Perkembangan Dark Matter terbaru

Para peneliti terus menemukan lebih banyak tentang substansi yang sulit dipahami yang terdiri dari 90% massa Semesta. March melihat penemuan dua galaksi yang kekurangan materi gelap dan kendala yang ditempatkan pada properti materi gelap. Sementara kandidat yang mungkin - axion - masih hilang.

Dua galaksi bebas materi gelap ditemukan

Dalam dua studi terpisah, para peneliti telah mulai mengembangkan lebih lanjut pengetahuan kita tentang materi gelap - substansi yang membentuk antara 70-90% dari massa Alam Semesta yang terlihat.

Foto galaksi DF2 (NASA, ESA, dan P. van Dokkum [Universitas Yale])

Dalam apa yang tampak seperti perkembangan ironis, para peneliti telah menemukan dua galaksi lebih lanjut yang tampaknya tidak mengandung materi gelap. Sesuatu yang benar-benar mendukung kasus keberadaan zat - daripada menjelaskan sifat-sifatnya dengan model gravitasi yang direvisi.

Penelitian - yang diterbitkan dalam Astrophysical Journal Letters - didasarkan pada pengamatan tahun lalu sebuah galaksi tanpa kandungan materi gelap yang tampak. Penemuan itu membuat para astronom skeptis, untuk sedikitnya, karena itu adalah satu-satunya pengamatan dari jenisnya.

Astronom Pieter van Dokkum dari Yale University, yang memimpin studi tahun lalu, mencatat: "Jika hanya ada satu objek, Anda selalu memiliki sedikit suara di belakang pikiran Anda yang mengatakan," tetapi bagaimana jika Anda salah? "

"Meskipun kami melakukan semua pemeriksaan yang dapat kami pikirkan, kami khawatir bahwa alam telah melempar kami untuk satu putaran dan bersekongkol untuk membuat sesuatu terlihat sangat istimewa sedangkan itu benar-benar sesuatu yang lebih biasa."

Karya baru ini berfokus pada galaksi hantu 60 juta tahun cahaya dari tata surya kita - NGC 1052-DF2 (DF2) - yang tidak memiliki materi gelap yang dapat dilihat. Selain penelitian ini, penelitian lain yang diterbitkan dalam jurnal yang sama mengungkapkan rincian DF4, galaksi lain - galaksi ini redup dan difus - tanpa materi gelap yang jelas.

Penelitian ini menyiratkan populasi galaksi yang lebih besar, yang mana, materi gelap tidak diperlukan untuk memberi mereka stabilitas. Penelitian ini memberikan wawasan baru tentang sifat materi gelap dan mengisyaratkan bahwa ada banyak lagi yang harus dipelajari tentang evolusi galaksi.

Baik DF2 dan DF4 adalah bagian dari kelas galaksi yang relatif baru yang disebut galaksi ultra-difus (UDGs). Mereka sebesar Bima Sakti tetapi memiliki bintang antara 100 hingga 1.000 kali lebih sedikit. Ini membuat mereka tampak lembut dan tembus cahaya - dan sulit untuk diamati.

Shany Danieli, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Yale dan penulis utama studi DF2, mengatakan: "Fakta bahwa kita melihat sesuatu yang benar-benar baru adalah hal yang sangat menarik.

"Tidak ada yang tahu bahwa galaksi seperti itu ada, dan hal terbaik di dunia bagi seorang siswa astronomi adalah menemukan objek - apakah itu sebuah planet, bintang, atau galaksi - yang tidak ada yang tahu atau bahkan memikirkannya."

Kiri: Galaksi dengan kurva rotasi seperti yang diperkirakan sebelum efek materi gelap diketahui. Kanan: Galaksi dengan kurva rotasi datar yang dapat dijelaskan oleh efek materi gelap (Berg)

Seperti disebutkan di atas, ironi dari penemuan ini, para peneliti menunjukkan sebenarnya memperkuat kasus keberadaan materi gelap. Ini karena itu menunjukkan bahwa efek materi gelap tidak digabungkan dengan materi normal - seperti yang kita harapkan jika sifat-sifat ini hanya aneh dalam pemahaman kita tentang gravitasi.

Danieli memimpin survei area luas dengan Dragonfly Telephoto Array - sebuah teleskop yang dirancang oleh van Dokkum - untuk mencari lebih banyak contoh secara sistematis, kemudian mengamati para kandidat lagi menggunakan teleskop Keck.

Mereka menyimpulkan: “Kami berharap untuk selanjutnya mengetahui seberapa umum galaksi-galaksi ini dan apakah mereka ada di area lain di alam semesta.

“Kami ingin menemukan lebih banyak bukti yang akan membantu kami memahami bagaimana sifat-sifat galaksi ini bekerja dengan teori kami saat ini. Harapan kami adalah ini akan membawa kita selangkah lebih maju dalam memahami salah satu misteri terbesar di alam semesta kita - sifat materi gelap. "

Sementara studi ini berfokus pada galaksi yang kehilangan materi gelap, penelitian lain - yang juga dirilis bulan ini - berkonsentrasi untuk menghilangkan kemungkinan kandidat materi gelap.

Fisikawan menempatkan batasan pada materi gelap

Para peneliti dari Rusia, Finlandia, dan AS telah memberikan batasan pada model teoritis partikel-partikel materi gelap dengan menganalisis data dari pengamatan astronomi dari nukleus galaksi aktif. Temuan baru ini memberikan insentif tambahan bagi kelompok-kelompok penelitian di seluruh dunia yang mencoba memecahkan misteri materi gelap: Tidak ada yang yakin apa itu. Makalah ini diterbitkan dalam Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Gambar Centaurus A ini, salah satu galaksi aktif terdekat dengan Bumi, menggabungkan data dari pengamatan dalam berbagai rentang frekuensi (ESO / WFI (optik), MPIfR / ESO / APEX / A. Weiss et al. (Submillimeter), NASA / CXC / CfA / R. Kraft et al. (X-ray))

Pertanyaan tentang apa yang membentuk partikel materi gelap adalah yang penting untuk fisika partikel modern. Terlepas dari harapan bahwa partikel materi gelap akan ditemukan di Large Hadron Collider, ini tidak terjadi.

Sejumlah hipotesis arus utama tentang sifat materi gelap harus ditolak. Pengamatan yang beragam menunjukkan bahwa materi gelap ada, tetapi tampaknya, sesuatu selain partikel dalam Model Standar membentuknya.

Fisikawan karenanya harus mempertimbangkan opsi lebih lanjut yang lebih kompleks. Model Standar perlu diperpanjang. Di antara kandidat untuk dimasukkan adalah partikel hipotetis yang mungkin memiliki massa dalam kisaran 100 hingga 10 kali massa elektron seperti aksial yang disebutkan di atas. Artinya, partikel berspekulasi terberat memiliki massa 40 kali lipat lebih besar dari pada yang paling ringan.

Salah satu model teoritis memperlakukan materi gelap sebagai terdiri dari partikel ultralight - seperti aksial, fokus dari bagian selanjutnya. Ini menawarkan penjelasan untuk banyak pengamatan astronomi. Namun, partikel seperti itu akan sangat ringan sehingga mereka akan berinteraksi sangat lemah dengan materi dan cahaya lain, membuat mereka sangat sulit untuk dipelajari. Jadi, para peneliti beralih ke pengamatan astronomi.

Sergey Troitsky, rekan penulis makalah dan kepala peneliti di Institute for Nuclear Research, Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, mengatakan: “Kita berbicara tentang partikel materi gelap yang 28 kali lipat lebih ringan daripada elektron. Gagasan ini sangat penting untuk model yang kami putuskan untuk diuji.

“Interaksi gravitasi itulah yang mengkhianati keberadaan materi gelap. Jika kita menjelaskan semua massa materi gelap yang diamati dalam hal partikel ultralight, itu berarti ada sejumlah besar dari mereka. Tetapi dengan partikel seringan ini, muncul pertanyaan: Bagaimana kita melindungi mereka dari memperoleh massa efektif karena koreksi kuantum? "

Perhitungan menunjukkan bahwa salah satu jawaban yang mungkin adalah partikel-partikel ini berinteraksi lemah dengan foton - yaitu, dengan radiasi elektromagnetik. Ini menawarkan cara yang jauh lebih mudah untuk mempelajarinya: dengan mengamati radiasi elektromagnetik di ruang angkasa.

Ketika jumlah partikel sangat tinggi, para peneliti dapat memperlakukan mereka sebagai bidang kepadatan tertentu yang menembus alam semesta. Bidang ini terombang-ambing secara koheren di atas domain yang berada pada urutan 100 parsec - sekitar 325 tahun cahaya - dalam ukuran.

Apa yang menentukan periode osilasi adalah massa partikel. Jika model yang dipertimbangkan oleh penulis benar, periode ini harus sekitar satu tahun. Ketika radiasi terpolarisasi melewati bidang seperti itu, bidang polarisasi radiasi berosilasi dengan periode yang sama. Jika perubahan berkala seperti ini benar-benar terjadi, pengamatan astronomi dapat mengungkapkannya. Dan panjang periode - satu tahun terestrial - sangat nyaman, karena banyak objek astronomi diamati selama beberapa tahun, yang cukup untuk perubahan polarisasi untuk memanifestasikan diri.

Penulis makalah ini menggunakan data dari teleskop radio berbasis bumi karena mereka kembali ke objek astronomi yang sama beberapa kali selama siklus pengamatan. Teleskop semacam itu dapat mengamati nukleus galaksi aktif jarak jauh - daerah plasma super panas yang dekat dengan pusat galaksi. Daerah ini memancarkan radiasi yang sangat terpolarisasi. Dengan mengamati mereka, seseorang dapat melacak perubahan sudut polarisasi selama beberapa tahun.

Troitsky melanjutkan: “Mula-mula tampak bahwa sinyal benda-benda astronomi individual memperlihatkan osilasi sinusoidal. Tetapi masalahnya adalah bahwa periode sinus harus ditentukan oleh massa partikel materi gelap, yang berarti harus sama untuk setiap objek. Ada 30 objek dalam sampel kami. Dan mungkin beberapa dari mereka terombang-ambing karena fisika internal mereka sendiri, tetapi bagaimanapun, periode tidak pernah sama.

"Ini berarti bahwa interaksi partikel ultralight kita dengan radiasi mungkin dibatasi. Kami tidak mengatakan partikel seperti itu tidak ada, tetapi kami telah menunjukkan bahwa mereka tidak berinteraksi dengan foton, memberikan batasan pada model yang tersedia yang menggambarkan komposisi materi gelap. "

Yuri Kovalev, rekan penulis studi dan direktur laboratorium di Institut Fisika dan Teknologi Moskow dan Institut Fisika Lebedev dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, sangat gembira dengan prospek tersebut.

Dia berkata: “Bayangkan betapa menariknya itu! Anda menghabiskan bertahun-tahun mempelajari quasar ketika fisikawan teoritis satu hari muncul, dan hasil pengukuran polarisasi resolusi sudut tinggi dan presisi kami tiba-tiba berguna untuk memahami sifat materi gelap. "

Di masa depan, tim berencana untuk mencari manifestasi dari partikel materi gelap yang lebih berat yang dihipotesiskan diajukan oleh model teoritis lainnya. Ini akan membutuhkan bekerja dalam rentang spektral yang berbeda dan menggunakan teknik observasi lainnya.

Menurut Troitsky, kendala pada model alternatif lebih ketat: “Saat ini, seluruh dunia terlibat dalam pencarian partikel materi gelap. Ini adalah salah satu misteri besar fisika partikel.

“Sampai hari ini, tidak ada model yang diterima sebagai disukai, dikembangkan lebih baik, atau lebih masuk akal sehubungan dengan data eksperimen yang tersedia. Kita harus menguji semuanya. Secara tidak nyaman, materi gelap adalah "gelap" dalam arti bahwa ia hampir tidak berinteraksi dengan apa pun, terutama dengan cahaya. "

Dalam beberapa skenario, itu bisa memiliki sedikit efek pada gelombang cahaya yang melewatinya. Tapi skenario lain memprediksi tidak ada interaksi sama sekali antara dunia kita dan materi gelap, selain yang dimediasi oleh gravitasi.

"Ini akan membuat partikelnya sangat sulit ditemukan," simpul Troitsky.

Meskipun demikian, kesulitan ini tidak membujuk tim yang dipimpin MIT untuk berhenti mencari dalam rentang massa tertentu.

Eksperimen materi gelap tidak menemukan bukti aksial

Fisikawan telah melakukan percobaan pertama untuk mendeteksi aksial - partikel hipotetis yang diprediksi merupakan partikel paling ringan di alam semesta. Jika mereka ada, axions akan benar-benar tidak terlihat, namun tidak terhindarkan - membentuk 85% dari massa alam semesta, dalam bentuk materi gelap.

Axion sangat tidak biasa karena mereka diharapkan untuk mengubah aturan listrik dan magnet pada level satu menit. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters, tim yang dipimpin MIT melaporkan bahwa pada bulan pertama pengamatan percobaan tidak menemukan tanda-tanda aksius dalam kisaran massa 0,31 hingga 8,3 nano elektron.

Ini berarti bahwa aksial dalam kisaran massa ini - setara dengan sekitar satu per sepuluh miliar massa proton - baik tidak ada atau mereka memiliki efek yang lebih kecil pada listrik dan magnet daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Lindley Winslow, penyelidik utama percobaan, mengatakan: “Ini adalah pertama kalinya seseorang melihat langsung ruang aksial ini.

“Kami senang bahwa sekarang kami dapat mengatakan,‘ Kami memiliki cara untuk mencari di sini, dan kami tahu bagaimana melakukan yang lebih baik! ’

Sementara mereka dianggap ada di mana-mana, aksial diprediksi hampir seperti hantu, hanya memiliki interaksi kecil dengan hal lain di alam semesta.

Winslow, Asisten Profesor Pengembangan Fisika Jerrold R. Zacharias Profesor Fisika di MIT, menambahkan: "Sebagai materi gelap, axion seharusnya tidak memengaruhi kehidupan sehari-hari Anda.

"Tapi mereka dianggap mempengaruhi hal-hal pada tingkat kosmologis, seperti perluasan alam semesta dan pembentukan galaksi yang kita lihat di langit malam."

Interpretasi seorang seniman terhadap sebuah magnetar di gugus bintang Westerlund 1 — di sekitar mana axion akan menunjukkan perilaku yang tidak biasa (ESO)

Karena interaksinya dengan elektromagnetisme, axion berteori untuk memiliki perilaku mengejutkan di sekitar magnetar - sejenis bintang neutron yang menghasilkan medan magnet yang sangat kuat. Jika ada aksial, mereka dapat mengeksploitasi medan magnet magnetar untuk mengubah diri mereka menjadi gelombang radio, yang dapat dideteksi dengan teleskop khusus di Bumi.

Pada tahun 2016, trio ahli teori MIT melakukan percobaan pemikiran untuk mendeteksi aksial, yang terinspirasi oleh magnetar. Eksperimen ini dijuluki ABRACADABRA, untuk Pendekatan Broadband / Resonan untuk Deteksi Aksion Kosmik dengan Aparat Cincin B-bidang Penguatan, dan dikandung oleh Thaler, yang merupakan profesor fisika dan peneliti di Laboratorium Ilmu Nuklir dan Pusat Fisika Teoretis, bersama dengan Benjamin Safdi, yang saat itu merupakan MIT Pappalardo Fellow, dan mantan mahasiswa pascasarjana Yonatan Kahn.

Tim mengusulkan desain untuk magnet kecil berbentuk donat yang disimpan di kulkas pada suhu tepat di atas nol mutlak. Tanpa axion, seharusnya tidak ada medan magnet di tengah donat, atau, seperti yang dikatakan Winslow, "di mana munchkin seharusnya berada." Namun, jika axions ada, detektor harus "melihat" medan magnet di tengah-tengah donat. donat

Setelah kelompok menerbitkan desain teoretis mereka, Winslow, seorang eksperimentalis, mulai mencari cara untuk benar-benar membangun eksperimen.

Dia berkata: "Kami ingin mencari sinyal suatu axion di mana, jika kami melihatnya, itu benar-benar axion.

“Itulah yang elegan tentang percobaan ini. Secara teknis, jika Anda melihat medan magnet ini, itu hanya bisa menjadi axion, karena geometri tertentu yang mereka pikirkan. ”

Ini adalah eksperimen yang menantang karena sinyal yang diharapkan kurang dari 20 atto-Tesla. Sebagai referensi, medan magnet Bumi adalah 30 mikro-Tesla dan gelombang otak manusia adalah 1 pico-Tesla.

Dalam membangun percobaan, Winslow dan rekan-rekannya harus bersaing dengan dua tantangan desain utama, yang pertama melibatkan kulkas yang digunakan untuk menjaga seluruh percobaan pada suhu sangat dingin. Kulkas termasuk sistem pompa mekanis yang aktivitasnya dapat menghasilkan getaran yang sangat kecil yang Winslow khawatir bisa menutupi sinyal aksial.

Tantangan kedua berkaitan dengan kebisingan di lingkungan, seperti dari stasiun radio terdekat, elektronik di seluruh gedung yang hidup dan mati, dan bahkan lampu LED pada komputer dan elektronik, yang semuanya dapat menghasilkan medan magnet yang bersaing.

Tim memecahkan masalah pertama dengan menggantung seluruh alat, menggunakan benang setipis benang gigi. Masalah kedua diselesaikan dengan kombinasi perisai superkonduktor dingin dan perisai hangat di sekitar bagian luar percobaan.

"Kami akhirnya bisa mengambil data, dan ada wilayah manis di mana kami berada di atas getaran lemari es, dan di bawah kebisingan lingkungan mungkin berasal dari tetangga kami, di mana kami bisa melakukan percobaan."

Para peneliti pertama kali menjalankan serangkaian tes untuk memastikan percobaan itu berhasil dan menunjukkan medan magnet secara akurat. Tes yang paling penting adalah injeksi medan magnet untuk mensimulasikan axion palsu, dan untuk melihat bahwa detektor percobaan menghasilkan sinyal yang diharapkan - menunjukkan bahwa jika axion nyata berinteraksi dengan percobaan, itu akan terdeteksi. Pada titik ini, percobaan sudah siap.

Winslow mengatakan: "Jika Anda mengambil data dan menjalankannya melalui program audio, Anda dapat mendengar suara yang dihasilkan lemari es

“Kami juga melihat suara-suara lain keluar dan masuk, dari seseorang di sebelah melakukan sesuatu, dan kemudian suara itu hilang. Dan ketika kita melihat sweet spot ini, itu tetap bersatu, kita mengerti bagaimana detektor bekerja, dan menjadi cukup tenang untuk mendengar aksial. "

Instalasi pertama ABRACADABRA-10cm dengan magnet berpelindung yang tergantung dari bagian bawah lemari es encer (Outlet [MIT])

Pada tahun 2018, tim ini menjalankan putaran pertama ABRACADABRA, secara terus menerus mengambil sampel antara bulan Juli dan Agustus. Setelah menganalisis data dari periode ini, mereka tidak menemukan bukti aksius dalam kisaran massa 0,31 hingga 8,3 nano elektron yang mengubah listrik dan magnet oleh lebih dari satu bagian dalam 10 miliar.

Eksperimen ini dirancang untuk mendeteksi aksial dari massa yang bahkan lebih kecil, hingga sekitar 1 femto electronvolts, serta axion sebesar 1 micro electronvolt.

Tim akan terus menjalankan percobaan saat ini, yang seukuran bola basket, untuk mencari aksi yang lebih kecil dan lebih lemah. Sementara itu, Winslow sedang dalam proses mencari tahu bagaimana meningkatkan percobaan, ke ukuran mobil kompak - dimensi yang dapat memungkinkan deteksi axion yang lebih lemah.

Winslow menyimpulkan: “Ada kemungkinan nyata dari penemuan besar pada tahap percobaan berikutnya.

“Yang memotivasi kami adalah kemungkinan melihat sesuatu yang akan mengubah lapangan. Ini adalah fisika berisiko tinggi, hadiah tinggi. "

Sumber

‘Galaxy Kedua Hilang Materi Gelap di NGC 1052 Group’ https://iopscience-iop-org.libezproxy.open.ac.uk/article/10.3847/2041-8213/ab0d92

‘Masalah yang Masih Hilang: KCWI Stellar Kinematics resolusi tinggi dari NGC1052-DF2’ https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e8c

'Membatasi penggandaan foton partikel seperti aksius materi gelap ultra-terang dengan variasi polarisasi jet skala parsec dalam galaksi aktif' https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2019/02/ 059 / meta

Results Hasil Pertama dari ABRACADABRA-10 cm: Pencarian untuk Sub-μeVAxion Dark Matter ’https://journals-aps-org.libezproxy.open.ac.uk/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.121802