Σκοτεινή ύλη.

Κρύβεται σκοτεινή ύλη πίσω από τον θάνατο του νετρονίου;

Ένας σκοτεινός πονοκέφαλος

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος που οι φυσικοί αγωνίζονται εδώ και χρόνια να εξηγήσουν. Ενώ η ύπαρξή της καθίσταται αναμφισβήτητη από τα αστρονομικά δεδομένα, δεν μπορούμε να την δούμε (γι αυτό ονομάστηκε σκοτεινή) και μέχρι στιγμής φαίνεται πως είναι σχεδόν αδύνατον να ανιχνευθεί στα γήινα εργαστήρια. Υπενθυμίζεται ότι το 23% του σύμπαντος αποτελείται από σκοτεινή ύλη, το 72% από σκοτεινή ενέργεια και μόνο το 4,6% από την γνωστή μας ύλη.

Οι φυσικοί αναζητούν τα πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης στα εργαστήρια βαδίζοντας σχεδόν στα τυφλά αφού γνωρίζουν ελάχιστα πράγματα για τα σωματίδια αυτά. Το μόνο σίγουρο είναι ότι αλληλεπιδρούν με εξαιρετικά ασθενή τρόπο με την συνηθισμένη ύλη.

Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να κρύβεται πίσω από ένα πολύ συνηθισμένο φαινόμενο, όπως η διάσπαση του ελεύθερου νετρονίου; Οι φυσικοί Bartosz Fornal και Benjamın Grinstein όχι μόνο απαντούν καταφατικά στο ερώτημα, αλλά προτείνουν και εφικτές πειραματικές μεθόδους που θα μπορούσαν αποδείξουν τους ισχυρισμούς τους.

Μια πιθανή εξήγηση είναι άγνωστα συστηματικά σφάλματα να επηρεάζουν τα αποτελέσματα. Όμως, οι δυο θεωρητικοί φυσικοί κατέληξαν σε μια εναλλακτική ερμηνεία: ότι μερικές φορές τα νετρόνια διασπώνται προς ένα άγνωστο σωματίδιο που μπορεί να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης. Ισχυρίζονται ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα μπορούσε να αφήσει μια πολύ χαρακτηριστική υπογραφή σε ανιχνευτές πυρηνικής φυσικής.

Ο χρόνος ζωής του νετρονίου

Τα τελευταία 20 χρόνια και πλέον οι φυσικοί δεν μπορούν να εξηγήσουν γιατί δυο διαφορετικές πειραματικές τεχνικές δίνουν διαφορετικές τιμές στον χρόνο ζωής του νετρονίου.

Ο χρόνος ζωής του νετρονίου είναι περίπου 15 λεπτά. Το νετρόνιο υφίσταται διάσπαση β μετατρεπόμενο σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου.

Η διατήρηση της ενέργειας, του ηλεκτρικού φορτίου, της στροφορμής και άλλων κβαντικών αριθμών υπαγορεύει ότι αυτός είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορούν να διασπαστούν τα νετρόνια σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Υπάρχουν δύο βασικές πειραματικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση χρόνου ζωής των νετρονίων: η «μέθοδος της φιάλης» και η «μέθοδος δέσμης».

Στην «μέθοδο της φιάλης», νετρόνια με ενέργειες της τάξης των νανο-ηλεκτρονιοβόλτ, περιορίζονται σε μια παγίδα ή φιάλη που σχηματίζεται από συνδυασμούς μαγνητικών πεδίων, βαρύτητας και τοιχωμάτων. Ο στόχος είναι να μετρηθούν πόσα από αυτά παραμένουν αδιάσπαστα μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.

Ο χρόνος ζωής των νετρονίων τn προκύπτει μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων που επιβιώνουν στην παγίδα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.

Η δεύτερη προσέγγιση, η «μέθοδος της δέσμης», είναι να οδηγηθεί μια δέσμη νετρονίων γνωστής έντασης διαμέσου μιας ηλεκτρομαγνητικής παγίδας και να μετρηθούν τα πρωτόνια που δημιουργούνται σε δεδομένο χρονικό διάστημα.

Με την «μέθοδο της δέσμης» ανιχνευτές καταμετρούν τον ρυθμό διάσπασης των νετρονίων σε καθορισμένο όγκο μιας δέσμης νετρονίων.

Από την δεκαετία του 1980 τα αποτελέσματα των δυο πειραμάτων συνεχίζουν να διαφέρουν μεταξύ τους. Ενώ η μέθοδος της φιάλης μας λέει ότι τα νετρόνια διασπώνται μετά από περίπου 800 δευτερόλεπτα κατά μέσο όρο (τn = 879.6 ± 0.6 s), τα πειράματα με τη δέσμη νετρονίων δίνουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά 8 δευτερόλεπτα (τn = (888.0 ± 2.0 s).

Η διαφορά είναι σημαντική διότι δεν μπορεί να αιτιολογηθεί εξαιτίας των τυχαίων ή των γνωστών συστηματικών σφαλμάτων. Μέχρι το 2013, η απόκλιση εκτιμάτο στα 2,9σ. Στη συνέχεια, και ενώ οι πειραματικές διαδικασίες βελτιώθηκαν, η ασυμφωνία αυξήθηκε φθάνοντας στα 4σ.

Στην πρόσφατη δημοσίευσή τους οι Fornal και Grinstein [https://arxiv.org/abs/1801.01124] προτείνουν ότι η αυτή η ανωμαλία αυτή μπορεί να είναι ένδειξη της σκοτεινής ύλης. Η ιδέα έγκειται στο ότι ενώ πολλά νετρόνια εξαφανίζονται διαμέσου της βήτα διάσπασης, ένα μικρό κλάσμα (περίπου 1%) θα μπορούσε να διασπάται σε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης – μια διαδικασία που θα παραβίαζε την διατήρηση του βαρυονικού αριθμού.

Ενώ τα πειράματα με τη φιάλη νετρονίων μετρούν και την βήτα και την πιθανή «σκοτεινή» διάσπαση, τα πειράματα με τη δέσμη νετρονίων μετρούν μόνο την διάσπαση βήτα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι τα πειράματα με την δέσμη νετρονίων να υπερ-εκτιμούν τον χρόνο ζωής των νετρονίων.

Η νέα αυτή πρόταση δεν παρουσιάζει ένα μοναδικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης με συγκεκριμένες ιδιότητες, αλλά δείχνει ότι υπάρχουν κι άλλα υποψήφια σωματίδια που εξηγούν τα πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον, υποδεικνύει ότι μερικές από τις πιθανές νέες διαδικασίες διάσπασης του νετρονίου θα μπορούσαν να ανιχνευθούν.

Έτσι, όταν το νετρόνιο διασπάται σε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης, παράγονται ταυτόχρονα και ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου ή ένα φωτόνιο, των οποίων οι ενέργειες καθορίζονται από το μικρό εύρος της επιτρεπόμενης μάζας του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των Fornal και Grinstein η μάζα του σκοτεινού σωματιδίου πρέπει να είναι από 937,9 έως 938,8 MeV. Δεδομένου ότι το νετρόνιο έχει μάζα 939.6 MeV, τότε το φωτόνιο που προκύπτει στην υποτιθέμενη διάσπαση θα πρέπει να έχει ενέργεια περίπου 0,8 – 1,7 MeV.

Αυτά τα φωτόνια θα μπορούσαν να παρατηρηθούν σε πειράματα πυρηνικής φυσικής, αρκεί να περιοριστεί ο θόρυβος του υποβάθρου και κάποιοι πειραματιστές σχεδιάζουν τεχνικές ανάλυσης δεδομένων με στόχο την εξάλειψη του θορύβου. Έτσι, δύο ερευνητικές ομάδες στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο Νέο Μεξικό – UCNA και UCNtau – αναζητούν προς το παρόν τα φωτόνια (ακτίνες γ) και τα σήματα ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων μέσα στα δεδομένα διάσπασης των νετρονίων. «Οι αναλύσεις των δεδομένων βρίσκονται σε εξέλιξη», λέει ο Peter Geltenbort, μέλος της ομάδας UCNA από το Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γαλλία.

Ο Ben Rybolt του πανεπιστημίου του Kennesaw στις ΗΠΑ περιγράφει την πρόσφατη εργασία ως μια «εύλογη προσέγγιση» για την επίλυση της ανωμαλίας των νετρονίων, έχοντας και ο ίδιος εργαστεί σε πιθανές πειραματικές υπογραφές μιας ανταγωνιστικής εξωτικής λύσης – ότι τα νετρόνια μπορεί μερικές φορές να ταλαντώνονται σε «κατοπτρικά νετρόνια» πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Αν οι μελλοντικές μετρήσεις της διάρκειας ζωής των νετρονίων δεν αποκαλύψουν τυχόν κρυμμένα συστηματικά σφάλματα, τότε θα υπάρξουν ακόμα περισσότεροι λόγοι για την αναζήτηση τέτοιων εξωτικών λύσεων.

http://physicsgg.me/2018/01/21/%ce%ba%cf%81%cf%8d%ce%b2%ce%b5%cf%84%ce%b1%ce%b9-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae-%cf%8d%ce%bb%ce%b7-%cf%80%ce%af%cf%83%cf%89-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%cf%84%ce%bf%ce%bd-%ce%b8%ce%ac%ce%bd/

Σκοτεινή Υλη: Πώς οι επιστήμονες προσπαθούν να «φωτίσουν» ένα μεγάλο μυστήριο.

Για δεύτερη χρονιά γιορτάζεται διεθνώς φέτος στις 31 Οκτωβρίου, η Ημέρα Σκοτεινής Ύλης (Dark Matter Day), προκειμένου να μάθει περισσότερα η διεθνής κοινή γνώμη για την προσπάθεια των επιστημόνων να φωτίσουν ένα από τα μεγάλα μυστήρια του σύμπαντος.

Λιγότερο από το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος αποτελεί την ύλη από την οποία έχουν φτιαχτεί οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και φυσικά εμείς οι άνθρωποι. Η λεγόμενη σκοτεινή (δηλαδή άγνωστη) ύλη αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και το 26,8% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος.

Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και ενέργειας του σύμπαντος (το 68,3%) είναι ακόμη πιο μυστηριώδες, καθώς αποτελεί τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, η οποία προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Με άλλα λόγια, στην πραγματικότητα δεν έχουμε ιδέα για το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, παρόλο που υποτίθεται ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια βρίσκονται ολόγυρά μας.

Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι περιβάλλει με μια τεράστια άλω και συγκρατεί σαν «κόλλα» τους γαλαξίες, έτσι ώστε να περιστρέφονται γρήγορα χωρίς η ύλη τους να σκορπάει στο διάστημα. Γίνεται αντιληπτή έμμεσα μέσω των βαρυτικών επιδράσεων που ασκεί στην «κανονική» ύλη. Φαίνεται να κρύβεται μπροστά στα μάτια μας, αλλά κανένα πείραμα έως τώρα δεν έχει καταφέρει να την παρατηρήσει και να «ξεμασκαρέψει» τη φύση της.

Καθόλου τυχαία, ως Μέρα της Σκοτεινής Ύλης έχει ορισθεί η τελευταία μέρα του Οκτωβρίου, όταν σε πολλές χώρες γιορτάζεται το «Χαλοουίν», κάτι σαν τις ελληνικές Απόκριες (αλλά προς το πιο τρομακτικό και μυστικιστικό…).

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από σωματίδια. Ως πιθανότερη λύση έχουν προταθεί τα «ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα» (WIMPs), που όμως δεν έχουν βρεθεί ακόμη, παρά το πολύχρονο «κυνήγι» τους με υπόγειους ανιχνευτές μέσα σε παλαιά ορυχεία, με επίγειους επιταχυντές σωματιδίων και με διαστημικά τηλεσκόπια.

Οι φυσικοί ελπίζουν ότι μια ωραία μέρα ξαφνικά -όπως συνέβη με το επί δεκαετίες μποζόνιο-φάντασμα του Χιγκς- θα δουν στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN να εμφανίζονται τα σωματίδια WIMPs. Προς το παρόν, διαφωνούν για το πώς πιθανώς είναι ένα τέτοιο σωματίδιο (αν υπάρχει): μπορεί να είναι μεγάλο σαν άτομο υδρογόνου ή μικροσκοπικό ή να έχει πολλά διαφορετικά μεγέθη κ.ο.κ.

Όμως μερικοί πιο «αιρετικοί» επιστήμονες πιστεύουν ότι δεν υπάρχει καν σκοτεινή ύλη, αλλά αντίθετα υπάρχει κάτι σοβαρά λανθασμένο στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα και τους θεμελιώδους νόμους της φύσης. Σε κάθε περίπτωση, η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης -τόσο σε συμπαντική όσο και σε υποατομική κλίμακα- αποτελεί ένα από τα πιο πιεστικά ζητήματα στα πεδία της σωματιδιακής φυσικής, της αστροφυσικής και της κοσμολογίας.

Στην Ελλάδα πάντως δεν έχει προγραμματισθεί κάποια εκδήλωση στο πλαίσιο της Ημέρας Σκοτεινής Ύλης.

http://www.kathimerini.gr/992637/article/epikairothta/episthmh/skoteinh-ylh-pws-oi-episthmones-prospa8oyn-na-fwtisoyn-ena-megalo-mysthrio

«Σκοτεινός» τυφώνας θα χτυπήσει τη Γη.

Μπροστά σε μία πρωτοφανή πρόκληση βρίσκονται οι αστρονόμοι, καθώς ένα συμπαντικό γεγονός είναι έτοιμο να ρίξει φως σε μια «σκοτεινή» πτυχή του Διαστήματος.

Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι ένας «τυφώνας σκοτεινής ύλης» θα συγκρουστεί με τη Γη, δίνοντας την ευκαιρία στην ανθρωπότητα να ρίξει μια πρώτη, πιο κοντινή και όχι τόσο κλεφτή… ματιά στα μυστηριώδη, αόρατα αυτά σωματίδια.

Μην πανικοβάλλεστε ωστόσο, καθώς η… συνάντηση αυτή του πλανήτη μας με το «σκοτεινό» τυφώνα, όχι μόνο δεν πρόκειται να προκαλέσει κάποια βιβλική καταστροφή, αλλά ούτε που θα το καταλάβουμε…

Όπως ισχυρίζονται οι επιστήμονες, ο τυφώνας είναι απλά μία εξαιρετική ευκαιρία για πάρουν ορισμένες από τις απαντήσεις που αναζητούν σχετικά με τη σκοτεινή ύλη.

Σε ολόκληρο τον Γαλαξία μας, υπάρχει μια σειρά αστρικών ρευμάτων ή συγκεντρώσεις αστεριών που ήταν κάποτε νάνοι γαλαξίες ή συμπλέγματα. Στην αρχαία ιστορία συγκρούστηκαν με τον Milky Way και διαλύθηκαν, αφήνοντας ένα ρεύμα περιπλανώμενων αστέρων που περιβάλλουν το γαλαξιακό κέντρο.

Ένα τέτοιο αστρικό ρεύμα, που ονομάστηκε S1 και ανακαλύφθηκε πέρυσι από επιστήμονες που εξετάζουν δεδομένα του δορυφόρο Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, περνάει κατευθείαν στο «μονοπάτι» του ήλιου μας.

Καθώς το ηλιακό μας σύστημα επιταχύνει προς τα εξωτερικά σημεία του Γαλαξία, πετάει μέσα από σκοτεινή ύλη με περίπου 230 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Μια μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στις 7 Νοεμβρίου από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Σαραγόσα, δείχνει ότι η σκοτεινή ύλη που υπάρχει στο συγκεκριμένο ρεύμα μπορεί να ταξιδεύει με διπλάσια ταχύτητα – περίπου 500 χλμ. / δευτ, προσφέροντας μια πολύ καλύτερη πιθανότητα ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης.

Φυσικά, οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι για το τι συνθέτει τη σκοτεινή ύλη, ωστόσο υπάρχουν αρκετοί… υποψήφιοι, όπως τα μαζικά σωματίδια που αλληλοεπιδρούν ασθενώς (WIMPs), τα μαζικά σωματίδια που αλληλοεπιδρούν με βαρύτητα (GIMPs) και τα axions, υποθετικά στοιχειώδη σωματίδια που έχουν διατυπώσει οι φυσικοί.

Επειδή πάντως το αστρικό ρεύμα S1 ταξιδεύει κατευθείαν μέσω του ηλιακού συστήματος, ο τυφώνας της σκοτεινής ύλης είναι πιθανό να διασχίσει τη διαδρομή διάφορων ανιχνευτών που έχουν εγκατασταθεί σε ολόκληρο τον πλανήτη, προκειμένου να «πιάσουν» τα υποθετικά αυτά σωματίδια.

Η μελέτη παραδέχεται ότι οι τρέχουσες προσεγγίσεις των ανιχνευτών WIMP πιθανότατα δεν θα «δουν» σκοτεινή ύλη του αστρικού ρεύματος S1. Ωστόσο, είναι προσανατολισμένα να ανιχνεύσουν την «axionic σκοτεινή ύλη», βασισμένη στα υποθετικά σωματίδια των φυσικών.

Καθώς ωστόσο η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί το 85% περίπου του σύμπαντος, η ανίχνευση του σωματιδίου ή των σωματιδίων που τη συνθέτουν θα αλλάξει θεμελιωδώς τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν.

Έτσι, όπως… προειδοποιούν οι επιστήμονες, δεν υπάρχει κανένας λόγος ανησυχίας όταν ακούτε τον όρο «τυφώνας σκοτεινής ύλης». Απεναντίας, στην πραγματικότητα, πρόκειται για κάτι καλό.

«The only thing it’ll blow is your mind», τονίζουν χαρακτηριστικά οι επιστήμονες.

https://www.pentapostagma.gr/2018/11/%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%cf%8c%cf%82-%cf%84%cf%85%cf%86%cf%8e%ce%bd%ce%b1%cf%82-%ce%b8%ce%b1-%cf%87%cf%84%cf%85%cf%80%ce%ae%cf%83%ce%b5%ce%b9-%cf%84%ce%b7-%ce%b3%ce%b7.html

Ποια είναι η νέα θεωρία για τη σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια.

Επιστήμονες στη Βρετανία ελπίζουν ότι ίσως έχουν την απάντηση για ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη σύγχρονη φυσική, ενοποιώντας τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια σε ένα ενιαίο φαινόμενο: ένα ρευστό που κατέχει αρνητική μάζα. Με αυτό τον τρόπο, πιθανώς δίνεται μια εξήγηση για το «σκοτεινό» 95% του σύμπαντος, που δεν απαρτίζεται από τη συνήθη ύλη.

Ο δρ Τζέιμι Φάρνες του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, που έκανε τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό αστρονομίας και αστροφυσικής «Astronomy & Astrophysics”, υποστηρίζει ότι «τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η σκοτεινή ενέργεια μπορούν να ενοποιηθούν σε ένα ρευστό που κατέχει ένα είδος αρνητικής βαρύτητας, απωθώντας όλη την άλλη ύλη μακριά τους».

Η σημερινή Φυσική δεν μπορεί να πει τίποτε συγκεκριμένο είτε για τη σκοτεινή ύλη είτε για τη σκοτεινή ενέργεια, παρά μόνο να κάνει εικασίες, καμία από τις οποίες δεν έχει επιβεβαιωθεί μέχρι σήμερα. Προς το παρόν, το «σκοτεινό» σύμπαν γίνεται μόνο έμμεσα αντιληπτό, μέσω των βαρυτικών επιδράσεων πάνω στην λοιπή ύλη που μπορεί να παρατηρηθεί.

Η ύπαρξη αρνητικής ύλης είχε στο παρελθόν αποκλεισθεί, επειδή θεωρείται ότι θα γίνεται ολοένα πιο αραιή, όσο το σύμπαν επεκτείνεται, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με τις αστρονομικές παρατηρήσεις, από τις οποίες συμπεραίνεται ότι η σκοτεινή ενέργεια δεν εξασθενεί με το πέρασμα του χρόνου.

Όμως η νέα θεωρία προβλέπει ότι οι αρνητικές μάζες δημιουργούνται συνεχώς στο σύμπαν, με συνέπεια το συνολικό ρευστό αρνητικής μάζας να μην αραιώνει διαχρονικά, παρά τη διαστολή του σύμπαντος. Μάλιστα σημειώσεις του ‘Αλμπερτ Αϊνστάιν από το 1918 δείχνουν ότι από τότε εξέταζε την πιθανότητα ύπαρξης αρνητικών μαζών στο σύμπαν.

«Οι προηγούμενες απόπειρες να συνδυασθούν η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη, αποπειράθηκαν να τροποποιήσουν τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, κάτι που αποδείχθηκε απίστευτα δύσκολο. Η νέα προσέγγισή μας παίρνει δύο παλαιές ιδέες, συμβατές με τη θεωρία του Αϊνστάιν, τις αρνητικές μάζες και τη δημιουργία ύλης, και τις συνδυάζει. Το αποτέλεσμα φαίνεται μάλλον όμορφο: η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη ενοποιούνται σε μια ενιαία οντότητα, ενώ και οι δύο πλέον εξηγούνται απλά ως ύλη θετικής μάζας που ‘πλέει’ πάνω σε μια θάλασσα από αρνητικές μάζες» δήλωσε ο Φάρνες.

Μια πιθανή απόδειξη αυτής της θεωρίας μπορεί να έλθει από μελλοντικές παρατηρήσεις του ραδιοτηλεσκοπίου SKA (Square Kilometre Array).

https://www.pentapostagma.gr/2018/12/%cf%80%ce%bf%ce%b9%ce%b1-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%ce%b7-%ce%bd%ce%ad%ce%b1-%ce%b8%ce%b5%cf%89%cf%81%ce%af%ce%b1-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%b7-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae.html

«Πράσινο φως» από το CERN για νέο πείραμα αναζήτησης της σκοτεινής ύλης το 2021.

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών (CERN) ανακοίνωσε ότι ξεκινά ένα νέο επιστημονικό πείραμα που θα αναζητήσει τα σωματίδια της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης, η οποία αποτελεί περίπου το 27% του σύμπαντος, έναντι μόνο 5% της κοινής ορατής ύλης, από την οποία αποτελούνται τα αστέρια, οι πλανήτες και οτιδήποτε υπάρχει πάνω τους.

Οι φυσικοί υποθέτουν ότι υπάρχουν «εξωτικά» σωματίδια της αόρατης σκοτεινής ύλης, αλλά δεν θα τα έχουν βρει μέχρι σήμερα. Το πείραμα FASER (Forward Search Experiment), που πήρε το «πράσινο φως» για την υλοποίηση του, περιλαμβάνει την εγκατάσταση και τη χρήση ενός νέου ανιχνευτή που θα ψάξει για τα «σκοτεινά» σωματίδια στον μεγάλο επιταχυντή LHC του CERN (ο οποίος αυτή την εποχή είναι εκτός λειτουργίας για να αναβαθμισθεί).

Ο νέος ανιχνευτής θα είναι ένα μικρό όργανο μήκους πέντε μέτρων και διαμέτρου ενός μέτρου περίπου, το οποίο θα τοποθετηθεί σε ένα συγκεκριμένο σημείο κατά μήκος του κυκλικού επιταχυντή LHC, 480 μέτρα μετά τον τεράστιο εξαώροφο ανιχνευτή ATLAS, όπου ανακαλύφθηκε το σωματίδιο του Χιγκς το 2012. Καθώς οι ακτίνες πρωτονίων θα συγκρούονται στο όργανο του ATLAS, μπορεί να δημιουργούν νέα σωματίδια, τα οποία ίσως στη συνέχεια «πιάσει» το νέο όργανο FASER. Κάθε φορά που θα λειτουργεί το πείραμα ATLAS, θα συλλέγει δεδομένα και το πείραμα FASE

Η λειτουργία του FASER αναμένεται να αρχίσει το 2021 και να διαρκέσει σε πρώτη φάση έως το 2023. Όταν ο μεγάλος επιταχυντής LHC και το γιγάντιο τούνελ του μήκους 27 χιλιομέτρων κλείσουν ξανά για μια νέα αναβάθμιση την περίοδο 2024-26, θα αναβαθμισθεί τότε και το όργανο FASER, ώστε να γίνει μεγαλύτερο και πιο ευαίσθητο.

Στο πενταετές πρόγραμμα FASER, που υπήρξε πρωτοβουλία φυσικών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Ιρβάιν, θα συνεργασθούν 30 έως 40 επιστήμονες από διάφορες χώρες του κόσμου (σχετικά λίγοι σε σχέση με άλλα πειράματα του CERN).

«Πριν από επτά χρόνια, οι επιστήμονες ανακάλυψαν το μποζόνιο του Χιγκς στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, ολοκληρώνοντας ένα κεφάλαιο στην αναζήτηση μας για τους θεμέλιους λίθους του σύμπαντος, όμως τώρα αναζητούμε νέα σωματίδια. Το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης δείχνει ότι δεν ξέρουμε από τι αποτελείται το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, συνεπώς είμαστε βέβαιοι ότι υπάρχουν νέα σωματίδια εκεί έξω», δήλωσε ο επικεφαλής του FASER Τζόναθαν Φενγκ, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Ιρβάιν.

http://www.kathimerini.gr/1013253/article/epikairothta/episthmh/prasino-fws-apo-to-cern-gia-neo-peirama-anazhthshs-ths-skoteinhs-ylhs-to-2021

Η σκοτεινή ύλη της θεωρίας του Stephen Hawking αποδείχθηκε λανθασμένη.

Η θεωρία του Stephen Hawking για την προέλευση της σκοτεινής ύλης είναι λανθασμένη, λέει μια διεθνής ομάδα αστρονόμων. Ο τελευταίος επιστήμονας είχε υποθέσει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης. Τα αποτελέσματα της πρόσφατης μελέτης, που δημοσιεύθηκε στη Φύση Αστρονομία νωρίτερα αυτό το μήνα, υποστηρίζουν ότι δεν συμβαίνει αυτό. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το 85% του σύμπαντος αποτελείται από σκοτεινή ύλη, η βαρυτική δύναμη της οποίας διατηρεί τα αστέρια του Γαλαξία . Μέχρι στιγμής, τα πειράματα για την ανίχνευση σωματιδίων σκοτεινής ύλης - συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αφορούν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων - απέτυχαν. Ο Χόκινγκ υπολόγισε το 1974 ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, που γεννήθηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αποτελούν ένα μεγάλο μέρος της φευγαλέας σκοτεινής ύλης.Χρησιμοποιώντας ένα φαινόμενο βαρύτητας, μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον Masahiro Takada του Ινστιτούτου Φυσικής και Μαθηματικών του Kavli έψαξε για αρχέγονες μαύρες τρύπες μεταξύ της Γης και του γαλαξία Ανδρομέδα. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος που πρότεινε το βαρυτικό φακό - η κάμψη των ακτίνων φωτός που προέρχονταν από ένα μακρινό αντικείμενο λόγω της βαρυτικής επίδρασης ενός παρεμβαλλόμενου μαζικού αντικειμένου - όπως είναι μια μαύρη τρύπα. Τα ερεθιστικά αποτελέσματα φακορίσματος είναι αρκετά σπάνια: για να δούμε το αποτέλεσμα αστέρα στο γαλαξία της Ανδρομέδας, μια αρχέγονη μαύρη τρύπα και ένας παρατηρητής στη Γη, πρέπει να είναι όλα μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ψηφιακή φωτογραφική μηχανή Hyper Suprime-Cam για το τηλεσκόπιο Subaru στη Χαβάη, η οποία μπορεί να συλλάβει ολόκληρη την εικόνα του γαλαξία Andromeda σε μία βολή για να μεγιστοποιήσει τις πιθανότητές τους. Χρησιμοποιώντας 190 διαδοχικές εικόνες του γαλαξία Andromeda λαμβάνοντας υπόψη την ταχύτητα της κίνησης των αρχέγονων μαύρων τρυπών, οι ερευνητές έψαξαν για τα γεγονότα βαρυτικών φακών στα δεδομένα. Η ανάλυσή τους αποκάλυψε μόνο μία περίπτωση, δείχνοντας ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες συνεισφέρουν σε όχι περισσότερο από το 0,1% της μάζας της σκοτεινής ύλης. Συνεπώς, η θεωρία του Stephen Hawking έχει ξεπεραστεί. Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να διεξαγάγουν περαιτέρω έρευνα, συμπεριλαμβανομένης της διερεύνησης του κατά πόσο οι δυαδικές μαύρες τρύπες είναι στην πραγματικότητα πρωταρχικές μαύρες τρύπες.

https://asgardia.space/en/news/Stephen-Hawkings-Dark-Matter-Theory-Proven-Wrong

Ανιχνευτής σκοτεινής ύλης παρατήρησε μια εξωτική πυρηνική διάσπαση.

Ο ανιχνευτής XENON1T που σχεδιάστηκε για να παρατηρήσει σωματίδια σκοτεινής ύλης ανίχνευσε μια σπάνια πυρηνική διάσπαση (την διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δύο νετρίνων) του ισοτόπου Ξένον-124 (124Xe) προς Τελλούριο-124(124Τe). Ο χρόνος ημιζωής του 124Xe είναι 1,8×1022 χρόνια, κατά ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την παρούσα ηλικία του σύμπαντος (13,8×109χρόνια). Πρόκειται για τον μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής που παρατηρήθηκε μέχρι σήμερα!

[Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T]

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4

a. Ένα άτομο ιωδίου-124 μεταπίπτει προς τελλούριο-124 διαμέσου της σύλληψης ηλεκτρονίου. Ο πυρήνας του ιωδίου-124 συλλαμβάνει ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο στον πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα νετρίνο. Ο χρόνος ημιζωής της διαδικασίας αυτής είναι 4.2 ημέρες. b. Το άτομο ξένον-124 δεν μπορεί να πραγματοποιήσει παρόμοια σύλληψη ηλεκτρονίου γιατί το απαγορεύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Όμως, μπορεί να μετατραπεί σε τελλούριο-124 μέσω μιας σπάνιας διαδικασίας που έχει «τερατώδη» χρόνο ημιζωής, την διαδικασία που είναι γνωστή ως διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δύο νετρίνων. Ο πυρήνας του ατόμου ξένον-124 συλλαμβάνει δυο τροχιακά ηλεκτρόνια , κι αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή δυο πρωτονίων σε νετρόνια και την εκπομπή δυο νετρίνων. Η ερευνητική ομάδα XENON προσδιόρισε τον χρόνο ημιζωής αυτής της διαδικασίας σε 1.8 × 1022 χρόνια — περίπου ένα τρισεκατομμύριο φορές η ηλικία του σύμπαντος.

Η σύλληψη ηλεκτρονίων και οποιαδήποτε άλλη μορφή διάσπασης β καθορίζεται από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Η διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δυο νετρίνων ανήκει στην κατηγορία δεύτερης τάξης ασθενούς αλληλεπίδρασης, όπου ο ρυθμός διάσπασης είναι ανάλογος της τέταρτης δύναμης της ασθενούς σταθεράς σύζευξης, και ο σχετικός χρόνος ημιζωής είναι εξαιρετικά μεγάλος. Τα κενά που προκύπτουν από την σύλληψη των δυο τροχιακών ηλεκτρονίων καταλαμβάνονται από άλλα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε υψηλότερες στάθμες, οπότε εκπέμπονται ακτίνες Χ ή εκπέμπονται ατομικά ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια Auger). Έτσι γίνεται δυνατή η παρατήρηση της διπλής αρπαγής ηλεκτρονίων που συνοδεύεται από εκπομπή δυο νετρίνων (τα οποία είναι δύσκολο να παρατηρηθούν).

Το πείραμα ΧΕΝΟΝ μελέτησε την διάσπαση του 124Xe προς 124Τe χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή σκοτεινής ύλης XENON1T. Το όργανο αυτό περιέχει περίπου 3 τόνους εξαιρετικά καθαρού υγρού Χe και σχεδιάστηκε για την ανίχνευση των WIMP (weakly interacting massive particles – σωματίδια σκοτεινής ύλης) από τους πυρήνες 124Xe. Ο ανιχνευτής βρίσκεται κάτω από τον ορεινό όγκο Gran Sasso στην κεντρική Ιταλία, περίπου 120 χιλιόμετρα από τη Ρώμη. Οι ερευνητές κατέγραψαν τις εκπομπές ακτίνων Χ και των ηλεκτρονίων Auger για να ταυτοποιήσουν τη σπάνια διάσπαση. Τα δεδομένα συγκεντρώθηκαν μεταξύ 2017 και 2018 στα πλαίσια της αναζήτησης των WIMPs.

Μετά την επιτυχία της μέτρησης του μεγαλύτερου χρόνου ημιζωής ισοτόπου (μέχρι σήμερα) οι φυσικοί του XENON εξετάζουν τώρα κι άλλες δυνατότητες. Θα επιχειρήσουν την ανίχνευση της διπλής σύλληψης ηλεκτρονίων χωρίς εκπομπή νετρίνων ή της διπλής διάσπασης β χωρίς νετρίνα, κάτι που θα έδειχνε ότι το νετρίνο είναι σωματίδιο Majorana, δηλ. ότι το νετρίνο ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του. [Διαβάστε σχετικά: Η διάσπαση β και η διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα]

Δείτε και το σχετικό βίντεο:

https://physicsgg.me/2019/04/25/%ce%b1%ce%bd%ce%b9%cf%87%ce%bd%ce%b5%cf%85%cf%84%ce%ae%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae%cf%82-%cf%8d%ce%bb%ce%b7%cf%82-%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%b1%cf%84%ce%ae%cf%81%ce%b7%cf%83/

Διασπάται το σωματίδιο Higgs σε σκοτεινά φωτόνια;

Οι φυσικοί του ανιχνευτή CMS (Compact Muon Solenoid) στον επιταχυντή LHC αναζήτησαν γεγονότα κατά τα οποία το μποζόνιο Higgs μετατρέπεται σε ένα φωτόνιο και ένα υποθετικό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, το σκοτεινό φωτόνιο.

«Ξέρουν ότι υπάρχει αλλά δεν ξέρουν τι είναι». Η πρόταση αυτή συνοψίζει την τωρινή γνώση των φυσικών για την σκοτεινή ύλη. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι η περιεκτικότητα του σύμπαντος σ’ αυτή την αόρατη μορφή ύλης είναι περίπου πέντε με έξι φορές μεγαλύτερη από την συνηθισμένη ορατή ύλη.

Σύμφωνα με μια θεωρία η σκοτεινή ύλη συνίσταται από σωματίδια τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ενός σωματιδίου που ονομάζεται σκοτεινό φωτόνιο, σε αναλογία με το γνωστό φωτόνιο που είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης μεταξύ των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Ένα σκοτεινό φωτόνιο θα αλληλεπιδρά ασθενώς και με τα γνωστά σωματίδια που περιγράφονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής, συμπεριλαμβανομένου και του μποζονίου Higgs.

Η συνεργασία των φυσικών του CMS ανακοίνωσε τα αποτελέσματα της πρόσφατης έρευνας για σκοτεινά φωτόνια. Πιο συγκεκριμένα, ερεύνησαν τις περιπτώσεις που το μποζόνιο Higgs παράγεται μαζί με ένα μποζόνιο Ζ (ZH production) και το μεν Higgs μετασχηματίζεται σε ένα συνηθισμένο φωτόνιο και ένα σκοτεινό φωτόνιο, ενώ το μποζόνιο Ζ διασπάται σε ηλεκτρόνια ή στα βαρύτερα ξαδέρφια τους, τα μιόνια.

Τέτοιες περιπτώσεις αναμένεται να είναι εξαιρετικά σπάνιες και ο εντοπισμός τους είναι πολύ δύσκολος δεδομένου ότι οι ανιχνευτές σωματιδίων δεν μπορούν να «δουν» σκοτεινά φωτόνια. Για τον σκοπό αυτό, οι ερευνητές προσθέτουν τις ορμές των ανιχνευόμενων σωματιδίων, στην κάθετη διεύθυνση ως προς την διεύθυνση των συγκρουόμενων δεσμών των πρωτονίων, αναζητώντας την τυχόν ελλείπουσα ορμή που απαιτείται ώστε η συνολική εγκάρσια ορμή να γίνει μηδενική. Μια τέτοια ελλείπουσα εγκάρσια ορμή εκφράζει ένα σωματίδιο που δεν ανιχνεύθηκε.

Αλλά υπάρχει ένα ακόμα βήμα που πρέπει να γίνει: η διάκριση μεταξύ ενός πιθανού σκοτεινού φωτονίου και των γνωστών σωματιδίων. Αυτό συνεπάγεται την εκτίμηση της μάζας του σωματιδίου που διασπάται στο ανιχνευθέν φωτόνιο και το μη ανιχνεύσιμο σωματίδιο. Εάν η ελλείπουσα εγκάρσια ορμή φέρεται από ένα σκοτεινό φωτόνιο που παράγεται από την διάσπαση του μποζονίου Higgs, η μάζα του θα πρέπει να βρίσκεται συχνά πολύ κοντά στη μάζα μποζονίου Higgs, δηλαδή στα 125 GeV.

Οι φυσικοί του CMS ακολουθώντας αυτή την προσέγγιση δεν βρήκαν κανένα σήμα σκοτεινών φωτονίων. Όμως έθεσαν ανώτερα όρια στην πιθανότητα παραγωγής σκοτεινών φωτονίων.

Ακόμη ένα μηδενικό αποτέλεσμα; Ναι, αλλά τέτοια αποτελέσματα, παρότι δεν βρίσκουν νέα σωματίδια ή αποκλείουν την ύπαρξή τους, είναι πολύ απαραίτητα γιατί καθοδηγούν τις επόμενες έρευνες, πειραματικές και θεωρητικές.

Για περισσότερες λεπτομέρειες διαβάστε επίσης στον ιστότοπο του CMS.

https://cms.cern/news/no-sign-dark-light-higgs-boson

https://physicsgg.me/2019/05/24/%ce%b4%ce%b9%ce%b1%cf%83%cf%80%ce%ac%cf%84%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%bf-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%af%ce%b4%ce%b9%ce%bf-higgs-%cf%83%ce%b5-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ac-%cf%86/

Ένας υποψήφιος βαρέων βαρών για την σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τους κοσμολόγους τo 25,8% του περιεχομένου του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη. Μπορεί να μην την βλέπουμε, να μην την αισθανόμαστε αλλά ξέρουμε πως υπάρχει! Υπάρχουν ατράνταχτα αστρονομικά δεδομένα που το αποδεικνύουν. Αν δεν υπήρχε η σκοτεινή ύλη τότε οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες θα είχαν διαλυθεί, ενώ άλλα αστρονομικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο των βαρυτικών φακών ή τα εντυπωσιακά αποτελέσματα των συγκρούσεων σμηνών γαλαξιών, θα ήταν αδύνατον να κατανοηθούν

Η φωτογραφία έχει προκύψει από σύνθεση πολλών εικόνων και δείχνει την σύγκρουση ομάδας γαλαξιών. Με μπλε χρώμα σημειώνεται η κατανομή της σκοτεινής ύλης που υπολογίζεται έμμεσα.

Έτσι, το μόνο σίγουρο για την σκοτεινή ύλη είναι πως έχει μάζα και ότι αλληλεπιδρά με την γνωστή ύλη (και τον εαυτό της) με την δύναμη της βαρύτητας. Δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά, και γι αυτό αποκαλείται «σκοτεινή», αφού δεν μπορούμε να την δούμε ή να την αγγίξουμε!

Οι φυσικοί προτείνουν διάφορες λύσεις στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης αλλά μέχρι σήμερα καμία από αυτές δεν έχει επικρατήσει. Μεταξύ αυτών και οι Hermann Nicolai και Krzysztof Meissner, οι οποίοι στην εργασία τους με τίτλο «Planck mass charged gravitino dark matter»

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.100.035001

υποστηρίζουν πως υποψήφιο για σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι ένα πολύ μεγάλης μάζας σωματίδιο που ονομάζεται γκραβιτίνο. Η ύπαρξη αυτού του υποθετικού σωματιδίου προκύπτει από μια θεωρία που φιλοδοξεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο φάσμα των κουάρκ και των λεπτονίων του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής Φυσικής με μια πιο θεμελιώδη θεωρία. Οι ερευνητές περιγράφουν στην εργασία τους και μια πιθανή μέθοδο ανίχνευσης αυτού του «σκοτεινού» σωματιδίου.

Επιπλέον, με την υπόθεσή τους εξηγούν γιατί μόνο τα μέχρι τώρα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια εμφανίζονται ως βασικά δομικά στοιχεία της ύλης – και γιατί δεν πρόκειται να ανακαλυφθούν νέα σωματίδια στις ενέργειες που μπορούν να προσεγγίσουν οι τωρινοί και μελλοντικοί επίγειοι επιταχυντές.

Η εργασία των Hermann Nicolai και Krzysztof Meissner υιοθετεί μια παλιά ιδέα του βραβευμένου με Νόμπελ φυσικής Murray Gell-Mann που βασίζεται στη θεωρία «υπερβαρύτητας Ν=8». Ένα βασικό σημείο της πρότασής τους είναι ένας νέος τύπος συμμετρίας απείρων διαστάσεων που περιγράφει το παρατηρούμενο φάσμα των γνωστών κουάρκ και λεπτονίων σε τρεις οικογένειες (ή γενιές). Η υπόθεσή τους δεν απαιτεί νέα επιπλέον σωματίδια για την συνηθισμένη ύλη – τα οποία θα έπρεπε να αναζητηθούν στα πειράματα των επιταχυντών. Αντίθετα, θα μπορούσε κατ’ αρχήν να εξηγήσει γιατί βλέπουμε μόνο τα γνωστά μας σωματίδια, αλλά και το γεγονός ότι οι επιταχυντές σαν τον LHC δεν πρόκειται να παράξουν νέα σωματίδια.

Όμως, το περιεχόμενο του σύμπαντός μας δεν μπορεί να εξηγηθεί μόνο με τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου. Η φύση της σκοτεινής ύλης για παράδειγμα, είναι ένα από τα σημαντικότερα αναπάντητα ερωτήματα της κοσμολογίας. Η συνήθης υπόθεση είναι πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από ένα στοιχειώδες σωματίδιο το οποίο δεν ανιχνεύεται γιατί αλληλεπιδρά μάλλον αποκλειστικά με την βαρυτική δύναμη. Η θεωρία των δυο φυσικών θέτει ένα τέτοιου είδους σωματίδιο ως υποψήφιο σωματίδιο σκοτεινής ύλης, αν και με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες από όλα τα υποψήφια σωματίδια που προτάθηκαν μέχρι σήμερα, όπως τα αξιόνια ή τα WIMPs (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Μαζικά Σωματίδια – Weakly Interacting Massive Particles). Τα τελευταία αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την γνωστή ύλη. Το ίδιο ισχύει και για τα πολύ ελαφρά γκραβιτίνο τα οποία έχουν προταθεί επανειλημμένα ως υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης σε σχέση με την χαμηλής ενέργειας υπερσυμμετρία. Ωστόσο, η νέα πρόταση πηγαίνει σε μια τελείως διαφορετική κατεύθυνση, αφού δεν αποδίδει πλέον πρωταρχικό ρόλο στην υπερσυμμετρία. Προβλέπει γκραβιτίνα πολύ μεγάλης μάζας, τα οποία σε αντίθεση με τα ελαφρά γκραβιτίνα που προτάθηκαν στο παρελθόν ως σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλληλεπιδρούν με την συνηθισμένη ύλη διαμέσου και των ηλεκτρομαγνητικών και των ισχυρών δυνάμεων.

Η μεγάλη τους μάζα σημαίνει ότι τα σωματίδια αυτά θα μπορούν να εμφανίζονται μόνο σε πολύ αραιή μορφή στο σύμπαν, διαφορετικά θα το οδηγούσαν σε πρόωρη κατάρρευση. Δεν χρειάζονται πολλά από αυτά τα σωματίδια για να εξηγήσουμε την σκοτεινή ύλη του Γαλαξία μας – θα αρκούσε ένα σωματίδιο ανά 10.000 κυβικά χιλιόμετρα!

Η μάζα αυτού του σωματιδίου βρίσκεται στην περιοχή της μάζας Planck – δηλαδή είναι περίπου 10-8kg (=0,00001γραμμάρια). Συγκριτικά, ισούται με τη μάζα δέκα εκατομμυρίων βακτηρίων περίπου ή με την μάζα του μικρότερου αντικειμένου που μπορούμε να διακρίνουμε με γυμνό μάτι – ενός κόκκου σκόνης!

Το γεγονός ότι τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά και ισχυρά τα κάνει εύκολα ανιχνεύσιμα, παρά την εξαιρετική σπανιότητά τους. Μια δυνατότητα είναι τα αναζητήσουμε με ειδικές μετρήσεις χρόνου-πτήσης στο εσωτερικό της Γης, καθώς τα σωματίδια αυτά κινούνται με πολύ πιο μικρές ταχύτητες από την ταχύτητα του φωτός, σε αντίθεση με τα συνήθη σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας.

Αυτού του είδους τα γκραβιτίνα θα διεισδύουν εύκολα στο εσωτερικό της Γης εξαιτίας της μεγάλης τους μάζας – όπως μια μπάλα κανονιού δεν μπορεί να σταματήσει από ένα σμήνος κουνουπιών. Το γεγονός αυτό προκαλεί τους ερευνητές να «δουν», τον πλανήτη μας ως «παλαιο-ανιχνευτή»: η Γη περιπλανιέται στο διάστημα για περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, κατά τη διάρκεια των οποίων πρέπει να έχουν διεισδύσει στο εσωτερικό της πολλά από αυτά τα σκοτεινά σωματίδια μεγάλης μάζας. Κατά τη διείσδυση, θα πρέπει να έχουν αφήσει μακριές, ευθείες διαδρομές ιονισμού στα πετρώματα, αλλά δεν θα είναι εύκολο να διακριθούν από τα ίχνη που προκαλούν τα γνωστά μας σωματίδια.

Πάντως, η ιδέα να ιδωθεί η Γη ως ένας ανιχνευτής σκοτεινής ύλης δεν προκαλεί καμία ιδιαίτερη εντύπωση, μετά από μια πρόσφατη δημοσίευση που εξέταζε «το ανθρώπινο σώμα ως ανιχνευτή σκοτεινής ύλης» !

.https://physicsgg.me/2019/08/21/%ce%ad%ce%bd%ce%b1%cf%82-%cf%85%cf%80%ce%bf%cf%88%ce%ae%cf%86%ce%b9%ce%bf%cf%82-%ce%b2%ce%b1%cf%81%ce%ad%cf%89%ce%bd-%ce%b2%ce%b1%cf%81%cf%8e%ce%bd-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%cf%83%ce%ba/

31 Οκτωβρίου: Ημέρα Σκοτεινής Ύλης

Είναι γνωστό πως μόνο το 5% της ύλης-ενέργειας του σύμπαντος αποτελείται από την συνηθισμένη γνωστή ύλη – την ύλη από την οποία είμαστε φτιαγμένοι και αντιλαμβανόμαστε γύρω μας. Το υπόλοιπο 95% μας είναι εντελώς άγνωστο και «σκοτεινό». Αποδεικνύεται πως το 27% του σύμπαντος συνίσταται από την αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη και το 68% από την σκοτεινή ενέργεια.

Η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται πως είναι 5 φορές περισσότερη από την γνωστή ύλη, αυτή τη στιγμή ενδέχεται να σας περιβάλει και να περνάει από μέσα σας χωρίς να το αντιλαμβάνεστε.

Οι φυσικοί που συμμετέχουν στις έρευνες για να εξιχνιάσουν τα μυστήρια της σκοτεινής ύλης καθιέρωσαν την 31 Οκτωβρίου (και ημέρα που γιορτάζεται το Halloween), ως παγκόσμια Ημέρα Σκοτεινής Ύλης (Dark Matter Day), πραγματοποιώντας ανοιχτές εκδηλώσεις σε όλο τον κόσμο με θέμα το κυνήγι της αόρατης «σκοτεινής ύλης» του σύμπαντος.

Οι εκδηλώσεις της ημέρας αυτής περιλαμβάνουν εκλαϊκευμένες διαλέξεις για την σκοτεινή ύλη και τα πειράματα που προσπαθούν να την ανιχνεύσουν, ερωτήσεις και απαντήσεις από εξειδικευμένους επιστήμονες, προβολές σχετικών ταινιών κ.λπ. Σκοπός της Dark Matter Day είναι να ενημερωθεί το κοινό για την έρευνα σχετικά με την σκοτεινή ύλη, να προσελκύσει περισσότερες πνευματικές δυνάμεις και επιστημονικούς πόρους προς τα μυστήρια της σκοτεινής ύλης, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες θεωρητικές ιδέες και ανακαλύψεις.

Η Dark Matter Day σχεδιάστηκε από μια ομάδα επιστημόνων που εκπροσωπούν εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής ανά τον κόσμο. Δημιούργησαν την ιστοσελίδα www.darkmatterday.com απ΄ όπου μπορείτε να πάρετε όποια πληροφορία θέλετε σχετικά με τις εκδηλώσεις της Ημέρας Σκοτεινής Ύλης.

Δείτε επίσης κι ΕΔΩ:

www.interactions.org

Λόγω της ημέρας λοιπόν, ας θυμηθούμε μερικούς προβληματισμούς σχετικά με την σκοτεινή ύλη:

Αφού δεν την βλέπουμε και δεν την αισθανόμαστε πως ξέρουμε ότι υπάρχει;

Υπάρχουν ατράνταχτα αστρονομικά δεδομένα που αποδεικνύουν την αναγκαιότητα ύπαρξής της. Αν δεν υπήρχε αυτό που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη τότε οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες θα είχαν διαλυθεί. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ένας γαλαξίας τόσο περισσότερη μάζα χρειάζεται για να συγκρατεί βαρυτικά τα άστρα που περιέχει. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η γνωστή ορατή ύλη δεν επαρκεί για να συγκρατήσει βαρυτικά το περιεχόμενο των περιστρεφόμενων γαλαξιών. Για να εξηγηθεί η σταθερότητα αυτών των γαλαξιών εισήχθη η έννοια της σκοτεινής ύλης. Και ονομάστηκε έτσι διότι δεν την βλέπουμε, αφού δεν εκπέμπει ούτε ανακλά το φως. Φυσικά, υπάρχουν κι άλλα αστρονομικά φαινόμενα που χωρίς την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι αδύνατον να κατανοηθούν, όπως το φαινόμενο των βαρυτικών φακών ή τα εντυπωσιακά αποτελέσματα των συγκρούσεων σμηνών γαλαξιών.

Τι γνωρίζουμε για την σκοτεινή ύλη;

Το μόνο σίγουρο είναι πως έχει μάζα και γι αυτό ονομάζεται «ύλη». Ο μόνος γνωστός τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά με την γνωστή ύλη (και τον εαυτό της) είναι η βαρύτητα. Δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά, οπότε δεν μπορούμε να τη δούμε ή να την αγγίξουμε – και γι αυτό αποκαλείται «σκοτεινή».

Μπορούμε να ανιχνεύσουμε την σκοτεινή ύλη στα επίγεια εργαστήρια;

Υπάρχουν αρκετές ιδέες για το ζήτημα αυτό. Η απλούστερη ιδέα είναι να υποθέσουμε πως η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν με εξαιρετικά ασθενή τρόπο με την κανονική ύλη. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) και θα μπορούσαν ίσως να αλληλεπιδρούν με κάποια νέα υποθετική δύναμη, πέρα από τις 4 γνωστές – βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενή και ισχυρή πυρηνική. Χωρίς να γνωρίζουν πως ακριβώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης με την κανονική ύλη, οι φυσικοί κάνοντας εύλογες υποθέσεις, σχεδίασαν πειράματα που φιλοδοξούν να αποδείξουν την ύπαρξη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης που κυκλοφορούν γύρω μας.

Με την ευκαιρία της ημέρας σκοτεινής ύλης, ο φυσικός Dan McKinsey (και λάτρης των ταινιών Star Wars) μας μιλάει για τη σκοτεινή ύλη και τη «Δύναμη»:

https://physicsgg.me/2017/10/31/31-%ce%bf%ce%ba%cf%84%cf%89%ce%b2%cf%81%ce%af%ce%bf%cf%85-%ce%b7%ce%bc%ce%ad%cf%81%ce%b1-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae%cf%82-%cf%8d%ce%bb%ce%b7%cf%82/

Οι επιστήμονες βρήκαν μόνο σκοτεινή ύλη στο Κέντρο του Γαλαξία;

Βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία, μια φωτεινή εκπομπή ακτίνων γάμμα - τα πιο υψηλής ενέργειας κύματα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που παράγεται συνήθως από σουπερνόβα και είναι από καιρό ένα μυστήριο για τους φυσικούς. Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως αρνηθεί ότι η σκοτεινή ύλη ήταν πίσω από το ενεργειακό πλεόνασμα, αλλά τώρα βρήκαν στοιχεία ότι είναι τελικά το μυστήριο. Τα νέα ευρήματα εμφανίζονται στο Physical Review Letters

Στις περισσότερες άλλες θέσεις του Γαλαξία, οι επιστήμονες κατανοούν την πηγή των ακτίνων γάμμα. Αλλά στο κέντρο του Γαλαξία, μια λάμψη των ακτίνων γάμμα - επίσης γνωστή ως GCE, έχει καταστεί ανεξήγητη.

Οι εν λόγω εξηγήσεις

Δύο εξηγήσεις πήραν το προβάδισμα. Κάποιος ήταν ότι οι πάλσαρ, τα υψηλής ενέργειας, τα περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων, παράγουν το πλεόνασμα. Το 2015, μια ομάδα MIT-Princeton υποστήριξε αυτή τη θεωρία, αναλύοντας τις παρατηρήσεις που έλαβε το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma-ray. Χρησιμοποιούσαν ένα μοντέλο φόντου που αναπτύχθηκε για την παρακολούθηση των αλληλεπιδράσεων γαλαξιακών σωματιδίων στις οποίες θα μπορούσαν να παράγονται ακτίνες γάμμα. Στη νέα μελέτη, ωστόσο, η δεύτερη εξήγηση επανέρχεται στο φως (ή μάλλον σκοτεινό): ότι ένα συγκεντρωμένο σύννεφο σκοτεινής ύλης βρίσκεται πίσω την υπερβολική παραγωγή.

Η μεταδιδακτορική MIT Rebecca Leane, η οποία ήταν επικεφαλής της νέας έρευνας, και ο αναπληρωτής καθηγητής TracySlatyer του MIT, ο οποίος διενήργησε τη μελέτη του 2015, επανεξέτασε την αναλυτική μέθοδο, διαπιστώνοντας ότι το μοντέλο θα μπορούσε να έχει οδηγήσει σε λάθος αποτέλεσμα. Για να το δοκιμάσουν, πρόσθεσαν ένα ψεύτικο σήμα σκοτεινής ύλης και είδαν ότι το μοντέλο απέτυχε να το πάρει.

«Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι θεωρούσαμε ότι εξαλείψαμε την πιθανότητα ότι πρόκειται για σκοτεινή ύλη», ανέφερε ο Slatyer στο MIT News. "Αλλά τώρα υπάρχει ένα κενό, ένα συστηματικό λάθος στην αξίωση που κάναμε. Ανοίγει ξανά την πόρτα για να έρχεται το σήμα από τη σκοτεινή ύλη. "

Είναι όλα σχετικά με τις εμφανίσεις

Στην ανάλυση του 2015, η Slatyer και η ομάδα της ήθελαν να καθορίσουν εάν η σφαιρική περιοχή που καταλαμβάνουν οι υπέρμετρες ακτίνες γάμμα - η οποία εκτείνεται 5.000 έτη φωτός σε κάθε κατεύθυνση, είναι ομαλή ή κοκκώδης.

Ο συλλογισμός τους ήταν ότι αν οι παλμοί ήταν η αιτία, η περιοχή θα πρέπει να είναι κοκκώδης, με φωτεινά σημεία πάλσαρ και σκοτεινά σημεία στο μεταξύ. Ωστόσο, αν η σκοτεινή ύλη ήταν η πηγή, η περιοχή θα φαινόταν ομαλή. "Κάθε όψη προς το γαλαξιακό κέντρο πιθανότατα έχει σωματίδια σκοτεινής ύλης, οπότε δεν πρέπει να βλέπω κενά ή κρύα σημεία στο σήμα", εξηγεί ο Slatyer στο MIT Νέα. Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα δημιούργησε ένα μοντέλο για να προσδιορίσει εάν οι παρατηρήσεις σφαιρικής περιοχής ταιριάζουν με το κοκκώδες ή ομαλό προφίλ.

«Είδαμε ότι ήταν 100 τοις εκατό κοκκώδες, και έτσι είπαμε,« οχι, η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να το κάνει αυτό, οπότε πρέπει να είναι κάτι άλλο », λέει ο Slatyer. «Η ελπίδα μου ήταν ότι αυτή θα είναι μόνο η πρώτη από πολλές μελέτες της περιοχής του γαλαξιακού κέντρου που χρησιμοποιεί παρόμοιες τεχνικές. Αλλά μέχρι το 2018, οι κύριοι διασταυρωμένοι έλεγχοι της μεθόδου ήταν εκείνοι που είχαμε κάνει το 2015, πράγμα που με έκανε πολύ νευρικός για να χάσουμε κάτι.

Τα κενά αποκαλύφθηκαν

Το 2017, οι Leane και Slatyer ξεκίνησαν ένα δύσκολο έργο: να μάθουν ποιες είναι οι περιστάσεις που θα άφηναν τη μεθοδολογία του 2015. Τότε δημιούργησαν έναν ψεύτικο χάρτη του ουρανού που περιλάμβανε ένα σήμα σκοτεινής ύλης. Το μοντέλο κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η περιοχή ήταν κοκκώδης, και έτσι ήταν υπεύθυνοι οι παλμικά. Στη συνέχεια, η ομάδα πήρε ένα βήμα παραπέρα, προσθέτοντας το ψεύτικο σήμα της σκοτεινής ύλης σε πραγματικό παρατηρητή.

https://asgardia.space/en/news/Did-Scientists-Just-Find-Dark-Matter-at-the-Center-of-the-Milky-Way

Η Βασίλισσα της Σκοτεινής Ύλης

Η Βέρα Ρούμπιν έφυγε τα Χριστούγεννα του 2016 για τους γαλαξίες που τόσο αγάπησε, στα ογδόντα οκτώ της χρόνια. Μητέρα τεσσάρων παιδιών υπερνίκησε ένα απόλυτα ανδροκρατούμενο περιβάλλον στην Αστρονομία και δημιούργησε ένα νέο επιστημονικό ερευνητικό πεδίο. «Ακολουθήστε το δικό σας δρόμο» είναι η κληρονομιά που αφήνει στους νέους επιστήμονες και ιδιαίτερα στις νέες γυναίκες που ονειρεύονται καριέρα στις φυσικές επιστήμες.

Ο Νόμος του Νεύτωνα για τη βαρύτητα προβλέπει ότι τα αστέρια των γαλαξιών περιφέρονται γύρω από το κέντρο του γαλαξία τους με ταχύτητες που μικραίνουν, όσο μεγαλώνει η απόστασή τους από το κέντρο.

Όμως, ήδη από τη δεκαετία του ‘70, η αστρονόμος Βέρα Ρούμπιν και άλλοι, είχαν βρει ότι οι ταχύτητες στην αρχή μεγαλώνουν και μετά σταθεροποιούνται (flat rotation curves). Ανακάλυψε το «πρόβλημα περιστροφής των γαλαξιών», δηλαδή την ασυμφωνία ανάμεσα στην παρατηρούμενη γωνιακή ταχύτητα των γαλαξιών και την προβλεπόμενη.

Οι γραφικές παραστάσεις δείχνουν τις ταχύτητες περιστροφής διαφόρων σημείων του γαλαξία συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο.

Αριστερά: Προσομοίωση περιστροφής σπειροειδούς γαλαξία χωρίς σκοτεινή ύλη. Δεξιά: Γαλαξίας με μια «επίπεδη καμπύλη» περιστροφής. Η ερμηνεία αυτού του είδους της περιστροφής απαιτεί την ύπαρξη σκοτεινής ύλης

Υπάρχουν δύο αντίπαλες θεωρίες για την ερμηνεία των παρατηρήσεων αυτών :

Α) Η Σκοτεινή Ύλη (ΣΥ), την οποία δεν βλέπουμε και προσπαθούμε να αποδείξουμε ότι υπάρχει – ενώ η Ορατή Ύλη είναι πολύ λιγότερη από τη ΣΥ. Η δυνητική ύπαρξη της ΣΥ είναι πάρα πολύ ενοχλητική για τις υπάρχουσες ερμηνείες του Σύμπαντος και για τις «βεβαιότητες» των ανθρώπων… Όμως έτσι προχωράει η Επιστήμη. Η ΣΥ πιθανολογείται ότι αποτελείται 1. Από Συνηθισμένη Ύλη ( 1%), 2. Νετρινική Ύλη δηλ. από Νετρίνα (30%) και 3. Εξωτική ( 69%) δηλ. υπερ-συμμετρικά σωματίδια.

Β) Η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (ΤΝΔ), προτείνει τροποποίηση των Νόμων του Νεύτωνα προσαρμοσμένη στη ερμηνεία των παρατηρούμενων ιδιοτήτων των γαλαξιών.

Κάποτε η Βέρα Ρούμπιν, η Βασίλισσα της Σκοτεινής Ύλης, κάλεσε με υποτροφία στη Washington τον αστρονόμο Stacy McGaugh. Διηγείται ο Stacy:

Μπροστά μου είχα τη Βασίλισσα της Σκοτεινής Ύλης και μου προσφέρει δουλειά. Όμως εγώ ξαφνικά είχα αρχίσει να ενδιαφέρομαι για την αντίπαλη θεωρία (ΤΝΔ).

-Κοίταξε, εγώ ενδιαφέρομαι για την ΤΝΔ, αυτό για σένα είναι ΟΚ;

Είδα ένα σύντομο σοκ στο πρόσωπό της, συνήλθε γρήγορα : -Βέβαια, έχεις υποτροφία, θα δουλέψεις σε ό,τι αρέσει σε σένα.

Η Βέρα «έφυγε» 25 Δεκεμβρίου 2016, κάποιοι θρήνησαν, ίσως έχασε το Νόμπελ Φυσικής- απονέμεται σε ζώντες.

Η ίδια είχε πει στον Stacy: -Είμαι αστρονόμος (άρα δεν κάνω για Νόμπελ Φυσικής).

Όμως η έρευνά της είχε βαθιά επίδραση στη Φυσική. Βρήκε ένα νόμο της Φύσης, αξίζει ένα Νόμπελ, λέει ο Stacy (σημείωση του γράφοντος: όταν κι εφόσον αποδειχτεί οριστικά η ύπαρξη της ΣΥ. Υπήρχε προκατάληψη εις βάρος της Αστρονομίας και των γυναικών επιστημόνων. Δεν έγινε δεκτή για μεταπτυχιακά στο Πρίνστον και τελικά γράφτηκε στο Κορνέλ, όπου άκουσε κβαντομηχανική από τους Φάϊνμαν και Μπέτε. Οι γυναίκες δεν επιτρέπονταν τότε να χρησιμοποιήσουν τα μεγάλα τηλεσκόπια).

Συνειρμός για το DNA – άλλη ιστορία, με άλλες συνθήκες, κι όμως… Οι Γουώτσον και Κρικ πήραν το Νόμπελ για τη δομή του DNA βασισμένοι και στην έρευνα της Ρόζαλιντ Φράνκλιν, η οποία πέθανε στα 37, από καρκίνο των ωοθηκών- ίσως λόγω των υλικών που χρησιμοποιούσε στην έρευνά της. Η δουλειά της έχει αναγνωριστεί- αλλά το Νόμπελ απονέμεται σε επιστήμονες εν ζωή.

Έχει ειπωθεί για τη Ρούμπιν: «η έρευνά της σχετίζεται με το θεμελιώδες ερώτημα, γιατί εμείς οι άνθρωποι είμαστε εδώ. Χωρίς τη ΣΥ , τα αέρια σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν δεν θα μπορούσαν ποτέ να σχηματίσουν κάτι πυκνότερο. Η έξτρα βαρύτητα που προσφέρει η ΣΥ επιτρέπει το σχηματισμό των αστέρων». « Χωρίς αστέρια, δεν υπάρχει Ζωή».

Οι New York Times έγραψαν: «Μεταμόρφωσε τη σύγχρονη Αστρονομία και Φυσική με τις παρατηρήσεις της που έδειχναν ότι οι γαλαξίες και τα άστρα είναι βυθισμένα στη βαρυτική επίδραση αχανών νεφών σκοτεινής ύλης. Η έρευνά της βοήθησε να εισέλθουμε στην κοσμική μας συνείδηση : αυτό που οι αστρονόμοι έβλεπαν ανέκαθεν και πίστευαν ότι ήταν ολόκληρο το Σύμπαν, αποτελούσε απλώς την ορατή κορυφή ενός παγόβουνου μυστηρίου».

Ο πρόεδρος του Ινστιτούτου Κάρνεγκι αποκάλεσε τη Ρούμπιν «θησαυρό του έθνους». «Η δουλειά της ξεκίνησε μια επανάσταση για τον τρόπο που βλέπουμε το Σύμπαν» έγραψε κάποιος άλλος.

Στο βιβλίο της «Φωτεινοί Γαλαξίες» έγραψε για τον εαυτό της «δυο στόχους είχα στη ζωή μου, να κάνω οικογένεια και να γίνω αστρονόμος, πέτυχα και τους δύο».

https://physicsgg.me/2020/01/06/%ce%b7-%ce%b2%ce%b1%cf%83%ce%af%ce%bb%ce%b9%cf%83%cf%83%ce%b1-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae%cf%82-%cf%8d%ce%bb%ce%b7%cf%82/

Εξιχνιάζοντας τα μυστικά της σκοτεινής ύλης.Βρέθηκαν οι μικρότερες γνωστές συγκεντρώσεις της.

Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και μια νέα τεχνική παρατήρησης, αστρονόμοι ανακάλυψαν πως η σκοτεινή ύλη μπορεί να σχηματίζει μικρότερους όγκους/ συγκεντρώσεις από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνοων μια από τις πλέον θεμελιώδεις προβλέψεις της ευρύτερα αποδεκτής θεωρίας περί «ψυχρής σκοτεινής ύλης».

Όλοι οι γαλαξίες, σύμφωνα με τη συγκεκριμένη θεωρία, σχηματίζονται και ενσωματώνονται σε νέφη σκοτεινής ύλης. Η ίδια η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αργά κινούμενα, ή «ψυχρά» σωματίδια τα οποία ενώνονται για να σχηματίσουν δομές οι οποίες μπορεί να είναι από εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του γαλαξία μας μέχρι συγκεντρώσεις/ όγκους ασύλληπτα μικρότερες (σε αυτό το πλαίσιο, σημειώνεται πως το «ψυχρός» έχει να κάνει με την ταχύτητα των σωματιδίων).

Οι παρατηρήσεις αυτές του Hubble παρέχουν νέα στοιχεία σχετικά με τη φύση και τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης- μιας αόρατης μορφής ύλης από την οποία απαρτίζεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος και αποτελεί τη «σκαλωσιά»/ πλαίσιο όπου «χτίζονται» οι γαλαξίες. Αν και οι αστρονόμοι δεν είναι σε θέση να «δουν» τη σκοτεινή ύλη, μπορούν να ανιχνεύουν έμμεσα την παρουσία της μετρώντας πώς η βαρύτητά της επηρεάζει άστρα και γαλαξίες. Ο εντοπισμός των μικρότερων σχηματισμών σκοτεινής ύλης μέσω αναζήτησης άστρων που είναι ενσωματωμένα σε αυτούς είναι πολύ δύσκολος ή αδύνατος, επειδή περιέχουν πολύ λίγα άστρα.

Αν και συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης έχουν εντοπιστεί γύρω από μεγάλου και μεσαίου μεγέθους γαλαξίες, πολύ μικρότερες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης δεν είχαν βρεθεί ως τώρα. Λόγω της απουσίας παρατηρήσεων τέτοιων συγκεντρώσεων, κάποιοι ερευνητές ανέπτυξαν εναλλακτικές θεωρίες, μεταξύ των οποίων η «θερμή σκοτεινή ύλη», σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια σκοτεινής ύλης κινούνται γρήγορα και σε μεγάλες ταχύτητες, σχηματίζοντας μικρότερους σχηματισμούς. Οι νέες παρατηρήσεις δεν υποστηρίζουν αυτό το σενάριο, καθώς δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι «ψυχρότερη» από ό,τι θα έπρεπε να είναι στο πλαίσιο της εν λόγω θεωρίας.

Η αναζήτηση συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης χωρίς άστρα είναι δύσκολη υπόθεση, ωστόσο η ερευνητική ομάδα του Hubble χρησιμοποίησε μια τεχνική στο πλαίσιο της οποίας δεν χρειαζόταν να αναζητηθούν βαρυτικές επιρροές ως ίχνη σκοτεινής ύλης. Οι επιστήμονες στόχευσαν οκτώ κβάζαρ (περιοχές γύρω από ενεργές μαύρες τρύπες που εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες φωτός) και μέτρησαν πώς το φως που εκπέμπεται από το οξυγόνο και το νέο που βρίσκονται γύρω από τις μαύρες τρύπες των κβάζαρ παραμορφώνεται από τη βαρύτητα ενός γιγαντιαίου γαλαξία, ο οποιος λειτούργησε ως «μεγεθυντικός φακός».

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα ανακάλυψε συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου προς τα κβάζαρ, καθώς και γύρω από τους ενδιάμεσους γαλαξίες. Οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που εντοπίστηκαν από το Hubble είναι από 1/10.000 μέχρι 1/100.000 φορές η μάζα της «στεφάνης» σκοτεινής ύλης του γαλαξία μας. Πολλές από αυτές τις μικρές συγκεντρώσεις δεν περιλαμβάνουν καν μικρούς γαλαξίες, και ως εκ τούτου θα ήταν αδύνατος ο εντοπισμός τους μέσω παραδοσιακών μεθόδων (αναζήτησης ενσωματωμένων άστρων).

Η παρουσία συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης μεταβάλλει τη φωτεινότητα και τη θέση της κάθε εικόνας κβάζαρ, και οι αστρονόμοι σύγκριναν αυτές τις μετρήσεις με τις προβλέψεις όσον αφορά στο πώς θα έμοιαζαν κανονικά, χωρίς την παραμόρφωση της σκοτεινής ύλης, οι εικόνες των κβάζαρ.

Ο αριθμός των μικροδομών που εντοπίστηκαν στο πλαίσιο της μελέτης παρέχει περισσότερα στοιχεία για τη φύση της σκοτεινής ύλης. Όπως είπε η Άννα Νίρενμπεργκ του JPL της NASA, επικεφαλής της έρευνας του Hubble, «οι ιδιότητες των σωματιδίων της ύλης επηρεάζουν το πώς σχηματίζονται πολλές συγκεντρώσεις. Αυτό σημαίνει πως μπορείς να μάθεις για τη σωματιδιακή φυσική της σκοτεινής ύλης μετρώντας τον αριθμό των μικρών συγκεντρώσεων».

Παρόλα αυτά, ο τύπος του σωματιδίου από το οποίο αποτελείται η σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να αποτελεί μυστήριο. «Αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν απευθείας εργαστηριακά στοιχεία πως υπάρχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης» εξήγησε άλλος ένας εκ των ερευνητών- ο Σάιμον Μπίρερ του UCLA. «Οι σωματιδιακοί φυσικοί δεν θα μιλούσαν καν για τη σκοτεινή ύλη εάν οι κοσμολόγοι δεν έλεγαν ότι υπάρχει, με βάση την παρατήρηση της επίδρασής της».

https://physicsgg.me/2020/01/10/%ce%b5%ce%be%ce%b9%cf%87%ce%bd%ce%b9%ce%ac%ce%b6%ce%bf%ce%bd%cf%84%ce%b1%cf%82-%cf%84%ce%b1-%ce%bc%cf%85%cf%83%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%ac-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd/

Ψάχνοντας για αντικείμενα από σκοτεινή ύλη στο εσωτερικό της Γης… με βαρυτόμετρα.

Η σκοτεινή ύλη είναι μια άγνωστη μορφή ύλης. Δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά με την συνηθισμένη ύλη και γι αυτό δεν την βλέπουμε. Αλληλεπιδρά όμως βαρυτικά και υπάρχουν ατράνταχτα αστρονομικά δεδομένα που το αποδεικνύουν. Για παράδειγμα, εξαιτίας της σκοτεινής ύλης οι πολύ γρήγορα περιστρεφόμενοι γαλαξίες καταφέρνουν να συγκρατούνται και να μην διαλύονται.

Πολλά πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν απευθείας την σκοτεινή ύλη, προς το παρόν, δεν έχουν παρουσιάσει κάποιο θετικό αποτέλεσμα. Η σκοτεινή ύλη, ή μια από τις συνιστώσες της, μπορεί να είναι κάποιου είδους συμπαγή σκοτεινά αντικείμενα [Compact Dark Objects (CDOs)]. Αυτά τα αντικείμενα θα μπορούσαν να εντοπιστούν από τα βαρυτικά πεδία που δημιουργούν. Αν οι μάζες τους είναι τεράστιες από 0,2−1 M☉ (M☉=η μάζα του ήλιου) θα μπορούσαν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα ανιχνεύσιμα από τα παρατηρητήρια LIGO-Virgo.

Αν οι μάζες των CDOs είναι πολύ μικρότερες από 10-9 M☉, τότε δεν αποκλείεται η περίπτωση να κινούνται γύρω ή και στο εσωτερικό της Γης και στην περίπτωση αυτή θα μπορούσαν να ανιχνευθούν ευκολότερα με βαρυτόμετρα. Τα όργανα αυτά μετρούν τις μεταβολές της έντασης της βαρύτητας του γήινου πεδίου.

Αυτό ακριβώς διερευνούν οι ερευνητές C. J. Horowitz και R. Widmer-Schnidrig στην εργασία τους με τίτλο «Gravimeter search for compact dark matter objects moving in the Earth».

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.051102

Αν ένα τέτοιο αντικείμενο παγιδευόταν από το πεδίο βαρύτητας της Γης (όπως πιστεύεται ότι συνέβη με τον δορυφόρο του Ποσειδώνα Τρίτωνα), στον εσωτερικό πυρήνα της Γης εκτελώντας μια περιοδική κίνηση, τότε θα δημιουργούσε ένα χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα σε βαρυτόμετρο.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravimeter

Σύμφωνα με την δημοσίευση η κίνηση του συμπαγούς αντικειμένου σκοτεινής ύλης (CDO) θα μπορούσε να είναι ομαλή κυκλική ή αρμονική ταλάντωση. Και στις δυο περιπτώσεις είτε περιφέρεται στον εσωτερικό πυρήνα σε κύκλο ακτίνας r με κέντρο το κέντρο της Γης είτε εκτελεί αρμονική ταλάντωση πάλι γύρω από το κέντρο της Γης, θα έχει περίοδο Τ=55 min (ή συχνότητα = 0.305 mHz). Και αυτό είναι ένα ωραίο πρόβλημα φυσικής για μαθητές Λυκείου.

Θεωρώντας ότι το CDO αλληλεπιδρά μόνο βαρυτικά με την Γη και ότι κινείται στην περιφέρεια ενός κύκλου ακτίνας r < R⊕ στο εσωτερικό της Γης (R⊕=η ακτίνα της Γης), τότε η δύναμη της βαρύτητας λειτουργεί ως κεντρομόλος δύναμη: F=G \frac{m_{D} M}{r^{2}}=\frac{m_{D} v^{2}}{r}. Θεωρώντας ότι η Γη στον εσωτερικό της πυρήνα έχει περίπου σταθερή πυκνότητα ρ , τότε, αν M⊕ η μάζα της Γης, προκύπτει, M=M_{\oplus} \frac{r^{3}}{R^{3}} (η μάζα της Γης που περιέχεται σε σφαίρα ακτίνας r και αλληλεπιδρά βαρυτικά με το CDO) και θέτοντας την ταχύτητα υ=2πr/T προκύπτει εύκολα η περίοδος της ομαλής κυκλικής κίνησης: T=\sqrt{\frac{G\rho}{3\pi}}.

Η τελευταία εξίσωση δίνει τα 55 min αν θέσουμε ρ=13,1 g/cm3, σύμφωνα με τα μέχρι σήμερα αποδεκτά δεδομένα για την πυκνότητα της Γης στον εσωτερικό πυρήνα της Γης:

Η πυκνότητα της Γης συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο της. Η καμπύλη με κόκκινο εκφράζει την συχνότητα συναρτήσει της απόστασης από το το κέντρο

Οι Horowitz και Widmer αναφέρουν πως ένα βαρυτόμετρο στην επιφάνεια της Γης θα επηρεαζόταν από την κίνηση του CDO στο εσωτερικό της, εξαιτίας των περιοδικών αλλαγών στην τοπική επιτάχυνση της βαρύτητας με την περίοδο που υπολογίστηκε παραπάνω. Μπορεί να μην γνωρίζουμε την μάζα του συμπαγούς αντικειμένου της σκοτεινής ύλης, αλλά αν αυτό περιφέρεται κυκλικά στο εσωτερικό της Γης γνωρίζουμε την περίοδο περιφοράς του.

Οι ερευνητές εξετάζουν και την περίπτωση της απλής αρμονικής ταλάντωσης με πλάτος r < R⊕ και θέση ισορροπίας το κέντρο της Γης. Στην περίπτωση αυτή η περίοδος θα είναι ίδια με την περίοδο της ομαλής κυκλικής κίνησης ακτίνας r, δεδομένου ότι η προβολή της ομαλής κυκλικής κίνησης σε κατάλληλο άξονα ισοδυναμεί με απλή αρμονική ταλάντωση (βλέπε και «Περίπου 17 φορές την ημέρα«).

Η διερεύνηση των Horowitz και Widmer διαπιστώνει πως τα δεδομένα ευαίσθητων υπεραγώγιμων βαρυτόμετρων αποκλείουν την περίπτωση τέτοια αντικείμενα από σκοτεινή ύλη να κινούνται στο εσωτερικό της Γης, εκτός κι αν η μάζα τους mD και η ακτίνα της τροχιάς τους r ικανοποιούν την ανισότητα mD·r <1,2·10−13M⊕R⊕, όπου M⊕ και R⊕ η μάζα και η ακτίνα της Γης.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ:

https://arxiv.org/pdf/1912.00940.pdf

https://physicsgg.me/2020/02/09/%cf%88%ce%ac%cf%87%ce%bd%ce%bf%ce%bd%cf%84%ce%b1%cf%82-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%b5%ce%af%ce%bc%ce%b5%ce%bd%ce%b1-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9/

«Φως» στη Σκοτεινή Ύλη: Εντοπίστηκε η πρώτη ένδειξη της ύπαρξης του αξιόνιου.

Οι φυσικοί του υπόγειου ανιχνευτή XENON1T στην Ιταλία ανακοίνωσαν ότι το πείραμά τους έχει «πιάσει» ένα ανεξήγητο σήμα, που μπορεί να αποτελεί την πρώτη ένδειξη της ύπαρξης του αξιόνιου, του έως τώρα υποθετικού σωματιδίου της σκοτεινής ύλης.

Οι πειραματιστές του XENON1T ανίχνευσαν 53 γεγονότα περισσότερα από τα 232 γεγονότα υποβάθρου που περίμεναν. Αφού απέρριψαν όλες τις πιθανές πηγές σφαλμάτων μπόρεσαν, εξέτασαν τρεις ερμηνείες που θα ταίριαζαν με το μέγεθος και το σχήμα των δεδομένων τους.

Αν αυτό επαληθευτεί -πράγμα που μένει να φανεί-, τότε θα πρόκειται για μια ιστορική ανακάλυψη στη σύγχρονη Φυσική, η οποία επιτέλους θα φωτίσει τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη, που αποτελεί το 85% της μάζας στο σύμπαν, αλλά η φύση της παραμένει άγνωστη μέχρι σήμερα.

Παρόλο που στην πραγματικότητα δεν έχει γίνει ανακοίνωση κάποιας επιστημονικής ανακάλυψης, επικρατεί μεγάλη έξαψη στην κοινότητα των σωματιδιακών φυσικών διεθνώς.

«Αυτό που λέμε είναι ότι υπάρχει κάτι στον ανιχνευτή μας που κανείς δεν περίμενε και προς το παρόν κανένας δεν ξέρει περί τίνος πραγματικά πρόκειται» δήλωσε ο φυσικός του αμερικανικού πανεπιστημίου Πέρντιου Ράφαελ Λανγκ, μέλος της διεθνούς ερευνητικής ομάδας του XENON1T.

Άλλοι επιστήμονες εμφανίζονται επιφυλακτικοί, καθώς η ιστορία της σκοτεινής ύλης είναι γεμάτη ελπίδες που στη συνέχεια διαψεύστηκαν.

Ο ανιχνευτής ΧΕΝΟΝ 1Τ στο Εθνικό Εργαστήριο Γκραν Σάσο της Ιταλίας, που λειτούργησε από το 2016 έως πέρσι, ευρισκόμενος σε μεγάλο βάθος κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, είναι γεμάτος με έναν τόνο από πολύ καθαρό υγροποιημένο ξένον.

Η ανίχνευση γίνεται όταν τα άτομα του υγρού αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια που διαπερνούν το «ρεζερβουάρ» του υπόγειου ανιχνευτή.

Όταν αυτό συμβαίνει, δημιουργούνται μικρές λάμψεις φωτός και ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Οι περισσότερες αλληλεπιδράσεις, γνωστές και ως «συμβάντα», γίνονται με γνωστά σωματίδια, όμως τώρα -κάτι που συνέβη πρώτη φορά- οι επιστήμονες είδαν έναν υπερβάλλοντα αριθμό τέτοιων συμβάντων, μεγαλύτερο του αναμενομένου (285 αντί 232, δηλαδή 53 περισσότερα), και μάλιστα ίσως να μην προέρχονταν από γνωστά σωματίδια όπως τα νετρίνα.

Υπάρχουν τρεις πιθανές εξηγήσεις γι’ αυτό, και η μία -που θεωρείται η πιθανότερη- αφορά το έως τώρα υποθετικό σωματίδιο αξιόνιο, που είχε προταθεί θεωρητικά ήδη από τη δεκαετία του 1970.

Μια δεύτερη εξήγηση σχετίζεται με την πιθανή «μόλυνση» του ανιχνευτή από τρίτιο (ένα ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου, που παράγεται στο εσωτερικό του ανιχνευτή), ενώ μια τρίτη εξήγηση είναι ότι το ανεξήγητο σήμα προήλθε από νετρίνα που αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία με τρόπο πιο ισχυρό του αναμενομένου.

Οι ερευνητές, οι οποίοι έκαναν τη σχετική προδημοσίευση στο Arxiv, σύμφωνα με το Science και το BBC, ήδη εργάζονται για την αναβάθμιση του ανιχνευτή τους σε XENOnNT, ώστε να περιέχει περισσότερους τόνους υγρού.

Αν το αρχικό αυτό σήμα προέρχεται όντως από το αξιόνιο της σκοτεινής ύλης, τότε λογικά αυτό θα πρέπει να επιβεβαιωθεί από έναν ισχυρότερο ανιχνευτή.

Παράλληλα, βρίσκονται σε εξέλιξη ανάλογα πειράματα στις ΗΠΑ και την Κίνα.

Η σκοτεινή ύλη έχει αυτό το όνομα όχι μόνο επειδή παραμένει ένα μυστήριο, αλλά επειδή δεν αντανακλά ούτε εκπέμπει φως.

Μέχρι σήμερα υπάρχουν μόνο έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή της (κυρίως, η βαρυτική επίδρασή της στους γαλαξίες), αλλά δεν έχει βρεθεί κάποιο σωματίδιο που να σχετίζεται με αυτήν.

Υπάρχουν διάφορες σχετικές επιστημονικές θεωρίες, και η επικρατούσα αφορά το «ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο με μάζα» (WIMP).

Όμως, η αναζήτηση του τελευταίου πάνω από μία δεκαετία από τον ανιχνευτή Xenon απέβη άκαρπη.

Ο αναβαθμισμένος ανιχνευτής XENON1T, που ήταν πιο ευαίσθητος στις σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις, αναζήτησε και άλλα υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης με μικρότερη μάζα, όπως τα αξιόνια, τα οποία μπορεί να προέρχονται είτε από την αρχική «Μεγάλη Έκρηξη» (Μπιγκ Μπανγκ) στο σύμπαν είτε από πρόσφατες πυρηνικές αντιδράσεις μέσα στον Ήλιο, γι’ αυτό λέγονται και «ηλιακά αξιόνια».

https://www.tanea.gr/2020/06/18/science-technology/fos-sti-skoteini-yli-entopisitke-i-proti-endeiksi-tis-yparksis-tou-aksioniou/

Το «σκοτεινό» τέλος των δεινοσαύρων.

Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Η Λίζα Ράνταλ, θεωρητική φυσικός του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, εξηγεί ότι καλύπτει μια μυστηριώδης αύρα αυτήν την επιστημονική έννοια, λόγω του χαρακτηρισμού «σκοτεινός». Το σκοτάδι απορροφά το φως, ενώ η σκοτεινή ύλη δεν αντιδρά με το φως, διότι είναι διάφανη. Βρίσκεται παντού και μας διαπερνά, παρότι δεν τη βλέπουμε και δεν τη νιώθουμε. Αντίθετα, η συνήθης ύλη, όπως τα ουράνια σώματα, τα φυτά, τα μέταλλα, τα ζώα κ.λπ., είναι φανερή και αλληλεπιδρούμε εμπειρικά μαζί της. Οι επιστήμονες έχουν μετρήσει την κοσμική ακτινοβολία και έχουν αποφανθεί ότι στις απαρχές του Big Bang, της Μεγάλης Εκρηξης με την οποία δημιουργήθηκε το σύμπαν, κατενεμήθη η ύλη στη συνήθη (5 τοις εκατό), στη σκοτεινή (25 τοις εκατό) και στη σκοτεινή ενέργεια (70 τοις εκατό). Η σκοτεινή ενέργεια είναι άγνωστη, αλλά εξαιτίας αυτής το σύμπαν διαστέλλεται, καθώς επιδρά στην επιτάχυνσή του.

Η Ράνταλ συνδυάζει με λεπτομερή μεθοδικότητα επιστήμες όπως η κοσμολογία, η αστροφυσική και η σωματιδιακή φυσική, προκειμένου να προσεγγίσει τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης. Αποτελείται από σωματίδια η σκοτεινή ύλη; Και αν ναι, μπορεί κάποιο μικρό μέρος της να αντιδρά με τη συνήθη ύλη; Εχει τεκμηριωθεί ότι η συνήθης ύλη καταρρέει όταν ψύχεται και σχηματίζει δίσκο, όπως ο αστρικός δίσκος ενός γαλαξία. Αν η σκοτεινή ύλη ακτινοβολεί, περιέχοντας δηλαδή το δικό της «σκοτεινό φως», μήπως τότε και εκείνη ψύχεται καταρρέοντας σε δίσκο, έναν διάφανο δίσκο; Οι επιστήμονες επί δεκαετίες στηρίζουν την υπόθεση ότι η σκοτεινή ύλη είναι υπεύθυνη για την κίνηση των αστέρων και τη δομή των γαλαξιακών σμηνών, εκεί όπου οι γαλαξίες ενώνονται. Τα τελευταία χρόνια, οι παρατηρήσεις του δορυφόρου ΓΑΙΑ (GAIA), ο οποίος υπολογίζει τη θέση και την κίνηση δισεκατομμυρίων αστεριών, ίσως στο μέλλον να αποδειχθούν αποκαλυπτικές όσον αφορά την ύπαρξη ή μη και τις ιδιότητες του διάφανου δίσκου της σκοτεινής ύλης.

Το βιβλίο συνδυάζει με λεπτομερή μεθοδικότητα επιστήμες όπως η κοσμολογία, η αστροφυσική και η σωματιδιακή φυσική, προκειμένου να προσεγγίσει τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης.

Η Ράνταλ σημειώνει ότι η μελέτη των μετεωροειδών, δηλαδή των αστεροειδών και των κομητών, θεωρείται εξίσου σημαντική με εκείνη των πλανητών τα τελευταία είκοσι χρόνια. Η θεωρητική φυσικός και οι συνεργάτες της άρχισαν να χτίζουν ένα ερευνητικό μοντέλο όπου ο μαζικός αφανισμός των δεινοσαύρων και των δύο τρίτων της ζωής στη Γη πριν από 66 εκατομμύρια χρόνια θα συνδεόταν με τη δραστική παρέμβαση της σκοτεινής ύλης πάνω στο ηλιακό μας σύστημα. Οι περισσότεροι αστεροειδείς βρίσκονται στην περιοχή ανάμεσα στον Αρη και στον Δία, ενώ στις απόμακρες περιοχές του ηλιακού συστήματος βρίσκεται το νέφος του Οορτ απ’ όπου προέρχονται οι κομήτες με τροχιές μεγάλης περιόδου. Καθώς το ηλιακό σύστημα ολοκληρώνει κάθε 240 εκατομμύρια χρόνια τον γύρο του γαλαξιακού δίσκου, ταλαντώνεται κατακόρυφα. Η ρηξικέλευθη έρευνα της Ράνταλ υποστηρίζει ότι ο κομήτης που έπεσε στο Μεξικό και εξαφάνισε τους δεινοσαύρους ήταν συνέπεια επίδρασης του διάφανου δίσκου σκοτεινής ύλης στις τροχιές των κομητών του νέφους Οορτ. Περικλείοντας το ηλιακό σύστημα κατά την κατακόρυφη ταλάντωσή του διαμέσου του γαλαξιακού επιπέδου, ο σκοτεινός δίσκος εκσφενδόνισε έναν κομήτη από το νέφος Οορτ μέσα στο ηλιακό σύστημα με κατεύθυνση τη Γη.

Μικρού και μεγάλου μεγέθους αντικείμενα περνούσαν πάντα μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης και εξαερώνονταν. Υπήρξαν καταγραφές κρατήρων από μετεωροειδή μεγάλων διαστάσεων που είχαν προσκρούσει στην επιφάνεια της Γης, ξεχωρίζοντας, λόγω των εξωγήινων μετάλλων τους, από παρόμοιους κρατήρες ηφαιστείων. Η Ράνταλ περιγράφει τον θαυμασμό των ανθρώπων για τα αστροφυσικά φαινόμενα, όπως όταν τον 14ο αιώνα η τεράστια ουρά του κομήτη του Χάλεϊ, η οποία εκτεινόταν σε ένα σημαντικό μέρος του ουρανού τον Σεπτέμβριο και τον Οκτώβριο του 1301, αποτυπώθηκε ως το λαμπρό αστέρι-οδηγός των Μάγων στον πίνακα «Η προσκύνηση των Μάγων» του Ιταλού ζωγράφου της Αναγέννησης Τζότο.

Εξήντα εκατομμύρια χρόνια ιστορίας βρίσκονται στα πετρώματα του γεωλογικού θησαυρού κατά μήκος του κατακόρυφου βράχου που απλώνεται στην παραλία του Γεωπάρκου της Χώρας των Βάσκων. Μια γραμμή απολιθωμάτων σηματοδοτεί την πιο πρόσφατη μαζική εξαφάνιση των ειδών, καλά διατηρημένη στην ήσυχη αυτή τοποθεσία.

ΛΙΖΑ ΡΑΝΤΑΛ

Η σκοτεινή ύλη και η εξαφάνιση

των δεινοσαύρων. Η εκπληκτική

συνέχεια του Σύμπαντος

μτφρ. Σοφία Παπαλεξίου

εκδ. Ροπή, σελ. 416

https://www.kathimerini.gr/1084269/gallery/politismos/vivlio/to-skoteino-telos-twn-deinosayrwn

Στα χνάρια της σκοτεινής ύλης.

Κοιτάζοντας το καθρέφτισμα του ήλιου στο νερό ενός πηγαδιού και χάρη στην ευφυΐα του ο Ερατοσθένης, διευθυντής της Βιβλιοθήκης της Αλεξάνδρειας, τον 3ο αιώνα π.Χ., υπολόγισε με μόλις 2% λάθος την περιφέρεια της Γης. Την κίνηση του Ερατοσθένη σήμερα υπάρχουν ερευνητές που τη μιμούνται. Στρέφουν τα μάτια προς τα έγκατα της Γης για να καταλάβουν τι γίνεται εκεί ψηλά. Κατεβαίνουν σε εργαστήρια σκαμμένα βαθιά μέσα στη γη, για να ανακαλύψουν μυστικά σχετικά με σωματίδια που κινούνται παντού στο Σύμπαν και αγκαλιάζουν ολόκληρους γαλαξίες!

Οταν στις 17 Ιουνίου ανακοινώθηκαν οι πρώτες μετρήσεις από ένα πείραμα που ξεκίνησε το 2014, 120 χιλιόμετρα βορειο-ανατολικά της Ρώμης, στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso, το νέο έκανε τον γύρο του κόσμου, και όχι άδικα. Τα αποτελέσματα από αυτές τις μετρήσεις τα εξέταζε επί δύο χρόνια περίπου η ομάδα του πειράματος, με τους 135 ερευνητές της να ανήκουν σε 22 διαφορετικούς ερευνητικούς οργανισμούς με προέλευση από την Ευρώπη, τη Μέση Ανατολή και την Αμερική. Και όλα αυτά για να βεβαιωθούν ότι δεν είχε γίνει κάποιο λάθος, αν και οι αμφιβολίες δεν έχουν ακόμη διαλυθεί.

Ποιο ήταν όμως αυτό το νέο; Οτι ίσως να είχε πιστοποιηθεί για πρώτη φορά η ύπαρξη ενός σωματιδίου «άξιον». Και τι το τρομερό, θα σκεφτεί κάποιος, αν βρίσκεται έξω από τη στενή κοινότητα των «κυνηγών της σκοτεινής ύλης» ή έστω αυτών που παρακολουθούν κάπως από πιο κοντά τα σοβαρά επιτεύγματα στην Αστροφυσική. Ενα σωματίδιο ακόμη στα τόσα που έχουν βρεθεί…

Κυνηγώντας το χρυσόμαλλο δέρας

Ο Φριτζ Τζβίκι ήταν ένας ελβετός επιστήμονας που από το 1925 μετανάστευσε στις Ηνωμένες Πολιτείες και εκεί, στο διάσημο California Institute of Technology, μελέτησε τη συμπεριφορά των χιλιάδων γαλαξιών ενός νεφελώματος που φαίνονταν να κινούνται με υπερβολικά μεγάλη ταχύτητα. Τόση ώστε θα έπρεπε να είχαν ξεφύγει από το νεφέλωμα αυτό. Κάτι όμως φαινόταν πως τους επηρέαζε. Και αυτό το κάτι που δεν παρήγαγε φως και έμενε απρόσιτο για τα τηλεσκόπια το ονόμασε «Dunkle Materie», δηλαδή «σκοτεινή ύλη».

Το να ξέρουμε πόση μπορεί να είναι η μάζα ενός ολόκληρου γαλαξία μαζί με την ύλη που δεν βλέπουμε καν φαντάζει σχεδόν σαν έργο ενός μάγου. Αρκετά νωρίς όμως οι άνθρωποι, ήδη από τον 16ο αιώνα περίπου, γνώριζαν πως η τροχιακή ταχύτητα ενός σώματος που περιστρέφεται ομαλά γύρω από κάποιο κέντρο εξαρτάται και από τη μάζα που παρεμβάλλεται ανάμεσα σε αυτό και το κέντρο περιστροφής. Και μάλιστα αν τετραπλασιαστεί η απόσταση από το κέντρο, η ταχύτητα θα πρέπει να πέσει στο μισό.

Αυτή την απλή γνώση επιχείρησαν να χρησιμοποιήσουν για να βρουν και τη μάζα ενός ολόκληρου γαλαξία, αφού μπαίνει και αυτή στον τύπο υπολογισμού. Το επιτύγχαναν μετρώντας την ταχύτητα περιστροφής των άστρων και των διαφόρων αερίων μέσα σε έναν γαλαξία και την απόστασή τους από το κέντρο. Είχαμε φθάσει στο 1970 και πλέον έγινε βεβαιότητα πως η ταχύτητα δεν άλλαζε όσο και αν απομακρυνόσουν από το κέντρο του περιστρεφόμενου γαλαξία.

Ηταν κάτι παράδοξο και τι συμπέρασμα έβγαινε από αυτό; Οτι υπήρχε μια τεράστια αόρατη μάζα, πολύ μεγαλύτερη σε αναλογία με την ορατή, που περιέβαλλε τον κάθε γαλαξία μέχρι τα άκρα του.

Από τότε, και επί πενήντα χρόνια μέχρι σήμερα, χιλιάδες ερευνητές σε ολόκληρο τον κόσμο ψάχνουν να βρουν από τι υλικό είναι φτιαγμένη αυτή η σκοτεινή ύλη. Που όχι μόνον εμπλέκεται στην περιστροφή των γαλαξιών, αλλά έχει ανάμειξη και στο ότι επικράτησε η ύλη έναντι της αντιύλης στο ξεκίνημα του Σύμπαντος και σχετίζεται και με μία προς απόδειξη ακόμη θεωρία, την υπερσυμμετρία, που αν επαληθευτεί θα επιβεβαιώσει πως ο πλέον στοιχειώδης δομικός λίθος της ύλης είναι μια παλλόμενη χορδή, τόσο μικρή που προς το παρόν δεν μπορεί να την πιάσει και το ισχυρότερο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στον κόσμο. Και όποιος βρει τι τέλος πάντων συνιστά τη σκοτεινή ύλη έχει εξασφαλίσει, και γρήγορα μάλιστα, ένα βραβείο Νομπέλ στη Φυσική.

Και του ύψους και του βάθους

Το ιταλικό εργαστηριακό συγκρότημα του Gran Sasso βρίσκεται σε βάθος 1.400 μέτρων και από επάνω του ένας τεράστιος όγκος συμπαγών βράχων προστατεύει τα πειράματα που διεξάγονται σε αυτό από την κοσμική ακτινοβολία αλλά και από τη ραδιενέργεια. Σε ισοδύναμο νερού η αντιστοιχία είναι σαν να βρίσκεται σε 3.400 μέτρα κάτω από την επιφάνεια!

Εκεί λοιπόν βρήκε τον κατάλληλο χώρο και η ομάδα ΧΕΝΟΝ1Τ για να στήσει το δικό της πείραμα με την Ιταλίδα Ελενα Απρίλε, που διδάσκει στο Πανεπιστήμιο Columbia και είχε ήδη μεγάλη πείρα προηγουμένως στην κατασκευή και ρύθμιση ανιχνευτών σωματιδίων, να έχει το γενικό πρόσταγμα. Ξεκίνησαν το 2004 με ένα δοχείο που περιείχε 100 κιλά υγροποιημένου στοιχείου Ξένον, έφθασαν στους 3 τόνους (με 1 τόνο σε ενεργή κατάσταση), οπότε πήραν τις επίμαχες μετρήσεις και τώρα ετοιμάζονται για νέο πείραμα με 8 τόνους.

Το Ξένον ανήκει στα ευγενή στοιχεία, άρα είναι πολύ σταθερό, παρουσιάζει αντίσταση στο να αντιδρά με άλλους ανεπιθύμητους παράγοντες και υγροποιημένο έχει την απαραίτητη πυκνότητα. Το ζητούμενο είναι να αντιδρά με τα σωματίδια που υποτίθεται πως συγκροτούν τη σκοτεινή ύλη. Είτε είναι αυτά τα πανάλαφρα αξιόνια είτε πρόκειται για «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια» (WIMPS). Αν και τα τελευταία αυτά φαίνεται πως αρχίζουν να φεύγουν από το προσκήνιο.

Με την προϋπόθεση πως δεν υπάρχει κάποιο άλλο στοιχείο να μολύνει τον όγκο του υγροποιημένου Ξένον, όπως το τρίτιο (δηλαδή υδρογόνο με δύο νετρόνια στον πυρήνα του), να μην υπάρχουν ηλεκτροαρνητικές προσμίξεις, μόρια οξυγόνου που θα «καταβρόχθιζαν» τα πολύτιμα ηλεκτρόνια-δείκτες των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, για πολλούς μήνες η… παγίδα μένει ανοιχτή και περιμένει. Ενα από τα ζητούμενα «σκοτεινά» σωματίδια θα πρέπει να χτυπήσει σε έναν πυρήνα Ξένον, παράγοντας έναν «σπινθήρα» από φωτόνια και να εξοστρακίσει ταυτόχρονα κάποιο ηλεκτρόνιο από το άτομο του Ξένον. Τα δύο αυτά συμβάντα θα πρέπει να συλληφθούν από τους υπερευαίσθητους ανιχνευτές και να καταγραφούν. Ο λόγος των δύο αυτών συμβάντων, δηλαδή το κλάσμα, θα πρέπει να είναι στην αναμενόμενη ζώνη που προσδιορίζουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί.

Ανοιχτά ενδεχόμενα

Στη συγκεκριμένη περίπτωση των μετρήσεων που απλά ανακοινώθηκαν στις 17 Ιουνίου, εκτός από το να έχουν αφήσει το ίχνος τους αξιόνια που έχουν περάσει από τον πυρήνα του Ηλιου μας υπάρχουν άλλες δύο εκδοχές. Η μία είναι να πρόκειται για ένα νέο είδος νετρίνων, που και αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον ή, δυστυχώς για την ομάδα, να οφείλονται τα σήματα αυτά σε ανεπιθύμητο τρίτιο που έστω και λίγα άτομά του έχουν εισχωρήσει στους τόνους του υγροποιημένου Ξένον.

Στην ανακοίνωση της ομάδας στις 17 Ιουνίου αναφέρεται πως οι μετρήσεις έγιναν από τον Φεβρουάριο του 2017 έως τον Φεβρουάριο του 2018 και καταγράφηκαν 285 συμβάντα αντί για τα αναμενόμενα 232. Αυτή η μικρή έξαρση των σκοτεινών συμβάντων που χρειάστηκε να μελετηθούν επί δύο ακόμη χρόνια έδωσε την αφορμή για τις μεγάλες προσδοκίες. Αλλά θα πρέπει να περιμένουμε κι άλλο.

Σε όλες τις ηπείρους σήμερα, πλην της Αφρικής, ακόμη και στην Ανταρκτική, έχουν στηθεί πειράματα για το κυνήγι της σκοτεινής ύλης. Απαιτούν πολύπλοκες εγκαταστάσεις, πανάκριβα μηχανήματα που μόνον για να τα συνδέσουν και να τα ρυθμίσουν περνούν χρόνια, προτού τα κατεβάσουν στις υπόγειες «φωλιές» τους και ο ανταγωνισμός είναι αδυσώπητος. Οπως δήλωσε η Ελενα Απρίλε, που ασχολείται δεκαπέντε ολόκληρα χρόνια με ένα τέτοιο κυνήγι, αυτή θα είναι η τελευταία της προσπάθεια. Αλλά σίγουρα το πεδίο δεν θα μείνει χωρίς κυνηγούς.

Η υπερσυμμετρία, η θεωρία των χορδών και τα πειράματα στο CERN

Με την ευκαιρία της δημοσίευσης των μετρήσεων από την ομάδα ΧΕΝΟΝ1Τ, που σίγουρα συζητήθηκαν στους κύκλους των ανθρώπων της Φυσικής, το ΒΗΜΑ-Science έθεσε κάποιες σχετικές με το θέμα ερωτήσεις στον κ. Αλέξανδρο Κεχαγιά, καθηγητή Φυσικής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και συνεργάτη του Center for Astroparticle Physics της Γενεύης.

Αν υποθέσουμε πως οι μετρήσεις από την ομάδα Gran Sasso National Laboratory in Italy αποδείξουν την ύπαρξη αξιονίων από τον Ηλιο, τι θα σημαίνει αυτό για διάφορους άλλους τομείς της Φυσικής, όπως είναι η θεωρία της υπερσυμμετρίας, και για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης;

«Κατ’ αρχάς να πούμε τι είναι τα axion (αξιόνια στα ελληνικά). Αυτά είναι υποθετικά σωματίδια τα οποία εισήγαγαν ο Ρομπέρτο Πετσέι και η Ελεν Κουίν το 1977 (παρεμπιπτόντως, ο Πετσέι απεβίωσε πριν από τέσσερις εβδομάδες περίπου). Ο λόγος της εισαγωγής των υποθετικών αυτών σωματιδίων ήταν ότι μπορούσαν να εξηγήσουν το “ισχυρό CP πρόβλημα”. Να πούμε εδώ ότι η CP συμμετρία είναι ο συνδυασμός της συμμετρίας αντιστροφής στον χώρο (P) και της συμμετρίας συζυγίας φορτίου ©. Τα αξιόνια αλληλεπιδρούν με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φωτόνια) και ο κύριος τρόπος ανίχνευσής τους είναι μέσω του φαινομένου Primakoff, όπου αξιόνια μετατρέπονται σε φωτόνια και το αντίστροφο σε υπόβαθρο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Τα αξιόνια έχουν μάζα, η οποία όμως είναι αναγκαστικά σε ένα μικρό παράθυρο μαζών που προσδιορίζεται από κοσμολογικές και αστροφυσικές παρατηρήσεις. Γενικά υπάρχει η εντύπωση ότι τα αξιόνια υπάρχουν στη φύση (ας μην ξεχνάμε και τη ρήση του Pauli: ό,τι δεν απαγορεύεται είναι υποχρεωτικό) και πιστεύω ότι είναι θέμα χρόνου η ανακάλυψή τους. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών προβλέπεται σε όλα τα υπερσυμμετρικά μοντέλα που έχουμε, αλλά φυσικά η ανακάλυψή τους δεν θα είναι επιβεβαίωση της υπερσυμμετρίας, εκτός και αν μπορεί να ταυτιστεί με κάποιο συγκεκριμένο αξιονικό σωμάτιο που προβλέπει η υπερσυμμετρία. Πιο σημαντική, κατά τη γνώμη μου, θα είναι η επίδραση της ανακάλυψής τους στην κοσμολογία, αφού θα αποτελεί σίγουρα μια συνιστώσα της – ακόμη να αποκρυπτογραφηθεί – σκοτεινής ύλης. Να σημειώσω εδώ ότι τα αξιόνια μελετώνται και στο πλαίσιο των βαρυτικών κυμάτων».

Η θεωρία για την ύπαρξη των αξιονίων έχει κάποια σχέση με τη θεωρία των χορδών; Και αν ναι, πώς επηρεάζει η μία την άλλη;

«Η θεωρία των χορδών προβλέπει έναν μεγάλο αριθμό από αξιονικά πεδία. Τα πεδία αυτά στην ουσία είναι συνιστώσες διαφορετικών πεδίων που ζουν στις επιπλέον διαστάσεις. Σας θυμίζω ότι η θεωρία των χορδών απαιτεί την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων πέραν αυτών που αντιλαμβανόμαστε. Να θυμηθούμε επίσης ότι όλες οι θεωρίες χορδών προβλέπουν την ύπαρξη βαρύτητας (a prosteriori πρόβλεψη, αλλά πάντως πρόβλεψη), μια αλληλεπίδραση τύπου πέμπτης δύναμης που ο φορέας της είναι ένα βαθμωτό πεδίο, το διλατόνιο (υπερσυμμετρικός σύντροφος του αξιονίου) και ένα αξιόνιο. Η ύπαρξη του τελευταίου είναι ανεξάρτητο μοντέλο, αλλά η μάζα του εξαρτάται από το μοντέλο που θα θεωρήσει κανείς. Η ανακάλυψη του αξιονίου ίσως λοιπόν μας αφήσει να πλησιάσουμε πιο κοντά στη θεωρία χορδών που θέλει να περιγράψει το Σύμπαν όπου ζούμε στο πιο στοιχειώδες του επίπεδο».

Η σκοτεινή ύλη πότε εμφανίζεται στη διαδικασία δημιουργίας του δικού μας Σύμπαντος;

«Η σκοτεινή ύλη δεν ήταν ανάγκη να υπάρχει από την αρχή της δημιουργίας του κόσμου. Εμφανίστηκε όταν η ύλη κυριάρχησε της δυναμικής του Σύμπαντος και η σκοτεινή ύλη είναι μια από της συνιστώσες με συντριπτική συνεισφορά στο σύνολο της ύλης που τελικά δημιουργήθηκε».

Υπάρχει πρόγραμμα έρευνας σχετικά με τη σκοτεινή ύλη αυτή τη στιγμή στο CERN; Είτε θεωρητικό είτε πειραματικό, όταν ανοίξει ξανά ο επιταχυντής; Με ποιο σχέδιο ψάχνουν τι;

«Μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Brout-Englert-Higgs στο CERN, υπήρξε έντονη η αισιοδοξία ότι η Φυσική, πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο, μας περίμενε στη γωνία να την ανακαλύψουμε. Δυστυχώς για μία ακόμη φορά η φύση αποφάσισε να κρατήσει, τουλάχιστον προς το παρόν, τα μυστικά της. Φυσικά η έρευνα συνεχίζεται και πρέπει να είμαστε πάντα αισιόδοξοι ότι τελικά θα μπορέσουν οι προσπάθειες τόσων ανθρώπων να φέρουν αποτέλεσμα. Ας μην ξεχνάμε ότι πολλές φορές η Φυσική προχωρεί με εκπλήξεις. Ενας από τους πιο σοβαρούς υποψηφίους για Φυσική, πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο, είναι η υπερσυμμετρία. Η υπερσυμμετρία, ανάμεσα στα άλλα, προβλέπει και μια πληθώρα σωματιδίων, το ελαφρύτερο από τα οποία θα πρέπει να είναι σταθερό και άρα υποψήφιο και για σκοτεινή ύλη. Αλλά και άλλα σωματίδια σε υπερσυμμετρικές θεωρίες είναι σοβαροί υποψήφιοι για σκοτεινή ύλη. Ποια είναι αυτά τα σωματίδια μένει να το δούμε. Δυστυχώς, αν και δεν έχουμε έλλειψη ιδεών, αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα τα οποία να μας καθοδηγήσουν αποφασιστικά. Ετσι, κατά τη γνώμη μου, αυτό που χρειάζεται είναι να ενισχυθεί η πειραματική προσπάθεια για να μπορέσουμε να απαντήσουμε σε θεμελιώδη ερωτήματα. Σε όλο αυτό το πλαίσιο, δεν μπορεί κανείς να μη σταθεί στο γεγονός ότι η έρευνα στο πολύ μικρό, στον κόσμο δηλαδή των υποατομικών σωματιδίων, μπορεί να δώσει απαντήσεις στο πολύ μεγάλο, δηλαδή στο Σύμπαν που μας περιβάλλει».

https://www.tovima.gr/2020/07/05/science/sta-xnaria-tis-skoteinis-ylis/

Η σκοτεινή ύλη γίνεται ακόμα πιο μυστηριώδης.

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι κάτι λείπει στην καθιερωμένη κοσμική συνταγή για το πώς συμπεριφέρεται η σκοτεινή ύλη. Ανακάλυψαν μια ασυμφωνία μεταξύ των θεωρητικών μοντέλων για το πως κατανέμεται η σκοτεινή ύλη στα σμήνη γαλαξιών και των παρατηρησιακών δεδομένων που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της κατανομής της.

Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει, ούτε απορροφά φως. Γι αυτό η παρουσία της είναι γνωστή μόνο διαμέσου των βαρυτικών αλληλεπιδράσεών της με την ορατή ύλη. Ένας τρόπος εντοπισμού της σκοτεινής ύλης είναι το φαινόμενο του βαρυτικού φακού.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης μικρής κλίμακας στα σμήνη γαλαξιών παράγουν βαρυτικά φαινόμενα που είναι 10 φορές ισχυρότερα από τα αναμενόμενα.

Αυτές οι διαπιστώσεις βασίζονται σε λεπτομερέστατες παρατηρήσεις διαφόρων γαλαξιακών σμηνών που έγιναν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στη Χιλή.

Τα σμήνη γαλαξιών, οι μεγαλύτερες δομές στο σύμπαν αποτελούμενες από πολλούς μεμονωμένους γαλαξίες, είναι οι μεγαλύτερες «αποθήκες» σκοτεινής ύλης. Όχι μόνο συγκρατούνται μεταξύ τους εξαιτίας της βαρύτητας της σκοτεινής ύλης που κατανέμεται σε όλη την έκταση του σμήνους, αλλά και την σκοτεινή ύλη που περιέχουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες των σμηνών.

Επομένως, η σκοτεινή ύλη κατανέμεται σε μεγάλες και μικρές κλίμακες.

Η χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης στα σμήνη γαλαξιών γίνεται χρησιμοποιώντας την κάμψη του φωτός εξαιτίας του φαινομένου βαρυτικού φακού που η ίδια δημιουργεί. Η βαρύτητα της σκοτεινής ύλης μεγεθύνει και στρεβλώνει το φως που προέρχεται από μακρινά αντικείμενα του υποβάθρου, όπως ένας γυάλινος φακός. Μετρώντας τις παραμορφώσεις που οφείλονται στο φαινόμενο βαρυτικού φακού οι αστρονόμοι προσδιορίζουν την ποσότητα και την κατανομή της σκοτεινής που παρεμβάλλεται.

Τα σμήνη των γαλαξιών είναι ιδανικά εργαστήρια για να κατανοήσουμε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστές την συμπεριφορά και τις αλληλεπιδράσεις της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης. Πραγματοποιώντας τέτοιες προσομοιώσεις ο ερευνητές βρήκαν αναντιστοιχίες με τα παρατηρησιακά δεδομένα. Η προέλευση αυτής της ασυμφωνίας μπορεί να οφείλεται στο ότι κάτι λείπει από την φυσική στην οποία βασίστηκε η προσομοίωση. Ίσως, για παράδειγμα, η ιδέα ότι η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που «αισθάνεται» η σκοτεινή ύλη να είναι λανθασμένη…

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό science.sciencemag.org.

https://science.sciencemag.org/content/369/6509/1347

https://physicsgg.me/2020/09/11/%ce%b7-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ae-%cf%8d%ce%bb%ce%b7-%ce%b3%ce%af%ce%bd%ce%b5%cf%84%ce%b1%ce%b9-%ce%b1%ce%ba%cf%8c%ce%bc%ce%b1-%cf%80%ce%b9%ce%bf-%ce%bc%cf%85%cf%83%cf%84%ce%b7/

Υπάρχουν σκοτεινά μποζόνια;

Ενδείξεις σκοτεινής ύλης στα φάσματα των ισοτόπων του υττερβίου.

Τον περασμένο Ιούνιο το πείραμα XENON ανέφερε ανίχνευση φωτονίων που σύμφωνα με την θεωρία οφείλονται σε έναν τύπο σωματιδίων σκοτεινής ύλης, τα σκοτεινά μποζόνια. Νέα αποτελέσματα ανακοίνωσαν άλλες δυο πειραματικές ομάδες, που αναζητούν επίσης σκοτεινά μποζόνια, η μια εκ των οποίων βλέπει στα δεδομένα της ενδείξεις ενός τέτοιου σωματιδίου.

Οι ερευνητές έχουν προτείνει πολλά σωματίδια ως υποψήφιους σκοτεινής ύλης και ένας από αυτούς είναι το μποζόνιο σκοτεινής ύλης. Αυτό το σωματίδιο σύμφωνα με την προτεινόμενη θεωρία αλληλεπιδρά ασθενώς με την γνωστή μας ύλη. Έτσι, τα σκοτεινά μποζόνια ανταλλάσσονται μεταξύ των ηλεκτρονίων και των νετρονίων ενός ατόμου, επηρεάζοντας απειροελάχιστα τις συχνότητες διεγέρσεων και αποδιεγέρσεων του ατόμου. Ο στόχος και των προαναφερθέντων πειραματικών ομάδων ήταν ο προσδιορισμός αυτών των μεταβολών. Για να τον πετύχουν μέτρησαν την λεγόμενη μετατόπιση ισοτόπων – τις διαφορές στα ατομικά φάσματα των ισοτόπων που αντιστοιχούν στο ίδιο στοιχείο (στοιχεία με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα τους, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων).

Η μια πειραματική ομάδα υπό τον Vladan Vuletić του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης μέτρησε τις μετατοπίσεις μεταξύ πέντε ισοτόπων του υττερβίου [Evidence for Nonlinear Isotope Shift in Yb+ Search for New Boson], ενώ η δεύτερη πειραματική ομάδα υπό τον Michael Drewsen του Πανεπιστημίου Άαρχους στη Δανία, μέτρησε τις μετατοπίσεις μεταξύ πέντε ισοτόπων του ασβεστίου [improved isotope-shift-based bounds on bosons beyond the Standard Model through measurements of the 2D3/2−2D5/2 interval in Ca+].

Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ότι σε πρώτης τάξης προσέγγιση, οι μετατοπίσεις των ισοτόπων θα πρέπει να βρίσκονται σε μια ευθεία γραμμή στο διάγραμμα που ονομάζεται «King», μια συνήθη αναπαράσταση του φαινομένου. Οι μετρήσεις της ομάδας Drewsen ταιριάζουν μ’ αυτή την πρόβλεψη.

Όμως, η ομάδα του Vuletić παρατήρησε αξιοσημείωτη απόκλιση από την αναμενόμενη γραμμικότητα. Σύμφωνα με τους ερευνητές μια τέτοια μη-γραμμικότητα υποδηλώνει είτε φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου (πολύ βαρετή έκφραση) με την εμφάνιση ενός νέου μποζονικού φορέα δύναμης, ή θα μπορούσε να εξηγηθεί από μεγαλύτερης τάξης διορθώσεις των πυρηνικών φαινομένων στα πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

https://physicsgg.me/2020/09/22/%cf%85%cf%80%ce%ac%cf%81%cf%87%ce%bf%cf%85%ce%bd-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd%ce%ac-%ce%bc%cf%80%ce%bf%ce%b6%cf%8c%ce%bd%ce%b9%ce%b1/

Οι θεωρητικοί φυσικοί πετούν την μπάλα στο γήπεδο των πειραματικών σχετικά με το πιθανό σήμα σκοτεινής ύλης στο πείραμα XENON1T

Στις 16 Ιουνίου 2020 το πείραμα XENON1T, που χρησιμοποιεί έναν από τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης, ανέφερε ένα σήμα ανεξήγητο σύμφωνα με την γνωστή θεωρία της φυσικής.

Η στατιστική του σήματος δεν έφτασε ακόμα τα «5 σίγμα» που αποτελούν το όριο για να επισημοποιηθεί μια ανακάλυψη. Παρόλα αυτά οι θεωρητικοί φυσικοί εξέτασαν τις περιπτώσεις που στο ανεξήγητο αυτό σήμα θα μπορούσαν να εμπλέκονται εξωτικά σωματίδια.

Έτσι, το περιοδικό Physical Review Letters δημοσίευσε τις παρακάτω πέντε εργασίες που επιχειρούν να ερμηνεύσουν το πιθανό σήμα σκοτεινής ύλης σύμφωνα με νέες θεωρίες πέραν της καθιερωμένης φυσικής:

F. Takahashi et al., “XENON1T excess from anomaly-free axionlike dark matter and its implications for stellar cooling anomaly,” Phys. Rev. Lett. 125, 161801 (2020).

J. Bramante and N. Song, “Electric but not eclectic: Thermal relic dark matter for the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161805 (2020).

N. F. Bell et al., “Explaining the XENON1T excess with luminous dark matter,” Phys. Rev. Lett. 125, 161803 (2020).

B. Fornal et al., “Boosted dark matter interpretation of the XENON1T excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161804 (2020).

A. Bally et al., “Neutrino self-interactions and XENON1T electron recoil excess,” Phys. Rev. Lett. 125, 161802 (2020).

Όλα τα σενάρια που αναφέρονται στις εν λόγω εργασίες εξηγούν τις δυο πτυχές του σήματος που δημιουργήθηκε στην τεράστια δεξαμενή του ανιχνευτή XENON1T που περιέχει καθαρό Ξένον. Πρώτον, το σήμα μοιάζει να προέρχεται από σωματίδια που συγκρούστηκαν κυρίως με τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Ξένου. Και δεύτερον, κάθε μια από αυτές τις αλληλεπιδράσεις μετέφερε στο άτομο ενέργεια μερικών keV.

Οι δύο από τις νέες ερμηνείες περιλαμβάνουν κάποιους από τους συνήθεις υπόπτους της σκοτεινής ύλης. Ο Fuminobu Takahashi του Πανεπιστημίου Tohoku της Ιαπωνίας και οι συνεργάτες του επικεντρώνονται στα ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια. Ένα πρόβλημα των μοντέλων που περιλαμβάνουν αξιόνια είναι ότι υποθέτουν μια σύζευξη μεταξύ των αξιονίων και των γνωστών μας φωτονίων που έρχεται σε αντίθεση με τις αστροφυσικές παρατηρήσεις. Οι ερευνητές δείχνουν ότι αυτή η διαφωνία μπορεί να επιλυθεί – και το σήμα του XENON1T να εξηγηθεί – αν τα αξιόνια είναι λιγότερο πιθανό να αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια απ’ ότι προβλέπουν τα περισσότερα μοντέλα αξιονίων.

Ο Joseph Bramante και ο Ningqiang Song από το Queen’s University του Καναδά, εξετάζουν το σενάριο που περιλαμβάνει ως σωματίδια σκοτεινής ύλης τα WIMPs (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα). Στο μοντέλο τους ένα σωματίδιο τύπου WIMP σκεδάζεται προς ένα παρόμοιο σωματίδιο, μεταφέροντας την διαφορά μάζας τους ως ενέργεια ανάκρουσης στα ηλεκτρόνια του Ξένου. Το σενάριό τους είναι ελκυστικό διότι είναι συμβατό με τους περιορισμούς στην σκοτεινή ύλη που θέτουν οι αστροφυσικές παρατηρήσεις.

Δυο άλλες ιδέες μοιράζονται ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που θα μπορούσε να εντοπίσει ο ανιχνευτής XENON1T – μια ημερήσια διαμόρφωση του σήματος. Η Nicole Bell του Πανεπιστημίου της Μελβούρνης της Αυστραλίας και οι συνεργάτες της θεωρούν «φωτεινά» σωματίδια σκοτεινής ύλης τα οποία καταλαμβάνουν μια «βαριά» κατάσταση και μια κατάσταση «φωτός» που απέχουν μεταξύ τους περίπου 3 keV. Δείχνουν ότι ένα σωματίδιο στην κατάσταση-φωτός που συγκρούεται με έναν πυρήνα Ξένου μπορεί να μεταπίπτει στο ομόλογό του που βρίσκεται στην «βαριά» κατάσταση, εκπέμποντας φωτόνιο 3 keV, του οποίου η ενέργεια θα μεταφερθεί σε ένα ηλεκτρόνιο.

Αντίθετα, ο Bartosz Fornal του Πανεπιστημίου της Utah στο Salt Lake City και οι συνεργάτες του διερευνούν την επονομαζόμενη “boosted” σκοτεινή ύλη. Εδώ, οι διαδικασίες εξαΰλωσης της σκοτεινής ύλης στον Ήλιο ή στο Γαλαξιακό Κέντρο θα έδιναν «ψυχρή» σκοτεινή ύλη, η οποία συνήθως κινείται αργά με αρκετή ενέργεια για να παράγει το παρατηρούμενο σήμα των μερικών keV.

Tέλος, ο Andreas Bally από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck και οι συνεργάτες του εξετάζουν την πιθανότητα να υπεισέρχονται μη τυπικά νετρίνα. Στο μοντέλο τους, τα νετρίνα προέρχονται από τον Ήλιο και συγκρούονται με ηλεκτρόνια στον ανιχνευτή XENON1T. Αυτές οι συγκρούσεις θα μπορούσαν να παράγουν το παρατηρούμενο σήμα αν μερικά από αυτά τα νετρίνα σκεδάζονται προς μη τυπικα νετρίνα- «κρυφά» νετρίνα που είναι αόρατα στους ανιχνευτές. Η ερμηνεία τους σχετίζεται με μοντέλα φυσικής πέραν του καθιερωμένου προτύπου που θα μπορούσαν να επιβεβαιωθούν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και σε μελλοντικούς επιταχυντές.

Έτσι, η μπάλα βρίσκεται τώρα στο τεράστιο γήπεδο των πειραματικών φυσικών, στον ανιχνευτή XENON1T, αναμένοντας τα νέα δεδομένα με καλύτερη στατιστική…

https://physicsgg.me/2020/10/14/%ce%bf%ce%b9-%ce%b8%ce%b5%cf%89%cf%81%ce%b7%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%cf%80%ce%b5%cf%84%ce%bf%cf%8d%ce%bd-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%ce%bc%cf%80%ce%ac%ce%bb/

Νέα θεωρία για την προέλευση της Σκοτεινής Ύλης.

Η νέα θεωρία των φυσικών Michael J. Baker, Joachim Kopp, και Andrew J. Long δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.151102

και περιγράφει το πως οι διαστελλόμενες φυσαλίδες εξαιτίας της μετατροπής φάσης στο αρχέγονο σύμπαν μπορεί να είναι το κλειδί για την κατανόηση της σκοτεινής ύλης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός λαμβάνει χώρα σε μια κοσμολογική μετατροπή φάσης.

Τέτοιες μετατροπές φάσης συνέβησαν στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης και παρομοιάζονται με τις φυσαλίδες αερίου που σχηματίζονται στο εσωτερικό του νερού κατά την διάρκεια του βρασμού.

Σύμφωνα με τη νέα μελέτη μόνο σωματίδια σκοτεινής ύλης με μάζες μεγαλύτερες από κάποιο όριο επιβιώνουν σ’ αυτές τις φυσαλίδες γιατί παύουν να βρίσκονται σε ισορροπία, ενώ τα σωματίδια χαμηλότερης μάζας που απομένουν έξω από αυτές εξαϋλώνονται γρήγορα στο θερμικό λουτρό.

Οι φυσαλίδες διαστέλλονται και συγχωνεύονται έως ότου η μετατροπή φάσης επικρατήσει σε ολόκληρο το σύμπαν. Από την όλη διαδικασία επιβιώνουν μόνο τα σωματίδια που εισήλθαν στις φυσαλίδες και συνιστούν την σκοτεινή ύλη που «παρατηρείται» σήμερα στο σύμπαν.

Αν και πολλά πειράματα ψάχνουν για σωματίδια σκοτεινής ύλης, συνήθως ψάχνουν τα επονομαζόμενα WIMPs(=Weakly Interacting Massive Particles), κανένα μέχρι σήμερα δεν είχε επιτυχία, κάτι που παρακινεί τους θεωρητικούς να σκέφτονται τολμηρά, πέρα από τα καθιερωμένα.

Το ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της νέας ιδέας των ερευνητών Baker, Kopp και Long είναι ότι δουλεύει για σωματίδια σκοτεινής ύλης τα οποία έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από τους περισσότερους μέχρι σήμερα υποψήφιους, όπως π.χ. τα WIMPs, που αναζητούσαν (και αναζητούν) τα πειράματα. Προτρέπουν έτσι τους πειραματικούς φυσικούς να αναζητήσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης με πολύ μεγαλύτερες μάζες.

To υπόγειο εργαστήριο φυσικής στο Stawell της Αυστραλίας που βρίσκεται υπό κατασκευή, ένα χιλιόμετρο κάτω από το έδαφος σε ένα εγκαταλελειμμένο ορυχείο χρυσού, προορίζεται και για την αναζήτηση σκοτεινής ύλης. Δεδομένου ότι η παραπάνω θεωρητική εργασία υλοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, επίσης στην Αυστραλία, είναι σίγουρο πως θα δοκιμάσει την ανίχνευση πιθανών σωματιδίων σκοτεινής ύλης με μεγαλύτερο εύρος μαζών.

https://physicsgg.me/2020/10/20/%ce%bd%ce%ad%ce%b1-%ce%b8%ce%b5%cf%89%cf%81%ce%af%ce%b1-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%cf%80%cf%81%ce%bf%ce%ad%ce%bb%ce%b5%cf%85%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5/

Ένας νέος τρόπος «παρατήρησης» της σκοτεινής ύλης.

Μια μικρή ομάδα αστρονόμων βρήκε ένα νέο τρόπο έμμεσης ανίχνευσης της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που περιβάλλει του γαλαξίες. Η νέα τεχνική είναι 10 φορές ακριβέστερη από την καλύτερη παλαιότερη μέθοδο [Pol Gurri, Edward N Taylor, Christopher J Fluke. «The first shear measurements from precision weak lensing»].

https://academic.oup.com/mnras/article/499/4/4591/5909978

Οι φυσικοί εκτιμούν ότι έως και το 85% της μάζας του σύμπαντος είναι αόρατο. H σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, εφόσον δεν αλληλεπιδρά με το φως όπως η συνηθισμένη ύλη που απαρτίζει τα άστρα, τους πλανήτες, εμάς και ότι μας περιβάλλει.

Πώς μετράμε λοιπόν κάτι που δεν μπορούμε να δούμε; Αρκεί να μετρηθούν τα αποτελέσματα της βαρύτητας που παράγει η σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τον Pol Gurri, «είναι σαν να παρατηρείς μια σημαία και να προσπαθείς να καταλάβεις πόσος άνεμος υπάρχει. Δεν μπορείς να δεις τον άνεμο, αλλά η κίνηση της σημαίας μας λέει πόσο δυνατά φυσάει ο άνεμος».

Η νέα έρευνα επικεντρώνεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ασθενής βαρυτικός φακός, το οποίο είναι χαρακτηριστικό της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. «Η σκοτεινή ύλη θα στρεβλώνει λίγο την εικόνα οποιουδήποτε αντικειμένου βρίσκεται πίσω από αυτή», λέει ο Edward Taylor. «Eίναι σαν να διαβάζεις μια εφημερίδα που βρίσκεται κάτω από την βάση ενός ποτηριού κρασιού».

Το φαινόμενο του ασθενούς βαρυτικού φακού χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στην χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Τώρα, οι αστρονόμοι Gurri χρησιμοποιώντας το 2,3 μέτρων τηλεσκόπιο ANU (Australian National University) στην Αυστραλία μελέυησε, με βάση το ασθενές φαινόμενο βαρυτικού φακού, τον τρόπο περιστροφής των γαλαξιών.

«Επειδή υπολογίζουμε πως τα άστρα και το αέριο κινούνται μέσα στους γαλαξίες, γνωρίζουμε περίπου πως θα πρέπει να μοιάζει αυτός ο γαλαξίας», λέει ο Gurri. «Μετρώντας πόσο παραμορφωμένες είναι οι πραγματικές εικόνες του γαλαξία, τότε μπορούμε να καταλάβουμε πόση σκοτεινή ύλη απαιτείται για να εξηγήσουμε αυτό που βλέπουμε».

Η νέα έρευνα δείχνει πως αυτές οι πληροφορίες ταχύτητας επιτρέπουν μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση του φαινομένου βαρυτικού φακού από ό,τι ήταν δυνατό μόνο με τη χρήση του σχήματος. «Με τη νέα μέθοδό μας παρατήρησης της σκοτεινή ύλη», συνεχίζει ο Gurri, «ελπίζουμε να πάρουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για το που βρίσκεται η σκοτεινή ύλη και ποιος είναι ο ρόλος της στον σχηματισμό των γαλαξιών».

Οι μελλοντικές διαστημικές αποστολές, όπως τα διαστημικά τηλεσκόπια της NASA «Nancy Grace Roman» και το αντίστοιχο της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας «Ευκλείδης», έχουν σχεδιαστεί για να κάνουν και τέτοιου είδους μετρήσεις με βάση τα σχήματα εκατοντάδων εκατομμυρίων γαλαξιών. «Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να συνεισφέρουμε δημιουργικά σε αυτές τις παγκόσμιες προσπάθειες με ένα σχετικά μικρό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε την δεκαετία του 1980, σκεπτόμενοι το πρόβλημα απλά με διαφορετικό τρόπο», προσθέτει ο Taylor.

https://physicsgg.me/2020/11/07/%ce%ad%ce%bd%ce%b1%cf%82-%ce%bd%ce%ad%ce%bf%cf%82-%cf%84%cf%81%cf%8c%cf%80%ce%bf%cf%82-%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%b1%cf%84%ce%ae%cf%81%ce%b7%cf%83%ce%b7%cf%82-%cf%84%ce%b7%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf/

Oι αρχέγονες μαύρες τρύπες και η αναζήτηση σκοτεινής ύλης από το πολυσύμπαν.

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες προς το παρόν βρίσκονται στο μυαλό των θεωρητικών φυσικών. Υποτίθεται πως σχηματίστηκαν στο αρχέγονο σύμπαν πριν από τον σχηματισμό των άστρων και των γαλαξιών και μπορεί να ευθύνονται για μερικά από τα παρατηρούμενα βαρυτικά κύματα, αλλά και για τις τεράστιες μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών (και στον δικό μας). Θα μπορούσαν επίσης να παίζουν ρόλο στην σύνθεση βαρέων στοιχείων όταν συγκρούονται και καταστρέφουν αστέρες νετρονίων, όπου εξαιτίας της μεγάλης πυκνότητας νετρονίων, παράγονται βαρείς πυρήνες διαμέσου της λεγόμενης γρήγορης διαδικασίας (r-process). Επιπλέον, υπάρχει και η συναρπαστική πιθανότητα η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη, η οποία αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, να συνίσταται από αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2020 απονεμήθηκε στον θεωρητικό φυσικό Roger Penrose, και τους δύο αστρονόμους, Reinhard Genzel και Andrea Ghez, για τις ανακαλύψεις τους που επιβεβαιώνουν την ύπαρξη μαύρων τρυπών. Δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες είναι γνωστό ότι υπάρχουν στη φύση, αποτελούν έναν ελκυστικό υποψήφιο για την σκοτεινή ύλη.

Μια ομάδα από φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων, κοσμολόγους και αστρονόμους, για να μάθει περισσότερα σχετικά με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες έψαξε στο αρχέγονο σύμπαν για σχετικά στοιχεία. Το αρχέγονο σύμπαν ήταν τόσο πυκνό που κάθε θετική διακύμανση πυκνότητας πάνω από 50% θα δημιουργούσε μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι κοσμολογικές διαταραχές που δημιούργησαν τους γαλαξίες είναι γνωστό πως είναι πολύ μικρότερες. Παρ’ όλα αυτά, ένας ορισμένος αριθμός διαδικασιών στο αρχέγονο σύμπαν θα μπορούσε να δημιουργήσει τις κατάλληλες συνθήκες για τον σχηματισμό μαύρων τρυπών.

Ένα ενδιαφέρον ενδεχόμενο είναι ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν από «σύμπαντα-μωρά» που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, την κοσμολογική περίοδο ταχύτατης διαστολής του σύμπαντος η οποία πιστεύεται πως ευθύνεται για τον σχηματισμό των δομών που παρατηρούμε σήμερα, όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Κατά την διάρκεια της πληθωριστικής διαστολής, τα σύμπαντα-μωρά μπορούν να διαχωριστούν από το αρχικό σύμπαν. Ένα μικρό θυγατρικό σύμπαν θα μπορούσε τελικά να καταρρεύσει, αλλά η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται στον μικρό του όγκο προκαλεί τον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

Ακόμα πιο περίεργη είναι η μοίρα ενός μεγαλύτερου σύμπαντος-μωρού. Αν λοιπόν είναι μεγαλύτερο από κάποιο κρίσιμο μέγεθος, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν επιτρέπει το εν λόγω σύμπαν να υπάρχει σε μια κατάσταση που φαίνεται διαφορετική σε έναν παρατηρητή στο εσωτερικό του, σε σχέση με έναν παρατηρητή στο εξωτερικό του. Ένας εσωτερικός παρατηρητής το βλέπει ως διαστελλόμενο σύμπαν, ενώ ένας εξωτερικός παρατηρητής (όπως εμείς) το βλέπει σαν μια μαύρη τρύπα. Και στις δυο περιπτώσεις, τα μεγάλα και τα μικρά θυγατρικά σύμπαντα φαίνονται σε μας ως αρχέγονες μαύρες τρύπες, οι οποίες κρύβουν πίσω από τους «ορίζοντες των γεγονότων τους» ολόκληρα σύμπαντα. Ο ορίζοντας των γεγονότων είναι ένα όριο πέρα από το οποίο οτιδήποτε το διασχίζει, ακόμη και το φως, εγκλωβίζεται δια παντός και δεν μπορεί να διαφύγει από την μαύρη τρύπα.

Στην εργασία τους με τίτλο ‘Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes’,

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.181304

οι Kusenko et al περιγράφουν ένα νέο σενάριο για τον σχηματισμό των αρχέγονων μαύρων τρυπών και δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες από το σενάριο του ‘πολυσύμπαντος’ μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας μια γιγαντιαία κάμερα (Hyper Suprime-Cam ή συντομογραφικά HSC) του τηλεσκοπίου Subaru στην Χαβάη. Η εν λόγω κάμερα έχει την μοναδική ικανότητα να απεικονίζει ολόκληρο τον γαλαξία της Ανδρομέδας κάθε λίγα λεπτά. Αν μια μαύρη τρύπα διασχίσει την γραμμή παρατήρησης του τηλεσκοπίου, μπροστά από ένα άστρο, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας καμπυλώνει το φως του κάνοντάς το να φαίνεται λαμπρότερο για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Από την διάρκεια αυτής της λαμπρότητας οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν την μάζα της διερχόμενης μαύρης τρύπας. Με την κάμερα HSC είναι δυνατή η ταυτόχρονη παρατήρηση εκατό εκατομμυρίων άστρων, κάτι που ισοδυναμεί με ένα μεγάλο ‘δίχτυ’ για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες που πιθανόν να διασχίσουν το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου.

Οι πρώτες παρατηρήσεις της HSC έχουν αναφέρει ήδη μια πολύ ενδιαφέρουσα παρατήρηση, που θα μπορούσε να είναι μια αρχέγονη μαύρη τρύπα από το ‘πολυσύμπαν’, με μια μάζα συγκρίσιμη με την μάζα της Σελήνης. Μετά από αυτό το ενθαρρυντικό πρώτο εύρημα, ένας νέος γύρος παρατηρήσεων θα ξεκινήσει για να δοθεί μια οριστική απάντηση για το αν οι – βγαλμένες από το σενάριο του πολυσύμπαντος – αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είναι η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης.

Στις φωτογραφίες σύμπαντα-μωρά που δημιουργήθηκαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη και διαχωρίστηκαν από το σύμπαν μας θα μπορούσαν να εντοπιστούν από οπτικά τηλεσκόπια ως αρχέγονες μαύρες τρύπες(!

Hyper Suprime-Cam (HSC): μια γιγαντιαία ψηφιακή κάμερα στο τηλεσκόπιο Subaru

Ένα άστρο στον γαλαξία της Ανδρομέδας προσωρινά γίνεται λαμπρότερο αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα περάσει μπροστά από το άστρο, διότι το φως του εστιάζεται σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας.

https://physicsgg.me/2021/01/02/o%ce%b9-%ce%b1%cf%81%cf%87%ce%ad%ce%b3%ce%bf%ce%bd%ce%b5%cf%82-%ce%bc%ce%b1%cf%8d%cf%81%ce%b5%cf%82-%cf%84%cf%81%cf%8d%cf%80%ce%b5%cf%82-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%ce%b7-%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%b6%ce%ae%cf%84/

Οι ακτίνες Χ από άστρα νετρονίων μπορεί να σημαίνουν αξιόνια ένα νέο είδος σωματιδίων που θα μπορούσε να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη.

Οι προερχόμενες από άστρα νετρονίων μυστηριώδεις ακτίνες Χ, μπορεί να είναι η πρώτη απόδειξη ύπαρξης των αξιονίων, των υποθετικών σωματιδίων που πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι αποτελούν την σκοτεινή ύλη. Αυτό υποστηρίζουν οι Malte Buschmann et al στην δημοσίευσή τους με τίτλο: «Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars» .

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.021102

Τα αξιόνια είναι προς το παρόν θεωρητικά κατασκευάσματα. Η ύπαρξη των αξιονίων προβλέπεται από όλα τα υπερσυμμετρικά μοντέλα. Σπάνια αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια και γι αυτό δεν έχουν ανιχνευθεί μέχρι σήμερα. Θεωρητικά, τα αξιόνια μπορούν να δημιουργηθούν από τις συγκρούσεις άλλων σωματιδίων ή υπάρχουν φυσικά ως συστατικά της σκοτεινής ύλης. Τα αξιόνια προβλέπονται επίσης και από τη θεωρία χορδών η οποία επιχειρεί την ενοποιήσει τις δυνάμεις του σύμπαντος και να δείξει ότι όλα τα σωματίδια είναι στην πραγματικότητα δονήσεις μονοδιάστατων στοιχειωδών χορδών.

Το 2019 παρατηρήθηκε μια μυστηριώδης, ανεξήγητη αύξηση εκπομπής ακτίνων Χ από πολλά άστρα νετρονίων. Μια πρόταση για την ερμηνεία της περίσσειας εκπομπής των ακτίνων Χ ήταν ότι προκαλούνται από την παραγωγή αξιονίων στους πυρήνες των άστρων νετρονίων.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προτεινόμενη θεωρία σχετικά με τα αξιόνια για να εξηγήσουν αυτό το φαινόμενο. Στην εν λόγω θεωρία τα αξιόνια παράγονται στον πυρήνα ενός άστρου νετρονίων ως υποπροϊόντα συγκρούσεων μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων. Στη συνέχεια, τα σωματίδια εκτοξεύονται προς τα έξω στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο του άστρου, όπου μετατρέπονται στα φωτόνια των ακτίνων Χ ενέργειας 2 έως 8 keV που ανιχνεύονται από τηλεσκόπια, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο XMM-Newton. Τα αξιόνια μεταφέρουν πολύ περισσότερη ενέργεια από τα φωτόνια που εκπέμπουν συνήθως τα άστρα νετρονίων. Τα παραγόμενα στη συνέχεια φωτόνια από τα αξιόνια θα έχουν επίσης περισσότερη ενέργεια, εξηγώντας έτσι εξηγείται την απροσδόκητη αύξηση των ακτίνων Χ. Οι ερευνητές δεν ισχυρίζονται ότι ανακάλυψαν ήδη τα αξιόνια, αλλά υποστηρίζουν πως τα επιπλέον φωτόνια ακτίνων Χ μπορούν να εξηγηθούν από σωματίδια όπως τα αξιόνια.

Τα μέχρι στιγμής δεδομένα δεν επαρκούν για να αποδείξουν ότι οι εν λόγω ακτίνες Χ προέρχονται από αξιόνια, αλλά οι ερευνητές ελπίζουν ότι με περισσότερα δεδομένα και από άλλα τηλεσκόπια θα δοθεί οριστική απάντηση στο άμεσο μέλλον.

https://physicsgg.me/2021/01/18/%ce%bf%ce%b9-%ce%b1%ce%ba%cf%84%ce%af%ce%bd%ce%b5%cf%82-%cf%87-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%ce%ac%cf%83%cf%84%cf%81%ce%b1-%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%bf%ce%bd%ce%af%cf%89%ce%bd-%ce%bc%cf%80%ce%bf%cf%81%ce%b5/

Οι εξωπλανήτες ως ανιχνευτές σκοτεινής ύλης.

Είμαστε μόνοι στο σύμπαν; Αυτή η ερώτηση καθοδηγεί την έρευνα ανακάλυψης όλο και περισσότερων εξωπλανητών και την αναζήτηση μεταξύ αυτών ενός πλανήτη παρόμοιο τον δικό μας. Όμως, είτε βρεθεί είτε όχι κάποτε εξωγήινη ζωή, οι επιστημονικές εξελίξεις από την ανακάλυψη και την κατανόηση άλλων πλανητών θα είναι τεράστια. Οι εξωπλανήτες αποτελούν ένα τεράστιο πεδίο και για τους φυσικούς των στοιχειωδών σωματιδίων για την αναζήτηση και διερέυνηση νέων θεωριών.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η αποκάλυψη της σκοτεινής ύλης μέσα από τις μετρήσεις των θερμοκρασιών εξωπλανητών μεγάλης μάζας. Αυτή η έρευνα εκτός από την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, θα επιβεβαίωνε και την κατανομή της στον γαλαξία μας.

Όσο μεγαλύτερος είναι ένας ανιχνευτής σκοτεινής ύλης τόσο το καλύτερο, γιατί ο ανιχνευτής θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με όλο περισσότερα σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αλλά ακόμη και οι μεγαλύτεροι επίγειοι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης είναι μικροσκοπικοί σε σύγκριση με τον ανιχνευτή που προτείνουν οι Rebecca Leane και Juri Smirnov.

Στην εργασία τους με τίτλο «Exoplanets as New Sub-GeV Dark Matter Detectors», προτείνουν την αναζήτηση σκοτεινής ύλης μετρώντας την επίδρασή της στις θερμοκρασίες εξωπλανητών και καφέ νάνων με μάζες έως και 55 φορές τη μάζα του Δία. Με τους δεκάδες χιλιάδες κατάλληλους εξωπλανήτες που αναμένεται να βρεθούν τα επόμενα πέντε χρόνια, αυτές οι μετρήσεις θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη – ή να αποκλείσουν – σωματιδίων σκοτεινής ύλης με μάζες μεγαλύτερες από την μάζα του ηλεκτρονίου.

Σύμφωνα με το αποδεκτό μοντέλο κατανομής της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, o γαλαξίας μας βρίσκεται μέσα σε μια αόρατη σφαιρική άλω σκοτεινής ύλης, της οποίας η πυκνότητα αυξάνεται προς το γαλαξιακό Κέντρο. Ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί να σκεδαστεί από ένα ηλεκτρόνιο ή ένα νουκλεόνιο σε ένα αστρονομικό αντικείμενο (π.χ. πλανήτη) πριν παγιδευτεί από την βαρύτητά του. Ορισμένες υποθετικές μορφές σκοτεινής ύλης εξαϋλώνονται παράγοντας φωτόνια και άλλα σωματίδια, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί να θερμάνουν ένα αντικείμενο εφόσον συσσωρευτεί σημαντική ποσότητα σωματιδίων σκοτεινής ύλης.

Οι Leane και Smirnov δείχνουν ότι για τους αέριους γίγαντες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άστρα, αυτή η θέρμανση θα μπορούσε να μετρηθεί χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb που πρόκειται να εκτοξευθεί σύντομα. Το τηλεσκόπιο μπορεί να συγκρίνει τις θερμοκρασίες απομακρυσμένων καφέ νάνων και «αδέσποτων» εξωπλανητών (πλανήτες που δεν περιφέρονται γύρω από κάποιο άστρο), με αυτούς που βρίσκονται πιο κοντά στο γαλαξιακό κέντρο, για τους οποίους προβλέπεται ότι θα παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης, επομένως και τις υψηλότερες θερμοκρασίες. Και βέβαια, εκτός από την διερεύνηση σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, αυτές οι μετρήσεις θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την κατανομή πυκνότητας της σκοτεινής ύλης στον γαλαξία μας.

https://physicsgg.me/2021/04/24/%ce%bf%ce%b9-%ce%b5%ce%be%cf%89%cf%80%ce%bb%ce%b1%ce%bd%ce%ae%cf%84%ce%b5%cf%82-%cf%89%cf%82-%ce%b1%ce%bd%ce%b9%cf%87%ce%bd%ce%b5%cf%85%cf%84%ce%ad%cf%82-%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%84%ce%b5%ce%b9%ce%bd/