A sötét anyag megölte a dinoszauruszokat?

A sötét anyag megölte a dinoszauruszokat?

Egy művész ábrázolása azt mutatja, hogy egy üstökös csapódik le Yucatán partjainál, és a nem madár dinoszauruszok kipusztulását okozza. (A kép Don Davis/NASA jóvoltából)

A dinoszauruszok soha nem látták, hogy eljön. Amikor mintegy 65 millió évvel ezelőtt egy óriási űrkő becsapódott a Yucatán-félszigetre, globális uralmuk katasztrofális erőszakkal ért véget. De ennek az űrsziklának – talán egy több mérföld széles üstökösnek – lehetett egy lopakodó bűntársa: a sötét anyag.

A sötét anyag természetesen az a láthatatlan anyag, amely az univerzum egynegyedét és az összes anyag 85 százalékát teszi ki. Lisa Randall, a harvardi fizikus pedig úgy gondolja, hogy ez lehet az, ami a Föld felé lökte azt a dinópusztító üstököst. Szerinte elmélet , a Tejútrendszer sötét anyaga a galaktikus síkba ágyazott vékony korong formájában létezik – amit Randall „kettős korongos sötét anyagként” emleget. Miközben a galaktikus középpont körül kering, a Naprendszer áthalad ezen a korongon, amelynek gravitációja rántja a Naprendszer üstököseit – és a dinoszaurusz elpusztulása esetén az egyiket éppen annyira meghúzta, hogy a Földre küldje.



Elgondolkodtató ötlet, amely összeköti az egyik legnagyobb kozmikus rejtélyt mindenki kedvenc kihalt állataival. Egy biztos, ez spekulatív. Randall hipotézise azonban magában foglalja a sötét anyag új jellemzését, amely az elmúlt években teret hódított, és amelyben a sötét anyag árnyaltabb és összetettebb, mint azt korábban gondolták.

A sötét anyagnak ez az új osztálya magában foglalja az úgynevezett önkölcsönhatásba lépő sötét anyagot. Elméletileg összeütközhet vagy más módon kölcsönhatásba léphet önmagával, esetleg olyan részecskék állatkertjén keresztül, amelyek hasonlóak a normál anyagot alkotó részecskékkel, például protonokkal, elektronokkal és kvarkokkal. Akár egy egész sötét univerzum is létezhet odakint, sötét atomokkal, sőt sötét csillagokkal és bolygókkal. „Sok különböző lehetőség kínálkozik arra, hogy az anyag hogyan tud kölcsönhatásba lépni” – mondja Randall. – Ugyanez igaz a sötét anyagra is. És ha a sötét anyag önmagában is kölcsönhatásba lép, az azt jelenti, hogy nagyjából 30 éve a tudósok, akik megpróbálják felfedezni az árnyékos dolgokat, nem megfelelő típusú részecskék után üldöznek.

Ez a részecske egy gyengén kölcsönható masszív részecske, vagy WIMP, és még mindig a legnépszerűbb sötét anyag jelölt részecske. Senki sem tudja pontosan, milyen részecske lehet, és a fizikusoknak számos elméletük van. Általánosságban elmondható, hogy a WIMP egy olyan részecske, amely a gravitáción kívül szinte semmivel sem lép kölcsönhatásba – ezért jó választás a sötét anyag számára, mert amennyire bárki meg tudja állapítani, a sötét anyag csak gravitációs úton lép kölcsönhatásba.

A fizikusok a WIMP-et részesítik előnyben, mert olyan jól illeszkedik a kozmológiai elméletekbe. A történet szerint nem sokkal az Ősrobbanás után ezek a részecskék folyamatosan egymásba futottak volna, és egy energiakitörésben megsemmisültek volna. Idővel számuk megfogyatkozott volna, és ahogy az univerzum tágul és lehűlt, egyre nehezebb lett volna egymásra találniuk és megsemmisíteniük egymást. Kiderült, hogy a megmaradt WIMP-ek mennyisége éppen elegendő lenne az univerzum sötét anyagának számbavételéhez.

„Az én korombeli embereknek azt tanítják az általános iskolában, hogy a sötét anyag legésszerűbb és legmotiváltabb modellje a WIMP-modell – a WIMP csoda” – mondja James Bullock, a Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa, Irvine. 'Annyi mindent megmagyaráz, hogy sok csillagász evangéliumnak tekinti.'

Kapcsolódó cikk

Nézzük a fényt a sötét anyag jeleiért

Tehát a tudósok megpróbálták levadászni a részecskét. Műholdat használtak arra, hogy olyan gamma-sugárjeleket keressenek, amelyek abból származhatnak, hogy a WIMP-k megsemmisítik egymást az űrben. Azt remélik, hogy a svájci Large Hadron Collider egyik részecskéjét protonok közel fénysebességgel történő összecsapásával hozzák létre. És a világ különböző pontjain építettek földalatti detektorokat, hogy elkapjanak egyet, például a nagy földalatti xenon kísérletet, amely egy mérfölddel a felszín alatt található a dél-dakotai Black Hillsben. (A kutatók azt feltételezik, hogy a WIMP-k a gyenge erőn keresztül is kölcsönhatásba lépnek, ami rendkívül kis távolságokon, szubatomi szinten lép működésbe. A LUX esetében a tudósok azt remélik, hogy sikerül kimutatni a gyenge erőn keresztül kölcsönhatásba lépő WIMP-ket a folyékony xenon atomokkal. További információért nézze meg az alábbi videót.)

Ezek a kísérletek néhány éve folynak, ami elég hosszú ahhoz, hogy a tudósok mára elképzelhető legyen a WIMP felfedezése. Mégsem talált senki semmit. „Sokféle módon kerestük” – mondja Yonit Hochberg, a Lawrence Berkeley National Laboratory fizikusa. „Ha megtaláljuk, az csodálatos. De ha nem tesszük, talán itt az ideje, hogy más lehetőségeken gondolkodjunk.”

Az egyik lehetőség: önkölcsönhatásba lépő sötét anyag, a sötét anyag összetettebb fajtájának gyűjtőfogalma. Míg a WIMP-ek alig veszik észre egymást, az önkölcsönhatásba lépő sötét anyag részecskéi elméletileg összeütközhetnek és szétszóródhatnak, és nem gravitációs erőket tapasztalhatnak – igen, Star Wars-rajongók, ők sötét erők. És a WIMP sötét anyaggal ellentétben az önkölcsönhatásba lépő sötét anyag egynél több részecsketípust tartalmaz.

Az önkölcsönhatásba lépő sötét anyag magyarázatot adhat a WIMP-elmélet és a galaxisok valós megfigyelései közötti eltérésekre. Például számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy a WIMP-ek univerzuma olyan galaxisokat hoz létre, amelyek középpontja sűrűbb a megfigyeltnél. De ha a sötét anyag önkölcsönhatásba lépne, akkor az alkotó részecskéi ping-pong labdákként pattannának vissza egymásról. Ennek eredményeként kevesebb sötét anyag halmozódna fel a galaktikus magokban, ami azt a sötét anyag sűrűséget eredményezi, amelyet a csillagászok valójában mérnek.

A közelmúltban Hochberg egy elméletet javasolt az önkölcsönhatásba lépő sötét anyagról, amelyben a sötét anyag főként valamilyen anyagból áll. erősen kölcsönható masszív részecske - egy SIMP. A WIMP-ekhez hasonlóan a SIMP-ek is megsemmisítik egymást az univerzum történetének korai szakaszában. A WIMP-ekkel ellentétben azonban háromra lenne szükség a megsemmisítéséhez, és két SIMP maradna. Ez a folyamat megfelelő mennyiségű maradék SIMP-t hozna létre az univerzum összes sötét anyagának figyelembevételéhez – de ebben az esetben ez egy „SIMP-csoda”.

A SIMP-nek többféle típusa lehet. Példaként Hochberg azt javasolta, hogy a SIMP a a pion nevű részecske sötét változata . Általánosságban elmondható azonban, hogy a SIMP-k legalább 1000-szer könnyebbek, mint egy tipikus WIMP, ezért észlelésükhöz a fizikusoknak meg kell újítaniuk keresési stratégiájukat (néhány korai stádiumú kísérlet már folyamatban van).

Eközben a csillagászok megpróbálják kitalálni, hogy a sötét anyag önmagában is kölcsönhatásba lép-e. Pontosabban, hatalmas galaxishalmazok egyesülését tanulmányozzák, amelyek a sötét anyag hatalmas foltjaiba ágyazódnak, amelyeket sötét anyag halóknak neveznek. Ha a sötét anyag kölcsönhatásba lép, az összeolvadó fényudvarok lelassítanák egymást – amit a csillagászok úgy észlelhetnek, hogy megmérik, mennyire torzítja gravitációjuk a háttérgalaxisok fényét.

A amerikai székhelyű csapat nemrég vizsgált meg 25 galaktikus egyesülést, és remélik, hogy néhány éven belül biztosan tudni fogják, hogy a sötét anyag kölcsönhatásba lép-e vagy sem. „Ez elég lesz ahhoz, hogy így vagy úgy véglegesen állítsuk” – mondja Will Dawson, a Lawrence Livermore National Laboratory csillagásza, aki Bullockkal együtt a csapat tagja.

Nemrég egy másik csoport egy Abell 3827 nevű galaxishalmazba eső galaxist tanulmányozott. kezdeti elemzés azt sugallja, hogy a sötét anyag valóban kölcsönhatásban van, bár egyes kutatók kétségessé a megállapításokon.

De lehet, hogy a sötét anyag nem egyszerűen csak erősen vagy gyengén kölcsönhatásba lép. Ez lehet a kettő kombinációja – ami visszavezet minket a dinoszauruszok közé.

Randall elmélete szerint a sötét anyag nagy része nagyon gyengén kölcsönhatásba lép. De egy kis komponens kölcsönhatásba léphet önmagával az elektromágneses erőhöz hasonló erőn keresztül. A Tejútrendszerben ez az önkölcsönhatásba lépő komponens a galaxis össztömegének körülbelül öt százalékát tenné ki. Ez a fajta sötét anyag pozitív és negatív töltésű részecskékből, valamint sötét fotonokból (vagyis sötét fényből) állna, amelyek kölcsönhatásba lépnek az energiát szétszórva. Ennek az energiaveszteségnek köszönhetően a sötét anyag részecskéi lelassulnak, egyesülve sötét atomokat képeznek, és végül egy hatalmas, a galaxishoz igazodó koronggá ellaposodnak.

Randall és csapata mutatta hogy ha létezne ez a sötétanyag-korong, megmagyarázhatná azt a geológiai bizonyítékot, amely szerint a Földet 35 millió évenként időszakos üstököscsapások értek. A tudósok korábban azt javasolták, hogy miközben a Naprendszer a Tejútrendszer középpontja körül kering, körülbelül azonos frekvenciával mozog fel és le a galaktikus síkban. Amikor ez megtörténik, Randall csapata azt javasolja, hogy a Naprendszer áthaladjon a sötétanyag-korongon is, amelynek gravitációja üstökösök beáramlását indítja el, amelyek a belső Naprendszerbe dobják be. Egyike volt azoknak az üstökösöknek, amelyek megölték a dinoszauruszokat.

Annak megállapítására, hogy létezik-e sötét anyag korong, a csillagászok az európai Gaia műholdat használhatják, egy 2013-ban indított küldetést, amely körülbelül egymilliárd csillag elhelyezkedését és pályáját méri a Tejútrendszer galaxisában. Ha van egy korong, a csillagászok képesek lennének észlelni annak gravitációs hatását a csillagok mozgására.

Amíg azonban elegendő bizonyíték nem mutat rá ilyen vagy olyan módon, hogy a sötét anyag kölcsönhatásba lép-e, a Dawsonhoz hasonló tudósok továbbra is agnosztikusak maradnak. 'Ugyanúgy örülök, hogy kizárom az önkölcsönhatásba lépő sötét anyagot, mint annak, hogy felfedezem' - mondja. Mindazonáltal, tekintettel a részecskék és erők halmazára, amelyek a normál anyaggal kapcsolatosak, nem túlzás azt hinni, hogy a sötét anyag is ugyanolyan összetett lehet. Sőt, azt mondja, talán meglepőbb lenne, ha nem így lenne.

„Ezek a lehetőségek mind megvannak” – mondja Bullock. „Talán végül ki tudjuk zárni ezeket a lehetőségeket. De jelenleg nem tehetjük.”