Jako polowanie na ciemną materię, najczęstsze, ale najbardziej tajemnicze „rzeczy wszechświata”, naukowcy, co zrozumiałe, chętnie zdobywają najpotężniejszy teleskop kosmiczny w akcji.
Space.com rozmawiał z trzema naukowcami, kosmicznymi detektywami, którzy są gorące na szlaku ciemna materia Kandydaci korzystający z James Webb Space Telescope (JWST).
Pytanie brzmi, w jaki sposób, nawet w przypadku niezwykle wrażliwego oka na podczerwień, JWST może poszukać czegoś, co samo w sobie jest skutecznie niewidoczne długości fali światła.
Jeśli ciemna materia składa się z hipotetycznych cząstek nazywanych osiistnieje szansa, że te cząstki mogą „rozpadać”, rozpadające się na inne cząstki. Ten proces może wydać fotonycząstki, które tworzą światło, które JWST mógł następnie wykryć.
Powiązany: Co to jest ciemna materia?
„Udane odkrycie tego światła byłoby przełomowe – naprawdę odkrycie stulecia” – powiedziała Space.com, teoretyczna fizyk astrocząstek Elena Pinetti. „Znalezienie ciemnej materii odblokowałoby zupełnie nowy rozdział w naszym rozumieniu Wszechświat.
„To trochę jak kosmiczna praca detektywistyczna, pomagając nam przesiewać hałas wszechświata, aby dostrzec coś naprawdę niezwykłego”.
Problem z ciemną materią
Ciemna materia to nazwa, którą naukowcy nadali tajemniczej substancji, która stanowi około 85% Całkowita treść wszechświata.
Oznacza to wszystkie rzeczy, które widzimy wokół nas na co dzień, od najbardziej masywnych gwiazdy Do najmniejszych bakterii i nie tylko stanowią zaledwie 15% „rzeczy” w kosmosie.
Jednak pomimo jego wszechobecności, Ciemna materia jest frustrująco nieuchwytna, Ponieważ cokolwiek obejmuje, nie wchodzi w interakcje ze światłem lub „zwykłej materii”. Albo ta, albo ciemna materia oddziałuje tak słabo i tak rzadko, że jest skutecznie niewidoczna.
Do tej pory jedynym sposobem, w jaki astronomowie byli w stanie wywnioskować obecność ciemnej materii, jest jej interakcja z powaga i sposób, w jaki wpływa to na światło i widoczną „codzienną” materię.
Fakt, że ciemna materia wydaje się bardzo słabo oddziaływać ze światłem, jeśli w ogóle oznacza, że nie może być składana z cząstek tworzących atomy –elektrony, protony I neutrony. To dlatego, że te cząstki. które służą jako elementy składowe wszystkiego, co widzimy wokół nas, silnie wchodzą w interakcje ze światłem.
Doprowadziło to naukowców do poszukiwania potencjalnych cząstek ciemnej materii poza Standardowy model fizyki cząstekramy, które obecnie wyjaśniają wszystko, co wiemy o cząsteczkach i siłach.
Obecnie wiodącym podejrzanym do cząstek mrocznych są osi, które pozostały frustrująco hipotetyczne.
Powiązany: Nadal nie wiemy, co to jest mroczna materia, ale oto, co to nie jest
„Axions są niestabilnymi cząsteczkami, co oznacza, że mogą spontanicznie przekształcić się w inne cząstki lub rozkładają się w inne cząstki. Jest to bardzo podobne do neutronów, które rozpadają się w protony w ciągu około 15 minut, chyba że są związane w jądrze atomu”, powiedział Christopher Dessert, Flatiron Research Fellow w centrum astronoszy komputerowej, powiedział Space.com.
„Axions rozpadnie się na dwa fotony (cząstki tworzące światło), a każdy z tych fotonów ma energię równą połowę masy osi przez Einsteina związek materii/energii E = MC2”Dodał deser.
Wyjaśnił, że jeśli masa osi wynosi około 1 elektronvolt (EV)/c2 (Gdzie „C” jest prędkością światła), wówczas emitowane fotony znajdują się w zakresie długości fali podczerwieni, a JWST mógł je zobaczyć. Jeśli jest to takie proste, możesz się zastanawiać, dlaczego inne teleskopy w podczerwieni nie wykryły rozpadu osi. Niestety jest jeszcze jeden zaczep.
„Mimo że osiowe rozkłada się, jeśli stanowią ciemną materię, to ich życie musi być znacznie większe niż Wiek wszechświata Ponieważ wiemy, że ciemna materia była na wczesnych etapach wszechświata i wiemy, że jest jeszcze w pobliżu – powiedział Dessert. „Więc szukamy bardzo rzadkiego procesu. Ale jeśli osi tworzą ciemną materię, to jest około 1077 (to 10, a następnie 76 zer) osi w Droga Mleczna, Tak więc bardzo rzadki proces wciąż zdarza się dość często! ”
Elisa Todarello, teoretyczna astrofizyk z University of Nottingham w Anglii, wyjaśniła, dlaczego JWST jest właściwym instrumentem do polowania na światło z rozkładu osi.
„JWST widzi wyjątkowo słabe obiekty i może bardzo dokładnie rozróżniać różne częstotliwości światła podczerwieni, ponieważ ma on bardzo wysoką rozdzielczość spektralną” – powiedział Todarello. „Są to pożądane cechy dla instrumentu do wykrywania promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez rozpad cząstki ciemnej materii”.
Todarello wyjaśnił ponadto, że jeśli rozkład osi jest zatężony z określoną częstotliwością, równą około połową masy osiowej, stworzyłby wąską „linię widmową”, która pozwala jej odróżnić od światła pochodzącego od źródeł, które emitują gładkie widmo w szerokim zakresie częstotliwości.
„Trudniej byłoby odróżnić go od linii spektralnych innego pochodzenia – na przykład przejścia atomowe” – powiedział Tdarello. „Jeśli masa osiowa jest taka, że linia widmowa z powodu rozpadu osi pokrywa się z masą przejścia atomowego, bardzo trudno byłoby rozplątać te dwa”.
Kształt linii spektralnej stworzonej przez rozkład osiowy może dać naukowcom ważne informacje o rozmieszczeniu ciemnej materii w naszych galaktykawedług Todarello.
„Ponieważ mamy dobry pojęcie o tym, jak rozłożona jest ciemna materia Droga Mlecznamożemy przewidzieć, ile powinno pojawić się w różnych częściach nieba, „dodał Pinetti.” Emisje astrofizyczne – sygnały z gwiazd, gazu lub innych kosmicznych obiektów – różnią się w zależności od tego, gdzie wyglądamy. Porównując obserwacje z różnych regionów, możemy starać się odróżnić zwykłego szumu kosmicznego od potencjalnego sygnału ciemnej materii ”.
Powiązany: Czy ciemna materia może zostać wykuty w „Dark Big Bang?”
Gdzie polować na ciemną materię
Obejmuje to, w jaki sposób ci detektywi ciemnej materii zamierzają szukać sygnałów mrocznych i tego, czego zamierzają szukać. Z wszechobecnością tego tajemniczego rzeczy pozostałe pytanie brzmi Gdzie patrzeć, aby mieć najlepszą możliwą szansę na Wykrywanie ciemnej materii.
Deser i Pinetti badają różne możliwe „sceny zbrodni w ciemnej materii” w swoich badaniach.
„Początkowo nie byliśmy pewni, jakie cele byłyby bardziej wrażliwe sondy rozstrzygania osi. W naszej pracy prognozowaliśmy zarówno wrażliwość na rozkładanie osi w Drogi Mlecznej Dark Matter Halo i te w mniejszych pod-alalach Galaktyki krasnoludne„Dessert powiedział.” Stwierdziliśmy, że osiowe drogi Mleczne są bardziej wrażliwe, ponieważ JWST zbierze więcej danych, ale nie było to oczywiste apriorycznie.
„Zastanawiamy się również nad uzyskaniem danych dotyczących JWST, patrząc na rozkładające się osie w galaktyce karłowatej, która może zapewnić dodatkowe sprawdzenie tych wyników”.
Pinetti wyjaśniła, że w swoich badaniach zespół szukał sygnału ciemnej materii w tak zwanych „pustych polach”.
Puste pola to obserwacje nie docelowe, których astronomowie używają do usuwania szumu tła z swoich danych.
„Dla astronomów korzystających z JWST, te puste obserwacje nie są strasznie interesujące”-powiedział Pinetti. „Ale tutaj znaleźliśmy zupełnie inne zastosowanie tych pustych obserwacji-brak Jasne źródła astronomiczne W nich sprawia, że są one szczególnie przydatne do wyszukiwania w ciemnej materii ”.
Pinetti dodał, że takie podejście jest szczególnie ekscytujące, ponieważ każdy Obserwacja JWSTniezależnie od celu, wymaga wyprodukowania tych pustych pola w ramach programu obserwacyjnego.
„Tak więc nasz zestaw danych będzie się rozwijać, o ile JWST będzie działać, umożliwiając nam sondowanie coraz głębsze w ciemny sektor„Pinetti powiedział.” I wszystko to przychodzi za darmo, ponieważ możemy skorzystać z prawie dowolnej obserwacji JWST! ”
Gdyby JWST nie wyklucza sygnału z rozkładu osi, nie wyeliminowałoby to całkowicie tych hipotetycznych cząstek jako Dark Matter podejrzewa.
To dlatego, że badanie JWST koncentruje się na rozpadu cząstek o masach między 0,1 eV a 4 eV. Brak wykrycia może oznaczać, że cząstki zawierające ciemną materię są poza tym zakresem mas.
„Zawsze dobrze jest zbadać wiele różnych możliwości, ale brak wykrywania ciemnej materii przez JWST nie oznaczałoby, że taki kandydat na ciemną materię jest teraz niechętny”-powiedział Todarello. „Oznaczałoby to po prostu, że masa osi jest w innym zakresie lub że stała sprzęgania do fotonów jest mniejsza niż JSWT może wykryć”.
Dla Pinetti tego rodzaju śledztwo napędza jej pasję do nauki.
„Fizyka astrocząstek i nauka kosmiczna nigdy nie przestają mnie zadziwiać – zawsze jest coś nowego i nieoczekiwanego!” Pinetti podsumował. „W rzeczywistości w danych JWST istnieje kilka sugestywnie tajemniczych sygnałów i nie jesteśmy jeszcze pewni, skąd pochodzą. Zdecydowanie warto kopać głębiej – każda tajemnica zbliża nas o krok do zrozumienia kosmosu.
„To odkrycie całkowicie zmieniłoby to, co wiemy o kosmosie i prawdopodobnie ujawniło tajemnice, których jeszcze nie wyobrażaliśmy”.
Zarówno Pinetti, jak i Deser Najnowsze badania JWST Dark Matter zostały opublikowane 18 lutego w Fizyczne listy recenzji.
