Близько 25 років тому астрофізики помітили у Всесвіті щось дуже цікаве. Про те, що він перебував у стані розширення, було відомо з 1920-х років завдяки спостереженням Едвіна Хаббла. Але завдяки спостереженням, які астрономи робили з космічної обсерваторією, яка носила його ім’я ( Космічний телескоп Хаббл ), вони почали помічати, як швидкість космічного розширення стає все швидше!
Це призвело до теорії про те, що Всесвіт наповнений невидимою та таємничою силою, відомою як Темна енергія (DE). Через десятиліття після того, як це було запропоновано, вчені все ще намагаються визначити цю невловиму силу, яка становить близько 70% енергетичного бюджету Всесвіту. За словами а недавнє дослідження Міжнародною групою дослідників експеримент XENON1T, можливо, вже виявив цю невловиму силу, відкриваючи нові можливості для майбутніх досліджень DE.
Дослідження проводив доктор Санні Вагнозі, дослідник з Інститут космології Кавлі (KICC) у Кембриджському університеті та д-р Лука Вісінеллі, а Стипендія для інновацій (FELLINI) дослідник (який підтримується за підтримки Стипендія Марії Склодовської-Кюрі ) біля Національний інститут ядерної фізики (INFN) у Фраскаті, Італія. До них приєдналися дослідники з The Institute de Physique Theórique (IPhT), Кембриджського університету та Гавайського університету.
І DM, і DE є частиною Лямбда холодна темна матерія (LCDM) модель космології, яка стверджує, що Всесвіт наповнений холодними, повільно рухомими частинками (DM), які взаємодіють із нормальною матерією лише за допомогою сили тяжіння. Лямбда символізує DE, що прискорює розширення Всесвіту. Оскільки їх можна розпізнати лише шляхом спостереження за їх впливом на великомасштабну структуру Всесвіту, звичайне мислення стверджує, що жодна сила не взаємодіє із нормальною матерією за допомогою електромагнетизму чи слабкої чи сильної ядерної сили.
Однак деякі теорії DM стверджують, що існує певний рівень взаємодії з видимою матерією, який дослідники активно перевіряють. Однак замість більшої кількості результатів випробувань астрофізики та космологи залишаються незрозумілими щодо того, як DE відповідає фізичним законам, які керують Всесвітом. Поки що кандидати включають модифікацію загальної теорії відносності Ейнштейна (GR), наявність нового поля або космологічної константи (CC). Як повідомив д-р Вісінеллі Universe Today електронною поштою:
«З цієї причини темна енергія, можливо, навіть загадковіша, ніж темна матерія. Ми бачимо вплив темної енергії за допомогою низки спостережень, починаючи з основоположної роботи над надновими 1А як стандартними свічками. Припускаючи, що темна енергія дійсно є полем, кванти, пов’язані з нею, були б надзвичайно легкими і несли б дуже мало енергії. Саме тому таким пошукам було присвячено дуже мало роботи».
Їхня робота заснована на новому дослідженні, яке виходить за рамки стандартної моделі космології LCDM і розглядає, що DE взаємодіє зі світлом, впливаючи на його властивості (тобто поляризацію, колір, напрямок). Однак ці взаємодії можуть бути предметом скринінгових механізмів, які не дозволяють локальним експериментам їх виявити. У цій моделі передбачається, що кванти темної енергії можуть утворюватися на Сонці.
Детектор XENON1T, показаний знизу. Авторство: XENOX Collaboration.
Як пояснив доктор Вагнозі, можливий зв’язок між скринінгом і темною енергією вперше прийшов до нього, коли одного дня він приймав душ:
«Я пам’ятаю, це було 20 червня, я приймав душ і розмірковував про сонячні аксіони (не) пояснюючи КСЕНОН, і я зрозумів, що очевидним виходом є скринінг, оскільки він припиняє виробництво в більш щільних зірках. Скринінг зазвичай пов’язують з моделями темної енергії та/або модифікованої гравітації, і був «клацання».'
'Я відразу ж написав Луку в Whatsap, і ми одразу почали працювати над цим (і зв’язалися з іншими нашими співавторами, які є експертами з екранованих моделей темної енергії/модифікованої гравітації)».
Заради свого дослідження команда на чолі з доктором Вагнозі та доктором Вісінеллі розглянула дані, опубліковані Співпраця XENON , дослідницька група DM, що складається з 135 дослідників з 22 установ по всьому світу. В основі їхнього експерименту лежить детектор ультрачистого рідкого ксенону вагою 3500 кг (7715 фунтів), розташований у 10-метровому резервуарі для води. Знаходиться в INFN Національні лабораторії Гран-Сассо , КСЕНОН також є найбільш чутливим експериментом з темною матерією (DM), коли-небудь проведеним.
У 2020 році Collaboration опублікувала результати свого експериментального запуску (2016–2018), які показали несподівану швидкість віддачі електронів. За даними співробітництва, це не було виявленням DM, але можна було пояснити крихітною залишковою кількістю тритію в експерименті, існуванням нової частинки (наприклад, сонячного аксіона) або незрозумілою властивістю нейтрино.
Верхній масив PMT з усіма електричними кабелями. Авторство: XENON Dark Matter Project
Однак заради їхнього дослідження команда під керівництвом Вагнозі та Вісінеллі припустила, що це, можливо, було першим прямим виявленням DE. Вагнозі сказав:
«У нашій моделі темна енергія володіє особливими властивостями: її масовий член пов’язаний з щільністю середовища, так що більш щільні матеріали захищають вплив темної енергії, тоді як більш світле середовище, таке як міжгалактичний простір, дозволить далеку дистанцію. темної енергії.
«У цій моделі під назвою «хамелеон» кванти темної енергії виробляються в області Сонця, в якій електромагнітне поле є найсильнішим, тахоклін, який є областю, в якій транспорт енергії всередині Сонця переходить від радіаційного. до конвективним. Висока щільність енергії в електромагнітному випромінюванні в цьому регіоні забезпечує міцне зв’язок з полем хамелеона і його утворення».
Якщо це правда, це означатиме, що експерименти в усьому світі, які зараз спрямовані на дослідження темної матерії, також можуть бути присвячені полюванню на темну енергію. З цією метою д-р Вагнозі та д-р Візінеллі сподіваються, що це дослідження викличе інтерес до моделей частинок DE і що пошук цих невловимих частинок може здійснюватися паралельно з поточним пошуком DM. Якщо нічого іншого, ці експерименти перевірять теорії про DE, які виходять за межі моделі LCDM, допомагаючи вченим звузити список кандидатів. Доктор Вісінеллі сказав:
«Багато інших експериментів, розроблених для темної матерії, також можуть містити інформацію про цих хамелеонів, і ми сподіваємося, що буде передбачено розробку майбутніх установок для цих пошуків. Також знадобиться незалежний тест з використанням космологічних даних, які перехрещуються з передбаченнями моделі хамелеона. Що стосується нас, то ми плануємо уточнити обчислення в нашій статті за допомогою сонячної моделі, вивчити виробництво хамелеонів у масивних зірках і зв’язатися з експериментаторами для отримання оновлень».
Моделювання Illustris, що показує розподіл темної матерії в 350 мільйонів на 300 000 світлових років. Галактики показані у вигляді білих точок високої щільності (ліворуч) і нормальної баріонної матерії (праворуч). Авторство: Маркус Хайдер/Illustris
В останній папір , д-р Вагнозі та доктор Візінеллі провели дослідження, щоб вивчити, чи може чисте пружне розсіювання між темною енергією та баріонною (він же нормальною) матерією залишати видимий відбиток у космологічних спостереженнях. Вони визначили, що це малоймовірно, принаймні, якщо застосовувати до спостережень, які чутливі до лінійної еволюції космічної структури, таких як космічний мікрохвильовий фон (CMB) і кластеризація великомасштабної структури на лінійному рівні.
Однак доктор Вагнозі також працює з доктором філософії. студентом у Мюнхені, щоб розширити це дослідження та передбачити наслідки, які матиме взаємодія DE із нормальною матерією. Зокрема, вони хочуть вивчити вплив, який це матиме на нелінійну кластеризацію великомасштабної структури Всесвіту, а також на структуру галактик і скупчень галактик. У поєднанні з масштабними дослідженнями, які отримають користь від телескопів наступного покоління в найближчі роки, астрономи та космологи можуть бути на порозі сяяти світлом на «Темний Всесвіт»!
Подальше читання: Фізичний огляд Д