Przepis ciemnej materii może obejmować сверхкритическую płyn

Po latach badań okazało się, że ciemna materia zachowuje się okropnie. Termin ten został wprowadzony około 80 lat temu przez astronoma nowym jeńcem Цвикки, który zdał sobie sprawę, że aby nie dać poszczególnych galaktyk pobiec w gigantyczne galaktyki skupiskach, potrzebna jest pewna siła grawitacyjna. Już później Vera Rubin i Kent Ford używane niewidzialną ciemną materię do wyjaśnienia, dlaczego galaktyki nie rozpryskują się.

Niemniej jednak, choć używamy terminu "ciemna materia" do opisu tych dwóch sytuacji, nie jest jasne, zaangażowany, czy w każdej z nich jeden i ten sam sprawca. Najprostsza i najbardziej popularny model twierdzi, że ciemna materia składa się z słabo oddziałujących cząstek, które powoli poruszają się pod wpływem siły ciężkości. Ta tak zwana "zimna" ciemna materia dokładnie opisuje szeroką skalę struktury, takie jak gromady galaktyk. Ale ona nie radzi sobie z prognozowaniem krzywych rotacji poszczególnych galaktyk. Ciemna materia jak inaczej działa na taką skalę.

Starając się rozwiązać tę zagadkę, ostatnio dwa fizyka sugerują, że ciemna materia może zmieniać fazy przy zmianie skali. Justin Хоури, fizyk z Uniwersytetu stanu Pensylwania, a jego poprzedni magistrant / magistrantka Lasza Бережиани, działająca na uniwersytecie Princeton, mówią, że w zimnej, gęstej środowisku galaktycznym halo ciemnej materii skrapla się w сверхкритическую płyn — egzotyczne stan kwantowy substancje o zerowej lepkości. Jeśli ciemna materia tworzy сверхкритическую płyn w galaktycznej skali, może pojawić się nowa siła, która wyjaśniła by obserwacji, nie układające się w model zimnej ciemnej materii. Ale w skali galaktyki gromad szczególnych warunków, niezbędnych dla edukacji сверхкритического stanu, nie istnieje; jest tu ciemna materia będzie się zachowywać jak zwykła zimna ciemna materia.

"To świetny pomysł", mówi Tim Тайт, fizyk cząstek z uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine. "Dwa różne rodzaje ciemnej materii opisuje jedną rzeczą". I wkrótce ten ciekawy pomysł można będzie sprawdzić. Chociaż inni fizycy już za podobne pomysły, Хоури i Бережиани zbliżone do tego, aby wyodrębnić sprawdzalne prognozy, które pozwoliły astronomom badać, pływa czy nasza galaktyka w morze сверхкритической płynu.

Niemożliwe сверхтекучие cieczy

Na Ziemi сверкритические płynu nie można nazwać czymś typowym facetem. Ale fizyki przygotowują je w swoich laboratoriach z 1938 roku. Przechowywać w lodówce cząstki do dość niskich temperatur, i zacznie przejawiać ich kwantowej natury. Zaczną się martwić, a fale będą się pokrywać, aż w końcu nie zaczną zachowywać się jak jeden wielki "сверхатом". Staną się one spójnego, podobnie jak cząsteczki światła w ta żaróweczka, które mają jedną energię i wibracje jak jedna. W dzisiejszych czasach nawet studenci tworzą конденсаты Bose — Einsteina w laboratorium, z których wiele można sklasyfikować jako сверхкритические płynu.

Zjawisk сверхтекучести w codziennym świecie nie istnieje — jest zbyt ciepło, aby mogli wystąpić żądaną kwantowe efekty. Z tego powodu "jeszcze dziesięć lat temu ludzie po prostu zrezygnowali z tego pomysłu i powiedzieli, że to niemożliwe," mówi Tate. Ale w ostatnim czasie coraz więcej fizyków przychodzą do myśli, że сверхкритические fazy powstają w sposób naturalny w ekstremalnych warunkach kosmosu. Сверхтекучесть może być wewnątrz gwiazdy neutronowe, tak i sama przestrzeń-czas, zdaniem niektórych, może być сверхкритической płynem. Dlaczego ciemnej materii nie być taki?

Aby zrobić zestaw cząstek сверхкритической płynem, należy spełnić dwa warunki: spakować cząstki o wysokiej gęstości i schłodzić je do bardzo niskich temperatur. W laboratorium fizyki (lub studenci) ograniczają cząstki w elektromagnetycznej uwięziony, a następnie napromieniowane laserami, aby usunąć energię kinetyczną i obniżyć temperaturę prawie do zera absolutnego.

Wewnątrz galaktyk rolę elektromagnetycznej pułapki będzie grać grawitacyjne galaktyki, która kompresuje ciemną materię na tyle, aby spełnić kryterium gęstości. Z temperaturą łatwiej: w kosmosie jest bardzo zimno.

Poza halo, które znajdują się w bliskiej odległości galaktyk, grawitacja jest słabsza, a ciemna materia nie będzie zapakowany wystarczająco mocno, aby przejść w stan super krytyczne. Będzie ona działać jak zwykła ciemna materia, wyjaśniając, że widzą astronomowie na dużą skalę.

W obrotowym сверхтекучем helu powstały niewielkie wiry

Ale co jest takiego specjalnego w tym, że ciemna materia będzie nadciekłym? Jak to szczególny stan zmieni zachowanie ciemnej materii? W ostatnich latach wielu naukowców zastanawiałeś się nad tym pytaniem. Ale podejście Хоури jest wyjątkowy, ponieważ pokazuje, jak сверхтекучесть mogłaby dać początek nowej mocy.

W fizyce, jeśli złamiesz polu, można utworzyć falę (często). Wstrząsnąć kilka elektronów, np. w antenie i złamiesz pole elektryczne i uzyskaj fale radiowe. Потревожьте pole grawitacyjne dwoma сталкивающимися czarnymi dziurami — i uzyskaj fal grawitacyjnych. Dokładnie tak samo, jeśli będzie apelować сверхжидкость, dokonasz фононы — fale dźwiękowe w najniższej nadciekłym płynu. Te фононы rodzą dodatkową siłę oprócz grawitacji, o podobnej sile elektrostatycznejmiędzy naładowanymi cząstkami. "To dobrze, bo masz więcej siła na grawitacji, a przy tym wewnętrznie powiązana z ciemnej materii", mówi Хоури. "To jest właściwość środowiska z ciemnej materii daje wzrost tej mocy". Mogłaby wyjaśnić dziwne zachowanie ciemnej materii w halo galaktyki.

Jeszcze jedna cząstka ciemnej materii

Łowcy na ciemną materię szukają jej już od dawna. Ich wysiłki koncentrowały się na tak zwanych słabo oddziałujących masywnych cząstek, lub WIMP. WIMP były popularne, ponieważ te cząsteczki nie tylko mogłyby wyjaśnić większość obserwacji astrofizycznych, ale i wychodzą w naturalny sposób z hipotetycznych rozszerzeń modelu Standardowego fizyki cząstek.

Jednak nikt nigdy nie widział WIMP, i te hipotetyczne rozszerzenie Standardowego modelu również nie pojawiają się w eksperymentach, ku rozczarowaniu fizyków. Z każdym nowym zerowym wynikiem perspektywy мрачнеют coraz więcej, fizyki i coraz częściej traktują innych kandydatów na ciemną materię. "W pewnym momencie musimy zdecydować, co laem nie to drzewo?", zastanawia się Stacy Макгох, astronom z Uniwersytetu Case Western Rezerwy.

Cząstki ciemnej materii, które polega praca Хоури i Бережиани, zdecydowanie nie są podobne do WIMP. WIMP powinny być dość masywnymi do fundamentalnych cząstek — około 100 protonów masą. Aby skrypt zadziałał Хоури, cząstki ciemnej materii powinny być miliard razy lepiej. Odpowiednio, we Wszechświecie będzie ich miliard razy więcej — i to wystarczy, aby wyjaśnić obserwowane efekty ciemnej materii i osiągnąć gęstości, niezbędnych dla edukacji сверхкритической płynu. Ponadto, zwykłe WIMP nie komunikują się między sobą. Ale сверхтекучие cząstki ciemnej materii będą silnie oddziaływać.

Najbliższym kandydatem jest axion, hipotetyczny niezwykle lekki cząstka o masie, która może być w 10 000 bilionów bilionów razy mniejsza od masy elektronu. Według Чанды Прескод-Weinstein, fizyka-teoretyka z University of Washington, аксионы mogłyby teoretycznie skraplać w kondensatu Bose — Einsteina.

Ale standardowy axion nie do końca spełnia potrzeby Хоури i Бережиани. W ich modelu cząstki powinny wystąpić silne repulsive interakcji między sobą. Typowe modele аксионов oddziałują słabo i притягивающе. Nawiasem mówiąc, "myślę, że wszyscy uważają, że ciemna materia oddziałuje sama ze sobą na pewnym poziomie," mówi Tate. Trzeba tylko zrozumieć, silne lub słabe współdziałanie.

W poszukiwaniu kosmicznej сверхтекучести

Kolejnym krokiem do Хоури i Бережиани będzie dowiedzieć się, jak sprawdzić ich model — znaleźć gadającego sygnaturę, która mogłaby odróżnić pojęcie сверхкритической płynu od zwykłej zimnej ciemnej materii. Jedną z możliwości: wiry ciemnej materii. W laboratorium obrotowe сверхкритические cieczy poruszają zakręcone wiry, które trwają, nie tracąc przy tym energii. Halo nadciekłym ciemnej materii w galaktyce muszą obracać się na tyle szybko, aby tworzyć tablice wirów. Gdyby te wiry były dość masywne, można je było wykryć bezpośrednio.

Niestety, jest to mało prawdopodobne: najnowsze modele komputerowe Хоури pokazują, że wiry w nadciekłym ciemnej materii będą "dość хлипкими" i raczej nie będą istnieć w rzeczywistości. Zakłada on, że można było wykorzystać zjawisko soczewkowania grawitacyjnego, aby zobaczyć jakiekolwiek efekty rozpraszania, podobnie jak kryształ rozprasza przechodzący przez niego rentgenowskie światło.

Astronomowie mogą również poszukać pośrednie dowody na to, że ciemna materia zachowuje się jak сверхкритическая płyn. W tym celu będą uczyć fuzji galaktyk.

Szybkość, z jaką galaktyki zderzają się między sobą, określana dynamicznym tarciem. Wyobraź sobie, masywne ciało, przechodząc przez morze cząstek. Wiele cząstek mniejszych zostanie przyciągnięty masywnym ciałem. A ponieważ całkowity pęd układu nie zmienia się, masywne ciało musi trochę zwolnić, aby zrekompensować to.

To się dzieje, gdy dwie galaktyki zaczynają się zlewać. Jeśli będą na tyle blisko, halo ich ciemnej materii zacznie przechodzić jeden przez drugiego, i przegrupowanie niezależnie poruszających się cząstek doprowadzi do dynamicznego tarcie, ściągając halo jeszcze bliżej. Efekt ten pomaga galaktyk zlewać i zwiększa tempo fuzji galaktyk we Wszechświecie.

Ale gdyby halo ciemnej materii było w stanie сверхкритической cieczy cząsteczki poruszają się synchronicznie. I nie byłoby tarcia, сближающего galaktyki, im byłoby trudniej się zlewać. Wszystko to stanowiłoby красноречивую obraz: drgania wzory interferencyjne w rozkładzie materii dla galaktyk.

Dopuszczalne cuda

Chociaż Макгох pozytywnie odnosi się do idei nadciekłym ciemnej materii, przyznaje, że stara się tak ciężko połączyć najlepsze z obu koncepcji, fizyki mogą dojść do rozwiązania Tycho Brahe". Duński astronom 16 wieku wynalazł hybrydowy космологию, w którym Ziemia była centrum Wszechświata, ale wszystkie pozostałe planety obracała się wokół Słońca. Próbował przeprowadzić granicę między starożytnej systemem Ptolemeusza i коперниканской космологией, który w końcu ją zastąpiła. Możliwe, naukowcy tracą coś fundamentalnego. Ale pomysł wart rozpatrzenia.

Tate uważa, że nowy model pięknej w ogóle, ale chciałbym, aby więcej конкретизировалась na poziomie mikroskopowym, do tego stopnia,"możemy obliczyć i pokazać, dlaczego to wszystko działa tak jak powinno działać. Trzeba tylko kilka cudów", aby wszystko wróciło na swoje miejsce. Być może te cuda, jest dozwolone, ale nie jestem pewien.

Chociaż naukowcy eksperymentowali z nadciekłym płynem wiele lat, fizyki cząstek dopiero zaczynają być w pełni świadomi przydatności pomysłów wychodzących z dziedziny fizyki materii skondensowanej. Ustawiając tę fizyki z grawitacji fizyka, można pozwolić dawno drapieżną pytanie ciemnej materii — i kto wie, jakie jeszcze przełomy nas czekają?

"czy Potrzebuję сверхтекучие modelu? Nie do końca — mówi Прескод-Weinstein. — Ale Wszechświat może się tym zajmować. Może w naturalny sposób kształtować конденсаты Bose — Einsteina, jak i мазеры w naturalny sposób tworzą się w mgławicy Oriona. Czy potrzebuję lasery w kosmosie? Nie, ale jesteś piękna".