Teorie egzotycznej ciemnej materii. Jeśli jesteś fanem wszystkich niesamowitych rzeczy we wszechświecie, ten artykuł jest dla Ciebie.
Większość zawartości naszego wszechświata ma postać całkowicie nieznaną fizyce. To tylko surowy fakt, do którego wszyscy będziemy musieli się przyzwyczaić. Jeśli masz ochotę pomyśleć, że to tylko jakiś rodzajkosmologiczny problem, problem, który pojawia się tylko w największych skalach, więc mam dla ciebie złe wieści. Jednym z tych tajemniczych elementów kosmosu jest - o ile możemy powiedzieć - forma materii.
Ale nie tylko żadna forma materii, inaczej byśmy to widzieli. Nie, uważamy, że to rodzajciemny materia; materia, która po prostu nie wchodzi w interakcje ze światłem. Brak emisji Bez wchłaniania. Bez rozpraszania. Nic. A fakt, że ciemna materia istnieje, nie powinienże zaskakujące, prawda? W końcu kto podyktował to wszystko we wszechświeciemusieć oddziaływać ze światłem?
Nikt tego nie zrobił, więc oto jesteśmy. Jeśli spojrzysz na losową galaktykę, rzeczy, które się zapalą - gwiazdy, mgławice itp. - stanowią tylko niewielki ułamek całkowitej masy masy w tej galaktyce. Dokładny stosunek „normalnej” materii do ciemnej materii zależy od wielu czynników, takich jak historia powstawania galaktyki. Ale ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza galaktyka, tym bardziej jest ona zdominowana przez ciemną materię.
Najmniejsze galaktyki, zwane galaktykami karłowatymi, mogą stanowić przydatne laboratorium do badania ciemnej materii. W tych galaktykach ciemna materia może robić to, co robi ciemna materia, bez żadnej irytującej materii oddziałującej na światło, aby naprawdę skomplikować rzeczy. Jeśli ciemna materia robi coś dziwnego (cóż, dziwniejszego niż po prostu istnieje), na przykład wchodzi w interakcje ze sobą za pomocą słabej siły jądrowej lub składa się z wielu rodzajów egzotycznych cząstek, wówczas wszelkie efekty uwydatnią się w galaktyce karłowatej niż coś w rodzaju droga Mleczna.
To wszystko jest świetne i dobre, z wyjątkiem małego zastrzeżenia, że chociaż wszystkie te interesujące fizyki dzieją się pod maską, trudno nam to zobaczyć. Ponieważ jest ciemno.
Jedną z wielu rzeczy, których nie rozumiemy na temat ciemnej materii, jest to, jak zachowuje się ona w rdzeniach galaktyk. Proste symulacje ewolucji galaktyki przewidują coś, co nazywa się „guzem” - twardą nakrętką o niewiarygodnie wysokiej gęstości, siedzącą w kremowym środku galaktyki. Ale obserwacje tego nie ujawniają: po grawitacyjnym wpływie całej tej ciemnej materii powinno być wiele gwiazd. I na pewno jest wiele gwiazd w centrum galaktyki, ale nieże wiele.
Coś musi wygładzić centralną ciemną materię. Mogą to być egzotyczne interakcje w samej ciemnej materii. Mogą to być bardziej przyziemne przyczyny, takie jak wiatry supernowe wydmuchujące gaz. Może to być jedno lub drugie.
Astronomowie są bardzo, bardzo zainteresowani rdzeniami galaktyk, a zwłaszcza galaktykami karłowatymi, ponieważ właśnie tam mogą potencjalnie wiele dowiedzieć się o ciemnej materii. I pomimo ich skomplikowanej, chaotycznej fizyki, wciąż potrzebujemy gwiazd i gazu, aby obserwować, badać i badać galaktyki karłowate, mając nadzieję, że uda nam się prześledzić zachowanie leżącej pod nimi ciemnej materii. Ale galaktyki karłowate są daleko, ciemne i małe - a ich jądra jeszcze bardziej.
Jak moglibyśmy zajrzeć do nich?
Na szczęście galaktyki mają więcej niż gwiezdnych obywateli. Mają też czarne dziury. Gigantyczne supermasywne w rdzeniach i miliony mniejszych w nich pływających. Przydatny może być fakt, że gigantyczne czarne dziury gromadzą się w rdzeniach galaktyk macierzystych. Być może więc - pracujcie ze mną tutaj - jeśli moglibyśmy w jakiś sposób zbadać zachowanie czarnych dziur w galaktykach karłowatych, moglibyśmy uzyskać wskazówki dotyczące natury ciemnej materii.
Ale czarne dziury są również czarne i trudno je dostrzec. I mały. I daleko Na szczęście nie musimy widzieć czarnych dziur - możemy je usłyszeć.
Kiedy czarne dziury zderzają się, trzęsą się i zniekształcają tkaninę czasoprzestrzeni tak bardzo, że wywołują fale, jak fale rozchodzące się z ciężkiego kamienia spadającego do wody. Te fale grawitacji rozprzestrzeniają się w przestrzeni z prędkością światła, coraz bardziej lekko rozciągając i ściskając wszelkie pośrednie substancje podczas ich przemywania. W rzeczywistości, kiedy to czytasz, twoje ciało jest szarpane i wyciskane jak kawałek kitu z niezliczonych fal grawitacyjnych przechodzących przez Ziemię.
Te fale grawitacji są niesamowicie trudne do wykrycia, dlatego pierwsi ludzie, którzy je zmierzyli, otrzymali nagrody Nobla za dziesięciolecia wysiłków polegających na wykorzystaniu przeszkadzających wiązek światła w celu uchwycenia subtelnego sygnału.
Ale nasze trzy obserwatoria fal grawitacyjnych na powierzchni Ziemi nie mogą nam pomóc z naszym problemem czarnej dziury-wewnątrz-karła-galaktyki do badania ciemnej materii. Te czarne dziury - znane jakoczarne dziury o średniej masie - są zbyt małe, aby po wykryciu połączyć się w Drogą Mleczną w wykrywalny sygnał.
Ale obserwatorium fal grawitacyjnych w kosmosie mogłoby. Proponowana misja LISA (która, jak można się domyślać, laserowej interferometru kosmicznej anteny) może mieć odpowiednią czułość, aby zobaczyć sygnał scalania średnich czarnych dziur, takich jak te znajdujące się w sercach galaktyk karłowatych.
I zgodnie z nowym artykułem ostatnio przyjętym przez Astrophysical Journal Letters pod kierunkiem Tomasa Tomfala z Uniwersytetu w Zurychu, różne modele ciemnej materii (i jej możliwe interakcje z normalną materią kochającą światło) mogą wpływać na to, jak często i jak szybko czarne dziury w galaktykach karłowatych łączą się, co LISA może rozdzielić.
Jest to ronda do zrozumienia ciemnej materii, ale w tak irytującym problemie jest obiecująca.
Czytaj więcej: „Tworzenie plików binarnych czarnej dziury LISA w łączących się galaktykach karłowatych: odcisk ciemnej materii”
