První je, že tyto částice mají příliš vysokou hmotnost (vztaženou na energii podle vzorce E=mc² ), takže schopnosti moderních urychlovačů na „stvoření“ takové částice prostě nestačí. Druhým důvodem je velmi nízká pravděpodobnost výskytu temné hmoty. Možná ho nemůžeme najít právě proto, že extrémně slabě interaguje s lidským tělem a nám známými částicemi. Přestože je temná hmota (podle výpočtů) všude a její částice se námi doslova řítí každou vteřinou, my ji prostě necítíme.
K detekci částic temné hmoty vědci používají detektory, které jsou umístěny pod zemí, aby se minimalizovaly zbytečné dopady. Předpokládá se, že občas se částice temné hmoty stále srážejí s atomovými jádry, přenášejí na ně část své hybnosti, vyřazují elektrony a způsobují záblesky světla. Četnost takových srážek závisí na pravděpodobnosti interakce částic temné hmoty s jádrem, jejich koncentraci a relativní rychlosti (s přihlédnutím k pohybu Země kolem Slunce). Ale experimentální skupiny i při detekci nějakého dopadu popírají, že by tato reakce detektoru byla způsobena temnou hmotou. A pouze italská experimentální skupina DAMA, pracující v podzemní laboratoři Gran Sasso, hlásí pozorované roční změny v počtu signálů, pravděpodobně spojené s pohybem Země skrz galaktickou skrytou hmotu.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
V tomto experimentu se během několika let měří počet a energie světelných záblesků uvnitř detektoru. Výzkumníci prokázali přítomnost slabých (asi 2%) ročních výkyvů v počtu takových událostí.
Přestože italská skupina sebevědomě hájí spolehlivost experimentů, názory vědců na tuto záležitost jsou značně nejednoznačné. Hlavní slabinou výsledků dosažených italskou skupinou je jejich nereprodukovatelnost. Když byly například objeveny gravitační vlny, byly detekovány laboratořemi po celém světě, čímž potvrdily údaje získané jinými skupinami. V případě DAMA je situace jiná – nikdo jiný na světě se nemůže pochlubit stejnými výsledky! Samozřejmě existuje možnost, že tato skupina má výkonnější detektory nebo vlastní metody, ale tato jedinečnost experimentu způsobuje, že někteří badatelé pochybují o jeho spolehlivosti.
"Zatím není možné přesně říci, k čemu se vztahují data shromážděná v laboratoři Gran Sasso. V každém případě skupina z Itálie poskytla pozitivní výsledek, a ne popření něčeho, co je již senzací. Nyní je třeba vysvětlit nalezené signály. A to je velká pobídka pro rozvoj různých teorií, včetně těch, které se věnují vytvoření modelu temné hmoty. Ale i když se tento krok vědců stále nesnaží porozumět temné hmotě, nelze tato data vysvětlit novým způsobem. Ale já osobně nemohu plně souhlasit s tím, že temná hmota byla v tuto chvíli nalezena,“ komentuje Konstantin Belotsky, vedoucí výzkumník na katedře fyziky elementárních částic, National Research Nuclear University MEPhI.
Temná hmota nevyzařuje ani neabsorbuje světlo, prakticky neinteraguje s „obyčejnou“ hmotou, vědcům se zatím nepodařilo zachytit jedinou „tmavou“ částici. Ale bez něj by nám známý Vesmír a my sami nemohli existovat. Na Den temné hmoty, který se slaví 31. října (fyzici se rozhodli, že je ten správný čas uspořádat svátek na počest temné a nepolapitelné substance), N+1 zeptal se Andrey Doroshkevich, vedoucího oddělení teoretické astrofyziky Astrospace Center Lebedevova fyzikálního institutu, co je temná hmota a proč je tak důležitá.
N+1: Jak moc jsou dnes vědci přesvědčeni, že temná hmota skutečně existuje?
Andrej Doroškevič: Hlavním důkazem jsou pozorování fluktuací kosmického mikrovlnného záření na pozadí, tedy výsledky, které WMAP a "" kosmické lodi obdržely za posledních 15 let.
S vysokou přesností měřili poruchu teploty kosmického mikrovlnného pozadí, tedy kosmického mikrovlnného pozadí. Tyto poruchy byly zachovány od doby rekombinace, kdy se ionizovaný vodík změnil na neutrální atomy.
Tato měření ukázala přítomnost fluktuací, velmi malých, kolem jedné desetitisíciny kelvinu. Když ale začali porovnávat tato data s teoretickými modely, našli důležité rozdíly, které nelze vysvětlit jiným způsobem než přítomností temné hmoty. Díky tomu dokázali spočítat poměry temné a běžné hmoty ve Vesmíru s přesností až na procenta.
Rozložení hmoty ve vesmíru (zleva doprava) před a po datech z Planckova dalekohledu
Vědci podnikli mnoho pokusů zbavit se neviditelné a nepostřehnutelné temné hmoty, vznikly teorie modifikované gravitace, jako je MOND, které se snaží vysvětlit pozorované efekty. Proč jsou preferovány modely temné hmoty?
Situace je velmi jednoduchá: moderní Einsteinova teorie gravitace funguje dobře na pozemských měřítcích, satelity létají v přísném souladu s touto teorií. A v kosmologických měřítcích si vede velmi dobře. A všechny moderní modely, které mění gravitaci, nedokážou vysvětlit vše. Do Newtonova zákona zavádějí nové konstanty, které umožňují vysvětlit vlivy přítomnosti temné hmoty na úrovni galaxií, ale v kosmologickém měřítku se míjí.
Mohl by zde pomoci objev gravitačních vln? Možná pomůže zahodit některé teorie?
To, co nyní naměřily gravitační vlny, je obrovský technický, nikoli vědecký úspěch. Že existují, bylo známo již před 40 lety, kdy bylo (nepřímo) objeveno gravitační záření z binárního pulsaru. Pozorování gravitačních vln opět potvrdilo existenci černých děr, i když jsme o tom dříve nepochybovali, ale nyní zde máme víceméně přímý důkaz.
Podobu účinku, změny gravitačních vln v závislosti na výkonu, nám může dát velmi užitečné informace, ale musíme počkat dalších pět až deset let, než budeme mít dostatek dat k upřesnění teorií gravitace.
Jak se vědci dozvěděli o temné hmotě
Historie temné hmoty začala v roce 1933, kdy astronom Fritz Zwicky studoval rozložení rychlostí galaxií v kupě umístěné v souhvězdí Coma Berenices. Zjistil, že galaxie v kupě se pohybují příliš rychle a pokud se vezme v úvahu pouze viditelná hmota, kupa nemůže být stabilní – galaxie by byly jednoduše rozptýleny v různých směrech.
V článku publikovaném 16. února 1933 Zwicky navrhl, že je drží pohromadě neviditelná gravitační látka, Dunkle Materie.
O něco později nesoulad mezi „viditelnou“ hmotou galaxií a parametry jejich pohybu potvrdili i další astronomové.
V roce 1958 sovětský astrofyzik Viktor Ambartsumyan navrhl vlastní řešení Zwickyho paradoxu. Kupy galaxií podle jeho názoru neobsahují žádnou neviditelnou hmotu, která by je gravitačně držela. Jednoduše pozorujeme shluky v procesu rozpadu. Většina astronomů však toto vysvětlení nepřijala, protože v tomto případě by životnost hvězdokup nepřesáhla jednu miliardu let a vzhledem k tomu, že životnost vesmíru je desetkrát delší, do dneška by prostě žádné hvězdokupy nezbyly.
Obecně přijímané představy o temné hmotě říkají, že se skládá z WIMP (WIMP), masivních částic, které s částicemi běžné hmoty téměř neinteragují. Co lze říci o jejich vlastnostech?
Mají poměrně velkou hmotnost – a to je téměř vše, přesnou hmotnost ani neumíme pojmenovat. Cestují na velké vzdálenosti bez kolizí, ale poruchy hustoty v nich neklesají ani na relativně malých měřítcích – a to je to jediné, co dnes pro modely potřebujeme.
CMB nám dává charakteristiky temné hmoty ve velkých měřítcích, na měřítkách kup galaxií. Ale abychom „sestoupili“ do měřítka malých galaxií, jsme nuceni použít teoretické modely.
Samotná existence malých galaxií naznačuje, že i na relativně malých měřítcích existovaly nehomogenity, které vznikly krátce po velký třesk. Takové nehomogenity mohou vyblednout, vyhladit, ale s jistotou víme, že nevybledly v měřítku malých galaxií. To naznačuje, že tyto částice temné hmoty musí mít takové vlastnosti, aby tyto poruchy přetrvávaly.
Je správné říkat, že hvězdy mohly vzniknout pouze díky temné hmotě?
Spíš ne. Bez temné hmoty by se nemohly tvořit galaxie a mimo galaxie by se nemohly tvořit hvězdy. Na rozdíl od temné hmoty jsou baryony vždy horké, interagují se zářením pozadí. Nemohou se proto samy sestavit do hvězd, gravitace baryonů hvězdné hmotnosti nedokáže překonat jejich tlak.
Částice temné hmoty působí jako neviditelný cement, který vtahuje baryony do galaxií a v nich pak začíná proces vzniku hvězd. Temné hmoty je šestkrát více než baryonů, „vede“ a baryony ji pouze následují.
Xenonový detektor částic tmavé hmoty XENON1T
Xenon100 spolupráce
Je kolem nás hodně temné hmoty?
Je všude, otázkou je jen kolik toho. Předpokládá se, že v naší Galaxii je hmotnost temné hmoty poněkud menší než 10 procent.
Ale už v okolí Galaxie je temné hmoty více, můžeme vidět známky přítomnosti jak kolem naší, tak i ostatních hvězdné systémy. Samozřejmě to vidíme díky baryonům, pozorujeme je a chápeme, že tam „drží“ jen díky přítomnosti temné hmoty.
Jak vědci hledají temnou hmotu
Od konce 80. let prováděli fyzici experimenty v zařízeních hluboko pod zemí ve snaze zachytit srážku jednotlivých částic temné hmoty. Za posledních 15 let kolektivní citlivost těchto experimentů exponenciálně vzrostla a každý rok se v průměru zdvojnásobila. Dvě velké spolupráce, XENON a PandaX-II, nedávno uvedly na trh nové, ještě citlivější detektory.
První z nich postavil největší světový detektor temné hmoty XENON1T. Používá 2000 kilogramový kapalný xenonový terč umístěný v 10 metrů vysoké vodní nádrži. To vše je pod zemí v hloubce 1,4 kilometru v Gran Sasso National Laboratory (Itálie). Instalace PandaX-II je pohřbena v hloubce 2,4 kilometru v čínské provincii Sichuan a obsahuje 584 kilogramů kapalného xenonu.
Oba experimenty používají xenon, protože je extrémně inertní, což pomáhá udržovat nízkou hladinu hluku. Kromě toho jsou jádra atomů xenonu poměrně těžká (obsahují v průměru 131 nukleonů na jádro), což poskytuje „větší“ cíl pro částice temné hmoty. Pokud se jedna z těchto částic srazí s jádrem atomu xenonu, dojde ke slabému, ale znatelnému záblesku světla (scintilaci) a vzniku elektrického náboje. Pozorování i malého počtu takových událostí nám může poskytnout důležitá data o povaze temné hmoty.
Tyto ani žádné jiné experimenty zatím nedokázaly detekovat částice temné hmoty, ale i toto ticho lze využít k nastavení horní hranice pravděpodobnosti srážek částic temné hmoty s běžnými částicemi.
Mohou částice temné hmoty tvořit shluky jako částice normální hmoty?
Mohou, ale celá otázka je, jaká hustota. Galaxie jsou z pohledu astrofyziky husté objekty, jejich hustota je řádově jeden proton na centimetr krychlový a hvězdy jsou husté objekty, s hustotou řádově gram na centimetr krychlový. Je mezi nimi ale rozdíl 24 řádů. Mraky temné hmoty mají zpravidla „galaktickou“ hustotu.
Mají mnozí šanci hledat částice temné hmoty?
Snaží se zachytit interakce jednotlivých částic temné hmoty s atomy běžné hmoty, jak to dělají s neutriny. Ale je velmi obtížné je chytit a není pravda, že je to vůbec možné.
Teleskop CAST (CERN Axion Solar Telescope) v CERNu hledá hypotetické částice – axiony, z nichž se může skládat temná hmota.
Možná se temná hmota obecně skládá z takzvaných „zrcadlových“ částic, které lze v zásadě pozorovat pouze svou gravitací. Hypotéza druhého „zrcadlového“ vesmíru byla navržena před půl stoletím, jde o jakési zdvojení reality.
Skutečná pozorování máme pouze z kosmologie.
Rozhovor s Sergejem Kuzněcovem
Teoretická konstrukce ve fyzice, nazývaná Standardní model, popisuje interakce všech elementárních částic, které věda zná. Ale to je pouze 5% látky existující ve vesmíru, zatímco zbývajících 95% je zcela neznámé povahy. Co je tato hypotetická temná hmota a jak se ji vědci snaží odhalit? Hovoří o tom v rámci speciálního projektu student Moskevského fyzikálně-technologického institutu a pracovník katedry fyziky a astrofyziky Hayk Hakobyan.
Standardní model elementárních částic, konečně potvrzený po objevu Higgsova bosonu, popisuje základní interakce (elektroslabé a silné) nám známých běžných částic: leptonů, kvarků a nosičů interakcí (bosonů a gluonů). Ukazuje se však, že celá tato obrovská komplexní teorie popisuje jen asi 5-6 % veškeré hmoty, zatímco zbytek do tohoto modelu nezapadá. Pozorování z nejranějších okamžiků života našeho vesmíru nám ukazují, že přibližně 95 % hmoty, která nás obklopuje, je zcela neznámé povahy. Jinými slovy, nepřímo vidíme přítomnost této skryté hmoty díky jejímu gravitačnímu vlivu, ale zatím se ji nepodařilo přímo zachytit. Tento fenomén skryté hmoty dostal kódové označení „temná hmota“.
Moderní věda, zejména kosmologie, pracuje dál deduktivní metoda Sherlock Holmes
Nyní je hlavním kandidátem ze skupiny WISP axion, který vzniká v teorii silné interakce a má velmi malou hmotnost. Taková částice je schopná přeměny na foton-fotonový pár ve vysokých magnetických polích, což dává náznaky, jak se ji lze pokusit detekovat. V experimentu ADMX se používají velké komory, kde se vytváří magnetické pole 80 000 gaussů (to je 100 000krát více magnetické pole Země). Teoreticky by takové pole mělo stimulovat rozpad axionu na foton-fotonový pár, který by detektory měly zachytit. Přes četné pokusy nebyly dosud WIMP, axiony nebo sterilní neutrina detekovány.
Prošli jsme tedy obrovské množství různých hypotéz, které se snaží vysvětlit podivnou přítomnost temné hmoty, a po odmítnutí všeho nemožného pomocí pozorování jsme dospěli k několika možným hypotézám, se kterými se již dá pracovat.
Negativní výsledek ve vědě je také výsledkem, protože omezuje různé parametry částic, například eliminuje rozsah možných hmotností. Rok od roku stále více nových pozorování a experimentů v urychlovačích dává nové, přísnější limity pro hmotnost a další parametry částic temné hmoty. Tím, že vyhodíme všechny nemožné možnosti a zužujeme okruh hledání, se den ode dne přibližujeme k pochopení toho, z čeho se skládá 95 % hmoty v našem vesmíru.
