Интересните начини за търсене на тъмната материя
Една от най-големите загадки на актуалната космология е тъмната материя – мистериозно вещество, което не може да се следи директно, само че взе участие в гравитационните взаимоотношения. Изследователите са на мнение, че тъмната материя може да изясни освен редица астрофизични феномени, като придвижването и скупчването на галактики, само че и самия генезис на живота. Само че тази мистериозна материя е изцяло невидима, защото не излъчва светлина или сила и по тази причина е невероятно да бъде открита. И макар че физиците смятат, че ключът към неуловимата природа на тъмната материя се крие в нейния състав, последният също не може да бъде избран. Все отново вярата умира последна – Европейската галактическа организация (ЕКА) неотдавна сподели първите тестови фотоси, направени от галактическия телескоп „ Евклид “, с който физиците се надяват най-сетне да открият тъмната материя (и не само). Но това надалеч не е всичко.
Може ли тъмната материя да бъде открита с телескопи, атомни часовници и подземни детектори?
Астрономическите наблюдения демонстрират съществуването на „ тъмна материя “, която съставлява над 80% от цялата материя във Вселената. Поразително е, че и до момента няма достоверни доказателства, че тъмната материя взаимодейства с фотоните – фундаменталните частици на светлината. Именно заради тази липса на взаимоотношение тя се назовава „ тъмна “. Съставът на тъмната материя и всички евентуални незнайни взаимоотношения с елементарната материя си остават мистерия за нас.
Дали тъмната материя е формирана от частици?
Счита се, че тъмната материя съставлява към 80% от материята във Вселената и е виновна за огромна част от гравитационното взаимоотношение, което обуславя образуването на структури като галактиките. Докато Слънчевата система се върти към центъра на Млечния път, нашата планета се движи през ореола на тъмната материя (която съставлява по-голямата част от материята в Галактиката).
Тъй като тъмната материя не може да бъде следена директно, физиците работят върху разнообразни способи за нейното разкриване. Така да вземем за пример съгласно една от известните теории тъмната материя е нов тип едва взаимодействащи WIMP частици. Смята се, че те нямат маса и доста рядко взаимодействат с елементарната материя, само че вместо това WIMP частиците взаимодействат с гравитацията.
През миналите 30 години учените създадоха пробна стратегия, с която се пробват да открият редките взаимоотношения сред WIMP и елементарните атоми. На Земята обаче ние непрекъснато сме заобиколени от ниски, неопасни равнища на радиоактивност от микроелементите – основно уран и торий – в околната среда, както и от галактическите лъчи от космоса.
За да потвърдят дали WIMP са в действителност съставните частици на тъмната материя, откривателите работят по основаването на детектор, който да е допустимо най-чувствителен към откриването на тъмната материя. Този детектор би трябвало да бъде ситуиран на допустимо най-спокойното място, тъй че сигналът на мистериозната материя да се разпознава на фона на… радиоактивността.
Точно това са съумели да създадат физиците от колаборацията LUX-ZEPLIN, или LZ, оповестява The Conversation – откривателите са построили най-големия до този миг детектор на тъмна материя и са го конфигурирали на 1478 метра подземен (за да блокират галактическата радиация) в изследователския център Санфорд в Лида “, се споделя в публикацията.
В центъра на LZ се намират 10 000 кг течен ксенон. Когато частиците минават през детектора, те могат да се сблъскат с атомите на ксенона, предизвиквайки изблик на светлина и освобождение на електрони. Резултатите от новаторската работа бяха оповестени през месец юли в списание Physics Review Letters.
И въпреки всичко, макар положените старания, учените не съумяват да открият евентуалните частици тъмна материя – както се споделя в проучването, детекторът записва към пет събития дневно. След като са проучили характерностите на тези събития, физиците могат с убеденост да кажат, че нито едно от тях не е породено от тъмна материя. Уви, тя остава невидима. Изследователите обаче не престават да събират данни и може би в близкото бъдеще ще съумеят да открият тези мистериозни частици.
Може ли галактически телескоп да открие тъмна материя?
Изследователи от Европейската галактическа организация (ЕКА) неотдавна демонстрираха първите фотоси от галактическия телескоп „ Евклид “, до момента в който той се доближава към крайната си орбита към Земята. Когато този астрономически инструмент доближи задачата си, той ще може да даде на света коренно ново схващане за образуването и разширението на Вселената и за ролята, която тъмната сила, тъмната материя и гравитацията играят във всичко това.
Първите тестови фотоси, направени от двете бордови камери на телескопа – Инструментът VIS за забележимия набор на светлината, както и Спектрометърът и фотометърът за изображения в близкия инфрачервен набор (NISP) – показват серия от подробни изображения на нощното небе, показващи голяма сбирка от звезди, звездни купове и галактики.
Кнуд Янке от Института по астрономия „ Макс Планк “, сътрудник, участващ в плана, споделя, че изображенията „ към момента не са подобаващи за научни цели “, само че инструментите се показват „ чудесно в космоса “.
Първите изображения демонстрират сектор от небето, който е с размери към „ една четвърт от ширината и височината на цялостната Луна “. Представители на ЕКА споделят, че посредством обработката на изображенията и премахването на „ нежеланите артефакти “, като да вземем за пример галактическите лъчи, изображенията ще станат по-детайлни и затова ще могат да се употребяват за научни цели.
И тук ще би трябвало много да се изчака – телескопът ще стартира да получава използваеми изображения през месец октомври 2023 година, откакто доближи крайната си позиция на разстояние към 1,5 милиона километра от Земята, откакто завърши към тримесечната „ фаза на въвеждане в употреба и валидиране “ (която стартира след изстрелването на телескопа при започване на юли).
Трябва да се означи, че „ Евклид “ се разграничава от другите добре познати галактически телескопи като „ Хъбъл “ и „ Джеймс Уеб “ – вместо да търси съответни галактически обекти и елементи, „ Евклид “ ще прекара шестте си години на работа с взор 10 милиарда години в предишното. Представители на галактическата организация настояват, че той ще им помогне да отговорят на редица въпроси, свързани с главните физични закони на Вселената, както и да научат по какъв начин е зародила и от какво в действителност е формирана.
Тъмната материя и атомните часовници
Друга многообещаваща доктрина в търсенето на тъмната материя е обвързвана с константата на фината конструкция (fine structure constant) – естествена константа, която разказва силата на електромагнитното взаимоотношение. Смята се, че тя дефинира мащаба на атомната сила и по този метод въздейства на честотите на преходите, които се употребяват като референтни в атомните часовници.
Атомният часовник е най-точното устройство за премерване на времето, което се състои от няколко съставния елемент, а неговата електроника се грижи за стабилността на работата и точността на механизма. Самите тези устройства не са тежки и дребни (а определянето на секундата се основава на съмненията на цезиевия атом).
Тъй като другите преходи са в друга степен са чувствителни към вероятните промени в константата на фината конструкция, сравнението на атомните часовници може да се употребява за търсене на тъмната материя. Поради тази причина физиците употребяват атомен часовник, изключително сензитивен към вероятни промени в константата на фината конструкция, като го съпоставят с два други атомни часовника с по-ниска сензитивност към нея при измервания в продължение на няколко месеца.
Получените по време на тази работа резултати разкриват съществуването на осцилации, присъщи за тъмната материя. Но защото не бяха регистрирани по-значителни осцилации, тъмната материя по този начин си и остана неоткрита даже при по-внимателно проучване.
По този метод учените по този начин и не съумяват да открият мистериозната тъмна материя и в трите разказани дотук опита. Това обаче не значи, че в никакъв случай няма да я открием – проучванията не престават, което значи, че ще има и други хрумвания и способи за търсене на най-мистериозната материя във Вселената. Ние ще би трябвало да изчакаме!
