bj
    >> Φυσικές Επιστήμες >  >> η φυσικη

Η συνταγή για τη σκοτεινή ύλη απαιτεί ένα μέρος υπερρευστού


Για χρόνια, η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται άσχημα. Ο όρος επικαλέστηκε για πρώτη φορά σχεδόν 80 χρόνια πριν από τον αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνειδητοποίησε ότι χρειαζόταν κάποια αόρατη βαρυτική δύναμη για να εμποδίσει μεμονωμένους γαλαξίες να διαφύγουν από γιγάντια σμήνη γαλαξιών. Αργότερα, η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν αόρατη σκοτεινή ύλη για να εξηγήσουν γιατί οι ίδιοι οι γαλαξίες δεν πετούν χώρια.

Ωστόσο, παρόλο που χρησιμοποιούμε τον όρο «σκοτεινή ύλη» για να περιγράψουμε αυτές τις δύο καταστάσεις, δεν είναι σαφές ότι το ίδιο είδος ουσίας λειτουργεί. Το απλούστερο και πιο δημοφιλές μοντέλο υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια που κινούνται αργά υπό τη δύναμη της βαρύτητας. Αυτή η λεγόμενη «ψυχρή» σκοτεινή ύλη περιγράφει με ακρίβεια δομές μεγάλης κλίμακας όπως τα σμήνη γαλαξιών. Ωστόσο, δεν κάνει σπουδαία δουλειά στην πρόβλεψη των καμπυλών περιστροφής μεμονωμένων γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται να ενεργεί διαφορετικά σε αυτήν την κλίμακα.

Στην τελευταία προσπάθεια επίλυσης αυτού του γρίφου, δύο φυσικοί έχουν προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη είναι ικανή να αλλάζει φάσεις σε διαφορετικές κλίμακες μεγέθους. Ο Justin Khoury, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και η πρώην μεταδιδάκτορά του Lasha Berezhiani, η οποία είναι τώρα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, λένε ότι στο ψυχρό, πυκνό περιβάλλον του γαλαξιακού φωτοστέφανου, η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται σε ένα υπερρευστό - μια εξωτική κβαντική κατάσταση ύλη που έχει μηδενικό ιξώδες. Εάν η σκοτεινή ύλη σχηματίζει ένα υπερρευστό σε γαλαξιακή κλίμακα, θα μπορούσε να προκαλέσει μια νέα δύναμη που θα εξηγούσε τις παρατηρήσεις που δεν ταιριάζουν στο μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, στην κλίμακα των σμηνών γαλαξιών, οι ειδικές συνθήκες που απαιτούνται για να σχηματιστεί μια υπερρευστή κατάσταση δεν υπάρχουν. Εδώ, η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.

«Είναι μια τακτοποιημένη ιδέα», είπε ο Tim Tait, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine. «Πρέπει να έχεις δύο διαφορετικά είδη σκοτεινής ύλης που περιγράφονται από ένα πράγμα». Και αυτή η τακτοποιημένη ιδέα μπορεί σύντομα να δοκιμαστεί. Αν και άλλοι φυσικοί έχουν παίξει με παρόμοιες ιδέες, ο Khoury και ο Berezhiani πλησιάζουν στο σημείο όπου μπορούν να εξαγάγουν ελεγχόμενες προβλέψεις που θα επέτρεπαν στους αστρονόμους να εξερευνήσουν εάν ο γαλαξίας μας κολυμπά σε μια υπερρευστή θάλασσα.

Αδύνατα υπερρευστά

Εδώ στη Γη, τα υπερρευστά δεν είναι ακριβώς συνηθισμένα. Αλλά οι φυσικοί τα μαγειρεύουν στα εργαστήριά τους από το 1938. Ψύξτε τα σωματίδια σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες και η κβαντική φύση τους θα αρχίσει να αναδύεται. Τα κύματα της ύλης τους θα εξαπλωθούν και θα επικαλύπτονται το ένα με το άλλο, συντονίζοντας τελικά τον εαυτό τους ώστε να συμπεριφέρονται σαν να ήταν ένα μεγάλο «υπεράτομο». Θα γίνουν συνεκτικά, όπως τα σωματίδια φωτός σε ένα λέιζερ έχουν όλα την ίδια ενέργεια και δονούνται με ένα. Σήμερα, ακόμη και οι προπτυχιακοί φοιτητές δημιουργούν τα λεγόμενα συμπυκνώματα Bose-Einstein (BEC) στο εργαστήριο, πολλά από τα οποία μπορούν να ταξινομηθούν ως υπερρευστά.

Τα υπερρευστά δεν υπάρχουν στον καθημερινό κόσμο - είναι πολύ ζεστό για να επηρεαστούν τα απαραίτητα κβαντικά φαινόμενα. Εξαιτίας αυτού, «πιθανότατα πριν από δέκα χρόνια, οι άνθρωποι θα διέκοπταν αυτή την ιδέα και απλώς θα έλεγαν «αυτό είναι αδύνατο», είπε ο Tait. Αλλά πρόσφατα, περισσότεροι φυσικοί έχουν υποστηρίξει την πιθανότητα σχηματισμού υπερρευστών φάσεων με φυσικό τρόπο στις ακραίες συνθήκες του διαστήματος. Υπερρευστά μπορεί να υπάρχουν μέσα σε αστέρια νετρονίων και ορισμένοι ερευνητές έχουν υποθέσει ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος μπορεί να είναι υπερρευστό. Γιατί λοιπόν να μην έχει και η σκοτεινή ύλη μια υπερρευστή φάση;

Για να φτιάξετε ένα υπερρευστό από μια συλλογή σωματιδίων, πρέπει να κάνετε δύο πράγματα:Συσκευάστε τα σωματίδια μαζί σε πολύ υψηλές πυκνότητες και ψύξτε τα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Στο εργαστήριο, οι φυσικοί (ή οι προπτυχιακοί φοιτητές) περιορίζουν τα σωματίδια σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα και στη συνέχεια τα ζυμώνουν με λέιζερ για να αφαιρέσουν την κινητική ενέργεια και να μειώσουν τη θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν.



Μέσα στους γαλαξίες, ο ρόλος της ηλεκτρομαγνητικής παγίδας θα έπαιζε η βαρυτική έλξη του γαλαξία, η οποία θα μπορούσε να συμπιέσει τη σκοτεινή ύλη αρκετά μαζί για να ικανοποιήσει την απαίτηση πυκνότητας. Η απαίτηση θερμοκρασίας είναι ευκολότερη:ο χώρος, τελικά, είναι φυσικά κρύος.

Έξω από τα «φωτοστέφανα» που βρίσκονται σε άμεση γειτνίαση με τους γαλαξίες, η έλξη της βαρύτητας είναι πιο αδύναμη και η σκοτεινή ύλη δεν θα συσσωρευόταν αρκετά σφιχτά ώστε να μεταβεί στην υπερρευστή κατάστασή της. Θα ενεργούσε όπως κάνει συνήθως η σκοτεινή ύλη, εξηγώντας τι βλέπουν οι αστρονόμοι σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Αλλά τι το ιδιαίτερο έχει η σκοτεινή ύλη να είναι υπερρευστή; Πώς μπορεί αυτή η ειδική κατάσταση να αλλάξει τον τρόπο που φαίνεται να συμπεριφέρεται η σκοτεινή ύλη; Αρκετοί ερευνητές όλα αυτά τα χρόνια έχουν παίξει με παρόμοιες ιδέες. Αλλά η προσέγγιση του Khoury είναι μοναδική γιατί δείχνει πώς το υπερρευστό θα μπορούσε να προκαλέσει μια επιπλέον δύναμη.

Στη φυσική, εάν ενοχλείτε ένα πεδίο, συχνά δημιουργείτε ένα κύμα. Ανακινήστε μερικά ηλεκτρόνια - για παράδειγμα, σε μια κεραία - και θα διαταράξετε ένα ηλεκτρικό πεδίο και θα λάβετε ραδιοκύματα. Κουνήστε το βαρυτικό πεδίο με δύο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και θα δημιουργήσετε βαρυτικά κύματα. Ομοίως, εάν σπρώξετε ένα υπερρευστό, θα παράγετε φωνόνια - ηχητικά κύματα στο ίδιο το υπερρευστό. Αυτά τα φωνόνια δημιουργούν μια επιπλέον δύναμη εκτός από τη βαρύτητα, μια δύναμη που είναι ανάλογη με την ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων. «Είναι ωραίο γιατί έχεις μια πρόσθετη δύναμη πάνω από τη βαρύτητα, αλλά είναι πραγματικά εγγενώς συνδεδεμένη με τη σκοτεινή ύλη», είπε ο Khoury. «Είναι μια ιδιότητα του μέσου της σκοτεινής ύλης που προκαλεί αυτή τη δύναμη». Η επιπλέον δύναμη θα ήταν αρκετή για να εξηγήσει την αινιγματική συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης μέσα στα γαλαξιακά φωτοστέφανα.

Ένα διαφορετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης

Οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης εργάζονται εδώ και πολύ καιρό. Οι προσπάθειές τους έχουν επικεντρωθεί στα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Τα WIMP ήταν δημοφιλή επειδή όχι μόνο τα σωματίδια αντιπροσωπεύουν την πλειονότητα των αστροφυσικών παρατηρήσεων, αλλά αναδύονται φυσικά από τις υποθετικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής των Σωματιδίων.

Ωστόσο, κανείς δεν έχει δει ποτέ WIMP, και αυτές οι υποθετικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου δεν έχουν εμφανιστεί ούτε σε πειράματα, προς μεγάλη απογοήτευση των φυσικών. Με κάθε νέο μηδενικό αποτέλεσμα, οι προοπτικές εξασθενούν ακόμη περισσότερο και οι φυσικοί εξετάζουν όλο και περισσότερο άλλες υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη. «Σε ποιο σημείο αποφασίζουμε ότι γαβγίζουμε λάθος δέντρο;» είπε η Stacy McGaugh, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που θα έκαναν την ιδέα του Khoury και του Berezhiani να λειτουργήσει κατηγορηματικά δεν μοιάζουν με WIMP. Τα WIMP θα πρέπει να είναι αρκετά ογκώδη όπως τα θεμελιώδη σωματίδια — περίπου τόσο μάζα όσο 100 πρωτόνια, δίνουν ή παίρνουν. Για να λειτουργήσει το σενάριο του Khoury, το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να είναι ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερης μάζας. Κατά συνέπεια, θα πρέπει να υπάρχουν δισεκατομμύρια φορές περισσότεροι από αυτούς που περνούν με φερμουάρ στο σύμπαν - αρκετά για να ληφθούν υπόψη οι παρατηρούμενες επιδράσεις της σκοτεινής ύλης και για να επιτευχθεί η πυκνή συσσώρευση που απαιτείται για να σχηματιστεί ένα υπερρευστό. Επιπλέον, τα συνηθισμένα WIMP δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Τα υπερρευστά σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα απαιτούσαν ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια.

Ο πλησιέστερος υποψήφιος είναι το άξιον, ένα υποθετικό υπερελαφρύ σωματίδιο με μάζα που θα μπορούσε να είναι 10.000 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου. Σύμφωνα με τον Chanda Prescod-Weinstein, έναν θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, τα αξιόνια θα μπορούσαν θεωρητικά να συμπυκνωθούν σε κάτι σαν συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Αλλά το τυπικό axion δεν ταιριάζει απόλυτα στις ανάγκες του Khoury και του Berezhiani. Στο μοντέλο τους, τα σωματίδια θα έπρεπε να βιώσουν μια ισχυρή, αποκρουστική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Τα τυπικά μοντέλα axion έχουν αλληλεπιδράσεις που είναι αδύναμες και ελκυστικές. Αυτό είπε, "Νομίζω ότι όλοι πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη πιθανώς αλληλεπιδρά με τον εαυτό της σε κάποιο επίπεδο", είπε ο Tait. Είναι απλώς θέμα να καθοριστεί εάν αυτή η αλληλεπίδραση είναι αδύναμη ή ισχυρή.

Αναζητήσεις Cosmic Superfluid

Το επόμενο βήμα για τον Khoury και τον Berezhiani είναι να καταλάβουν πώς να δοκιμάσουν το μοντέλο τους - να βρουν μια ενδεικτική υπογραφή που θα μπορούσε να διακρίνει αυτήν την υπερρευστή έννοια από τη συνηθισμένη ψυχρή σκοτεινή ύλη. Μία πιθανότητα:δίνες της σκοτεινής ύλης. Στο εργαστήριο, τα περιστρεφόμενα υπερρευστά δημιουργούν στροβιλιζόμενες δίνες που συνεχίζονται χωρίς να χάνουν ποτέ ενέργεια. Τα φωτοστέφανα της υπερρευστής σκοτεινής ύλης σε έναν γαλαξία θα πρέπει να περιστρέφονται αρκετά γρήγορα ώστε να παράγουν επίσης συστοιχίες δίνων. Εάν οι δίνες ήταν αρκετά μαζικές, θα ήταν δυνατό να εντοπιστούν άμεσα.



Δυστυχώς, αυτό είναι απίθανο να συμβεί:οι πιο πρόσφατες προσομοιώσεις υπολογιστή του Khoury υποδηλώνουν ότι οι δίνες στο υπερρευστό της σκοτεινής ύλης θα ήταν «αρκετά αδύναμες», είπε, και απίθανο να προσφέρουν στους ερευνητές ξεκάθαρες αποδείξεις ότι υπάρχουν. Εικάζει ότι μπορεί να είναι δυνατή η εκμετάλλευση του φαινομένου του βαρυτικού φακού για να διαπιστωθεί εάν υπάρχουν φαινόμενα σκέδασης, παρόμοια με το πώς ένας κρύσταλλος θα διασκορπίσει το φως ακτίνων Χ που περνά μέσα από αυτόν.

Οι αστρονόμοι θα μπορούσαν επίσης να αναζητήσουν έμμεσες ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται σαν υπερρευστό. Εδώ, θα αναζητούσαν γαλαξιακές συγχωνεύσεις.

Ο ρυθμός σύγκρουσης των γαλαξιών μεταξύ τους επηρεάζεται από κάτι που ονομάζεται δυναμική τριβή. Φανταστείτε ένα τεράστιο σώμα να περνά μέσα από μια θάλασσα σωματιδίων. Πολλά από τα μικρά σωματίδια θα έλκονται από το τεράστιο σώμα. Και επειδή η συνολική ορμή του συστήματος δεν μπορεί να αλλάξει, το τεράστιο σώμα πρέπει να επιβραδύνει λίγο για να αντισταθμίσει.

Αυτό συμβαίνει όταν δύο γαλαξίες αρχίζουν να συγχωνεύονται. Εάν πλησιάσουν αρκετά, τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης τους θα αρχίσουν να περνούν το ένα μέσα από το άλλο και η αναδιάταξη των ανεξάρτητα κινούμενων σωματιδίων θα προκαλέσει δυναμική τριβή, τραβώντας τα φωτοστέφανα ακόμα πιο κοντά. Το φαινόμενο βοηθά τους γαλαξίες να συγχωνευθούν και λειτουργεί για να αυξήσει τον ρυθμό των γαλαξιακών συγχωνεύσεων σε όλο το σύμπαν.

Αλλά αν το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης βρίσκεται σε υπερρευστή φάση, τα σωματίδια κινούνται συγχρονισμένα. Δεν θα υπήρχε τριβή που να έλκει τους γαλαξίες μαζί, επομένως θα ήταν πιο δύσκολο για αυτούς να συγχωνευθούν. Αυτό θα πρέπει να αφήσει πίσω του ένα ενδεικτικό μοτίβο:κυματιστικές παρεμβολές στον τρόπο κατανομής της ύλης στους γαλαξίες.

Απόλυτα λογικά θαύματα

Ενώ ο McGaugh είναι ως επί το πλείστον θετικός σχετικά με την έννοια της υπερρευστής σκοτεινής ύλης, ομολογεί την ανησυχία του ότι προσπαθώντας τόσο σκληρά να συνδυάσουν το καλύτερο και των δύο κόσμων, οι φυσικοί μπορεί να δημιουργούν αυτό που αποκαλεί «λύση Tycho Brahe». Ο Δανός αστρονόμος του 16ου αιώνα εφηύρε μια υβριδική κοσμολογία στην οποία η Γη βρισκόταν στο κέντρο του σύμπαντος, αλλά όλοι οι άλλοι πλανήτες περιφέρονταν γύρω από τον ήλιο. Προσπάθησε να χωρίσει τη διαφορά μεταξύ του αρχαίου Πτολεμαϊκού συστήματος και της Κοπερνίκειας κοσμολογίας που τελικά θα το αντικαθιστούσε. «Ανησυχώ λίγο ότι αυτού του είδους οι προσπάθειες είναι σε αυτό το πνεύμα, ότι ίσως χάνουμε κάτι πιο θεμελιώδες», είπε ο McGaugh. "Αλλά εξακολουθώ να πιστεύω ότι πρέπει να εξερευνήσουμε αυτές τις ιδέες."

Ο Tait θαυμάζει αυτό το νέο υπερρευστό μοντέλο διανοητικά, αλλά θα ήθελε να δει τη θεωρία να εμπλουτίζεται περισσότερο στο μικροσκοπικό επίπεδο, σε σημείο όπου «μπορούμε πραγματικά να υπολογίσουμε τα πάντα και να δείξουμε γιατί όλα λειτουργούν όπως υποτίθεται. Σε κάποιο επίπεδο, αυτό που κάνουμε τώρα είναι να επικαλούμαστε μερικά θαύματα» προκειμένου να μπουν τα πάντα στη θέση τους, είπε. "Ίσως είναι απολύτως λογικά θαύματα, αλλά δεν έχω πειστεί ακόμα."

Ένα πιθανό σημείο κόλλημα είναι ότι η ιδέα των Khoury και Berezhiani απαιτεί ένα πολύ συγκεκριμένο είδος σωματιδίου που δρα σαν υπερρευστό ακριβώς στο σωστό καθεστώς, επειδή το είδος της επιπλέον δύναμης που παράγεται στο μοντέλο τους εξαρτάται από τις συγκεκριμένες ιδιότητες του υπερρευστού. Ψάχνουν για ένα υπάρχον υπερρευστό - αυτό που δημιουργήθηκε στο εργαστήριο - με αυτές τις επιθυμητές ιδιότητες. «Αν μπορούσατε να βρείτε ένα τέτοιο σύστημα στη φύση, θα ήταν καταπληκτικό», είπε ο Khoury, καθώς αυτό θα παρείχε ουσιαστικά ένα χρήσιμο ανάλογο για περαιτέρω εξερεύνηση. "Θα μπορούσατε κατ' αρχήν να προσομοιώσετε τις ιδιότητες των γαλαξιών χρησιμοποιώντας ψυχρά άτομα στο εργαστήριο για να μιμηθείτε πώς συμπεριφέρεται η υπερρευστή σκοτεινή ύλη."

Ενώ οι ερευνητές παίζουν με τα υπερρευστά για πολλές δεκαετίες, οι φυσικοί των σωματιδίων μόλις αρχίζουν να εκτιμούν τη χρησιμότητα ορισμένων από τις ιδέες που προέρχονται από θέματα όπως η φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Ο συνδυασμός εργαλείων από αυτούς τους κλάδους και η εφαρμογή τους στη βαρυτική φυσική θα μπορούσε απλώς να επιλύσει τη μακροχρόνια διαμάχη για τη σκοτεινή ύλη — και ποιος ξέρει τι άλλες ανακαλύψεις μπορεί να περιμένουν;

«Χρειάζομαι υπερρευστά μοντέλα; Η φυσική δεν είναι πραγματικά αυτό που χρειάζομαι», είπε ο Prescod-Weinstein. «Είναι για το τι μπορεί να κάνει το σύμπαν. Μπορεί να σχηματίζει φυσικά συμπυκνώματα Bose-Einstein, ακριβώς όπως τα μέιζερ που σχηματίζονται φυσικά στο νεφέλωμα του Ωρίωνα. Χρειάζομαι λέιζερ στο διάστημα; Όχι, αλλά είναι πολύ ωραίοι."



Το βάρος σας πρόκειται να επαναπροσδιοριστεί

Ένας φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας είπε κάποτε:«Αν κάποιος φτερνιζόταν με το πρότυπο [το] κιλό, όλα τα βάρη στον κόσμο θα ήταν αμέσως λάθος». Αναφερόταν σε έναν κύλινδρο, που μερικές φορές ονομαζόταν Le Grand K , το οποίο στεγάζεται σε ένα θησαυροφυλάκιο στο Παρίσι και το

Το πείραμα «Last Hope» βρίσκει στοιχεία για άγνωστα σωματίδια

Είκοσι χρόνια μετά από μια προφανή ανωμαλία στη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων που δημιούργησε ελπίδες για μια σημαντική ανακάλυψη της φυσικής, μια νέα μέτρηση τις ενίσχυσε:Οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi κοντά στο Σικάγο ανακοίνωσαν σήμερα ότι τα μιόνια —στοιχειώδη σωματίδ

Spark of Science:Melissa Franklin

Οι πειραματιστές είναι οι καουμπόηδες της φυσικής», λέει η Melissa Franklin, μια πειραματική σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Πρέπει να μπορούν να πουν στους θεωρητικούς:«Δεν με νοιάζει η ηλίθια θεωρία σας, θα μετρήσω αυτό .” Αυτή η αίσθηση του να είσαι στα άκρα, λέει, είναι μέρος