MOSKVA, 31. oktoober - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Teadlaste arvutused on näidanud, et 95% Universumist koosneb ainest, mida inimesed pole veel uurinud: 70% on tumeenergia ja 25% tumeaine. Eeldatakse, et esimene esindab teatud nullist erineva energiaga välja, teine aga koosneb osakestest, mida saab tuvastada ja uurida. Kuid asjata ei nimetata seda ainet varjatud massiks - selle otsimine kestab märkimisväärselt kaua ja sellega kaasnevad tulised arutelud füüsikute vahel. Oma uurimistöö avalikkuse ette toomiseks algatas CERN isegi tumeda aine päeva, mida tähistatakse esimest korda täna, 31. oktoobril.
Tumeaine olemasolu pooldajad esitavad üsna kaalukaid argumente, mida kinnitavad eksperimentaalsed faktid. Selle äratundmine algas 20. sajandi kolmekümnendatel aastatel, kui Šveitsi astronoom Fritz Zwicky mõõtis kiirusi, millega kooma parve galaktikad liiguvad ümber ühise keskpunkti. Teatavasti oleneb liikumise kiirus massist. Teadlase arvutused näitasid, et galaktikate tegelik mass peaks olema palju suurem kui teleskoopide abil tehtud vaatluste käigus kindlaks määratud. Selgus, et üsna suur osa galaktikatest polnud meile lihtsalt nähtavad. Seetõttu koosneb see ainest, mis ei peegelda ega neela valgust.
Teine kinnitus varjatud massi olemasolu kohta on valguse muutumine galaktikaid läbides. Fakt on see, et iga massiga objekt moonutab valguskiirte sirgjoonelist rada. Seega muudab tumeaine valguspilti (kauge objekti kujutist) ja see muutub erinevaks pildist, mille looks ainult nähtav aine. Tumeaine olemasolu kohta on kümme tõendit, kuid need kaks on peamised.
© 2012 Autorite kuningliku astronoomiaühingu igakuised teated, 2012 RAS
© 2012 Autorite kuningliku astronoomiaühingu igakuised teated, 2012 RAS
Kuigi tõendid tumeaine olemasolu kohta on üsna veenvad, pole keegi selle moodustavaid osakesi veel leidnud ega uurinud. Füüsikud viitavad sellele, et see salatsemine on tingitud kahest põhjusest. Esimene on see, et nendel osakestel on liiga suur mass (seoses energiaga valemi E=mc² kaudu), mistõttu tänapäevaste kiirendite võimalustest sellise osakese “sünniks” lihtsalt ei piisa. Teine põhjus on tumeaine ilmumise väga väike tõenäosus. Võib-olla ei leia me seda just seetõttu, et see suhtleb inimkeha ja meile teadaolevate osakestega ülimalt nõrgalt. Kuigi tumeainet on kõikjal (arvutuste järgi) ja selle osakesed tormavad meist sõna otseses mõttes iga sekundiga läbi, me lihtsalt ei tunne seda.
Tumeaine osakeste tuvastamiseks kasutavad teadlased maa all asuvaid detektoreid, et minimeerida tarbetuid häireid. Eeldatakse, et aeg-ajalt põrkuvad tumeaine osakesed ikkagi kokku aatomituumadega, kannavad neile osa oma impulssist, löövad välja elektrone ja põhjustavad valgussähvatusi. Selliste kokkupõrgete sagedus sõltub tumeaine osakeste koosmõju tõenäosusest tuumaga, nende kontsentratsioonist ja suhtelisest kiirusest (võttes arvesse Maa liikumist ümber Päikese). Kuid katserühmad, isegi kui nad tuvastavad mingi efekti, eitavad, et tumeaine põhjustas selle detektori reaktsiooni. Ja ainult Itaalia eksperimentaalrühm DAMA, kes töötab Gran Sasso maa-aluses laboris, teatas iga-aastastest signaalide loenduskiiruse erinevustest, mis on oletatavasti seotud Maa liikumisega läbi galaktilise varjatud massi.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
Selles katses mõõdetakse detektoris valgussähvatuste arvu ja energiat mitme aasta jooksul. Teadlased on tõestanud nõrkade (umbes 2%) iga-aastaste kõikumiste esinemist selliste sündmuste loenduskiiruses.
Kuigi Itaalia rühm kaitseb enesekindlalt katsete usaldusväärsust, on teadlaste arvamused selles küsimuses üsna mitmetähenduslikud. Itaalia grupi saavutatud tulemuste peamine nõrkus on nende korramatus. Näiteks kui gravitatsioonilained avastati, tuvastasid need laborid üle maailma, kinnitades sellega teiste rühmade saadud andmeid. DAMA puhul on olukord teine – keegi teine maailmas ei saa kiidelda samade tulemustega! Muidugi on võimalik, et sellel rühmal on võimsamad detektorid või oma meetodid, kuid eksperimendi selline ainulaadsus tekitab mõnes uurijas kahtlusi selle usaldusväärsuses.
"Siiani on võimatu täpselt öelda, millega Gran Sasso laboris kogutud andmed on seotud. Igal juhul andis üks Itaaliast pärit rühm positiivse tulemuse, mitte millegi eitamise, mis on juba sensatsioon tuleb otsida selgitust Ja see on suurepärane stiimul mitmesuguste teooriate väljatöötamiseks, sealhulgas varjatud massi mudeli loomisele Mis puutub tumeainesse, siis sellest võib ikkagi saada uus samm looduse mõistmisel. Igal juhul on tulemus käes, kuid praegu ei saa ma isiklikult täielikult nõustuda, et tumeaine on leitud. kommenteerib Riikliku Tuumaülikooli MEPhI elementaarosakeste füüsika osakonna juhtivteadur Konstantin Belotsky.
Tumeaine ei kiirga ega neela valgust, praktiliselt ei suhtle “tavalise” ainega, teadlastel pole veel õnnestunud tabada ühtki “tumedat” osakest. Kuid ilma selleta ei saaks Universum, mida me teame, ega isegi meie ise eksisteerida. Tumeaine päeval, mida tähistatakse 31. oktoobril (füüsikud otsustasid, et see on just õige aeg korraldada puhkus pimeda ja tabamatu aine auks) N+1 küsis Lebedevi Füüsikalise Instituudi astrokosmosekeskuse teoreetilise astrofüüsika osakonna juhatajalt Andrei Doroškevitšilt, mis on tumeaine ja miks see nii oluline on.
N+1: Kui kindlad on teadlased tänapäeval, et tumeaine on tõesti olemas?
Andrei Doroškevitš: Peamised tõendid on kosmilise mikrolaine taustkiirguse kõikumiste vaatlused, st tulemused, mille WMAP ja "" kosmoseaparaat on viimase 15 aasta jooksul saanud.
Nad mõõtsid suure täpsusega kosmilise mikrolaine tausta ehk kosmilise mikrolaine taustkiirguse temperatuurihäireid. Need häired on säilinud alates rekombinatsiooni ajastust, mil ioniseeritud vesinik muutus neutraalseteks aatomiteks.
Need mõõtmised näitasid kõikumisi, väga väikeseid, umbes kümnetuhandik kelvinit. Kuid kui nad hakkasid neid andmeid võrdlema teoreetiliste mudelitega, avastasid nad olulisi erinevusi, mida ei saa seletada muul viisil kui tumeaine olemasoluga. Tänu sellele said nad ühe protsendi täpsusega välja arvutada tume- ja tavaaine osakaalud Universumis.
Aine jaotus universumis (vasakult paremale) enne ja pärast andmete ilmumist Plancki teleskoobist
Teadlased on teinud palju katseid vabaneda nähtamatust ja märkamatust tumeainest, luues modifitseeritud gravitatsiooni teooriaid, nagu MOND, mis püüavad selgitada täheldatud mõjusid. Miks eelistatakse tumeaine mudeleid?
Olukord on väga lihtne: kaasaegne Einsteini gravitatsiooniteooria töötab maistel skaalal hästi, satelliidid lendavad selle teooriaga ranges kooskõlas. Ja see töötab kosmoloogilistel skaalal väga hästi. Ja kõik kaasaegsed mudelid, mis muudavad gravitatsiooni, ei suuda kõike seletada. Nad toovad Newtoni seadusesse uusi konstante, mis aitavad selgitada tumeaine mõju galaktika tasandil, kuid jätavad kosmoloogilisel skaalal märkimata.
Kas gravitatsioonilainete avastamine võiks siin aidata? Võib-olla aitab see mõnest teooriast kõrvale heita?
See, mida gravitatsioonilained on nüüd mõõtnud, on tohutu tehniline, mitte teaduslik edu. Nende olemasolu oli teada juba 40 aastat tagasi, mil avastati (kaudselt) binaarse pulsari gravitatsioonikiirgus. Gravitatsioonilainete vaatlused kinnitasid taaskord mustade aukude olemasolu, kuigi varem me selles ei kahelnud, kuid nüüd on meil enam-vähem otsesed tõendid.
Mõju vorm, gravitatsioonilainete muutused sõltuvalt võimsusest, võivad anda meile väga kasulikku teavet, kuid me peame ootama veel viis kuni kümme aastat, kuni meil on piisavalt andmeid gravitatsiooniteooriate täpsustamiseks.
Tumeaine ajalugu sai alguse 1933. aastal, kui astronoom Fritz Zwicky uuris galaktikate kiirusjaotust kooma Berenicese tähtkujus asuvas klastris. Ta avastas, et galaktikad parves liiguvad liiga kiiresti ja kui ainult nähtavat ainet arvesse võtta, ei saaks parv olla stabiilne – galaktikad lihtsalt hajuvad eri suundades.
16. veebruaril 1933 avaldatud artiklis väitis Zwicky, et neid hoiab koos nähtamatu gravitatsiooniline aine – Dunkle Matrie.
Veidi hiljem kinnitasid teised astronoomid lahknevust galaktikate "nähtava" massi ja nende liikumise parameetrite vahel.
1958. aastal pakkus Nõukogude astrofüüsik Viktor Ambartsumyan oma lahenduse Zwicky paradoksile. Tema arvates ei sisalda galaktikaparved ühtegi nähtamatut ainet, mis neid gravitatsiooniliselt kinni hoiaks. Me lihtsalt jälgime klastreid lagunemise protsessis. Enamik astronoome aga selle selgitusega ei nõustunud, kuna sel juhul ei oleks parvede eluiga üle ühe miljardi aasta ning arvestades, et Universumi eluiga on kümme korda pikem, poleks tänaseks parvesid lihtsalt järel.
Üldtunnustatud arusaam tumeainest on see, et see koosneb WIMP-idest, massiivsetest osakestest, millel on tavaliste aineosakestega vähe koostoimet. Mida saate nende omaduste kohta öelda?
Neil on üsna suur mass - ja see on peaaegu kõik, me ei saa isegi täpset massi nimetada. Need läbivad pikki vahemaid ilma kokkupõrgeteta, kuid tihedushäired neis ei kustu isegi suhteliselt väikeses mastaabis – ja see on ainus asi, mida me tänapäeval mudelite jaoks vajame.
CMB annab meile tumeaine omadused suurtes skaalades, galaktikaparvede skaalal. Kuid selleks, et "laskuda" väikeste galaktikate skaalale, oleme sunnitud kasutama teoreetilisi mudeleid.
Väikeste galaktikate olemasolu viitab sellele, et isegi suhteliselt väikestes mastaapides esines ebakorrapärasusi, mis tekkisid vahetult pärast Suurt Pauku. Sellised ebahomogeensused võivad tuhmuda ja siluda, kuid me teame kindlalt, et väikeste galaktikate skaalal need ei tuhmu. See viitab sellele, et nendel tumeaine osakestel peavad olema sellised omadused, et need häired püsivad.
Kas on õige öelda, et tähed võivad tekkida ainult tumeaine tõttu?
Mitte päris. Ilma tumeaineta ei saaks tekkida galaktikad ja tähed väljaspool galaktikaid. Erinevalt tumeainest on barüonid alati kuumad ja interakteeruvad kosmilise mikrolaine taustkiirgusega. Seetõttu ei saa nad iseseisvalt tähtedeks koguneda;
Tumeaine osakesed toimivad nähtamatu tsemendina, mis tõmbab barüone galaktikatesse ja seejärel algab neis tähtede tekkeprotsess. Tumedat ainet on kuus korda rohkem kui barüone, see "juhatab" ja barüonid ainult järgivad seda.
Ksenooni tumeaine osakeste detektor XENON1T
Xenon100 koostöö
Kas meie ümber on palju tumeainet?
Seda on igal pool, küsimus on vaid selles, kui palju seda on. Arvatakse, et meie galaktikas on tumeaine mass veidi alla 10 protsendi.
Kuid juba Galaktika läheduses on tumeainet rohkem, nii meie kui ka teiste tähesüsteemide ümber on näha märke kohalolekust. Muidugi näeme seda tänu barüonidele, jälgime neid ja saame aru, et nad “kleepuvad” sinna ainult tumeaine olemasolu tõttu.
Alates 1980. aastate lõpust on füüsikud teinud sügaval maa all asuvates rajatistes eksperimente, püüdes jäädvustada üksikute tumeaine osakeste kokkupõrkeid. Viimase 15 aasta jooksul on nende katsete kollektiivne tundlikkus plahvatuslikult kasvanud, kahekordistudes keskmiselt igal aastal. Kaks suurt koostööd, XENON ja PandaX-II, tõid hiljuti turule uued, veelgi tundlikumad detektorid.
Esimene neist ehitas maailma suurima tumeaine detektori XENON1T. See kasutab vedelast ksenoonist valmistatud 2000-kilogrammist sihtmärki, mis asetatakse 10 meetri kõrgusesse veepaaki. Kõik see asub maa all 1,4 kilomeetri sügavusel Gran Sasso riiklikus laboris (Itaalia). PandaX-II installatsioon on maetud Hiina Sichuani provintsis 2,4 kilomeetri sügavusele ja sisaldab 584 kilogrammi vedelat ksenooni.
Mõlemas katses kasutatakse ksenooni, kuna see on äärmiselt inertne, mis aitab hoida mürataset madalal. Lisaks on ksenooni aatomite tuumad suhteliselt rasked (sisaldavad keskmiselt 131 nukleoni tuuma kohta), mis annab tumeaine osakestele "suurema" sihtmärgi. Kui üks neist osakestest põrkab kokku ksenooni aatomi tuumaga, tekitab see nõrga, kuid tajutava valgussähvatuse (stsintillatsiooni) ja elektrilaengu moodustumise. Isegi väikese arvu selliste sündmuste jälgimine võib anda meile olulisi vihjeid tumeaine olemuse kohta.
Siiani pole ei nende ega ühegi teise katsega suudetud tumeaine osakesi tuvastada, kuid selle vaikuse abil saab seada ülempiiri tumeaine osakeste ja tavaaine osakeste kokkupõrke tõenäosusele.
Kas tumeaine osakesed võivad moodustada klompe nagu tavalised aineosakesed?
Saavad, aga küsimus on selles, millise tihedusega. Astrofüüsika seisukohalt on galaktikad tihedad objektid, nende tihedus on suurusjärgus üks prooton kuupsentimeetri kohta ja tähed on tihedad objektid, mille tihedus on suurusjärgus grammi kuupsentimeetri kohta. Kuid nende vahel on 24 suurusjärku. Tavaliselt on tumeaine pilvedel "galaktiline" tihedus.
Kas paljudel inimestel on võimalus tumeaine osakesi otsida?
Nad püüavad tabada üksikute tumeaine osakeste koostoimeid tavalise aine aatomitega, nagu nad teevad neutriinodega. Kuid neid on väga raske tabada ja pole tõsiasi, et see üldse võimalik on.
CERNi teleskoop CAST (CERN Axion Solar Telescope) otsib hüpoteetilisi osakesi - aksioone -, mis võivad moodustada tumeaine.
Võib-olla koosneb tumeaine üldiselt nn peegelosakestest, mida saab põhimõtteliselt jälgida ainult nende gravitatsiooni järgi. Teise “peegli” universumi hüpotees pakuti välja pool sajandit tagasi.
Meil on ainult kosmoloogia tõelised tähelepanekud.
Intervjueeris Sergei Kuznetsov
Füüsika teoreetiline konstruktsioon, mida nimetatakse standardmudeliks, kirjeldab kõigi teadusele teadaolevate elementaarosakeste vastastikmõjusid. Kuid see on vaid 5% Universumis eksisteerivast ainest, ülejäänud 95% on täiesti tundmatu olemusega. Mis on see hüpoteetiline tumeaine ja kuidas teadlased seda tuvastada üritavad? MIPT üliõpilane ning füüsika ja astrofüüsika osakonna töötaja Hayk Hakobyan räägib sellest ühe eriprojekti raames.
Elementaarosakeste standardmudel, mis sai lõplikult kinnitust pärast Higgsi bosoni avastamist, kirjeldab meile tuntud tavaliste osakeste – leptonite, kvarkide ja jõukandjate (bosonite ja gluoonide) – fundamentaalseid vastastikmõjusid (elektri nõrk ja tugev). Selgub aga, et kogu see tohutu kompleksteooria kirjeldab vaid umbes 5-6% kogu mateeriast, samas kui ülejäänu sellesse mudelisse ei mahu. Meie universumi varasemate hetkede vaatlused näitavad, et ligikaudu 95% meid ümbritsevast ainest on täiesti tundmatu olemusega. Teisisõnu, me näeme selle peidetud aine olemasolu kaudselt selle gravitatsioonilise mõju tõttu, kuid me pole veel suutnud seda otseselt tabada. Seda varjatud massinähtust nimetatakse koodnimeks "tumeaine".
Kaasaegne teadus, eriti kosmoloogia, töötab Sherlock Holmesi deduktiivse meetodi järgi
Nüüd on WISP-rühma peamine kandidaat aksioon, mis tekib tugeva interaktsiooni teoorias ja millel on väga väike mass. Selline osake on võimeline suures magnetväljas muutuma footon-footon paariks, mis annab näpunäiteid, kuidas seda tuvastada. ADMX-i katses kasutatakse suuri kambreid, mis loovad 80 000 gaussi magnetvälja (see on 100 000 korda suurem kui Maa magnetväli). Teoreetiliselt peaks selline väli stimuleerima aksioni lagunemist footon-footon paariks, mille detektorid peaksid kinni püüdma. Vaatamata arvukatele katsetele ei ole seni õnnestunud tuvastada WIMP-sid, aksione ega steriilseid neutriinosid.
Nii oleme rännanud läbi tohutul hulgal erinevaid hüpoteese, püüdes seletada varjatud massi kummalist kohalolekut, ning olles vaatluste abil kõik võimatused tagasi lükanud, oleme jõudnud mitme võimaliku hüpoteesini, millega saame juba töötada.
Negatiivne tulemus teaduses on ka tulemus, kuna see seab piirangud osakeste erinevatele parameetritele, näiteks välistab võimalike masside ulatuse. Aasta-aastalt tehakse üha rohkem uusi vaatlusi ja katseid kiirendites, mis seavad uusi rangemaid piiranguid tumeaine osakeste massile ja muudele parameetritele. Seega, heites välja kõik võimatud variandid ja kitsendades otsingute ringi, jõuame päev-päevalt lähemale mõistmisele, millest koosneb 95% meie universumi ainest.
