Để khám phá vật chất tối, bạn cần quan sát trung tâm của Thiên hà • Maria Kirsanova • Tin tức khoa học về “Yếu tố” • Thiên văn học

Để phát hiện vật chất tối, người ta phải quan sát trung tâm của thiên hà.

Hình 1. Vật chất tối xung quanh các thiên hà có lẽ là một tập hợp các kích cỡ và khối lượng khác nhau (kích thước và khối lượng tối thiểu được thực hiện ngày hôm nay trong các phép tính – từ 120 parsec và 1712 khối lượng của Mặt trời, tương ứng, tối đa – hàng trăm nghìn lần). Ở trung tâm của bức tranh là cục máu đông lớn nhất xung quanh thiên hà. Các cục máu đông trông sáng, nhưng đây chỉ là những màu nhân tạo được sử dụng để hình dung các kết quả; trong thực tế, không tìm thấy bức xạ từ vật chất tối bí ẩn. Con số này được thực hiện theo kết quả tính toán trên một siêu máy tính trong khuôn khổ của dự án Aquarius. Hình ảnh từ www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Nhóm các nhà vật lí Châu Âu kết hợp (như một phần của Dự án Aquarius, Dự án Aquarius) thu được ước tính độ sáng có thể của bức xạ gamma phát sinh từ sự hủy diệt các hạt vật chất tối trong thiên hà của chúng ta. Các nhà khoa học cho rằng bức xạ rải rác từ quầng tối của Galaxy sẽ sáng hơn nhiều so với nhiều chùm vật chất tối khác nhau. Kết quả của tác phẩm này được công bố trên số ra mới nhất của tạp chí. Thiên nhiên.

Tất nhiên, vật chất tối không tỏa sáng trong vật thể nhìn thấy được, hoặc trong bất kỳ phạm vi quang phổ nào khác. Trong mọi trường hợp, điều này vẫn chưa được phát hiện.Bản chất của vật chất tối – dạng mà trong đó phần lớn vật chất trong vũ trụ được chứa – vẫn còn là một bí ẩn đối với các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ. Người ta tin rằng nó có thể bao gồm các hạt có bản chất không rõ – wimps (từ tiếng Anh. WIMP, hạt tương tác yếu), giữa chúng không có tương tác điện từ: chúng không phát ra các photon, và chúng ta không thể thấy trực tiếp các hạt này. Khái niệm hạt WIMP cho thấy chúng có thể được phát hiện gián tiếp – theo quan sát bức xạ gamma, xảy ra trong quá trình hủy diệt các hạt và phản hạt. Vì không ai quan sát các hạt vật chất tối và các hạt phản vật chất, nó không được biết một cách đáng tin cậy cho dù chúng có thể tiêu diệt, do đó, các quan sát được thực hiện để kiểm tra lý thuyết và giả định.

Các nhà khoa học châu Âu dưới sự lãnh đạo của Volker Springel đã sử dụng một mô hình máy tính vật chất tối để trình bày dữ liệu về phân bố bức xạ gamma trong không gian sẽ nhận được kính viễn vọng không gian, đặc biệt là kính thiên văn. E. Fermi, Kính viễn vọng Không gian Gamma Fermi (gần đây được gọi là kính viễn vọng GLAST, Kính viễn vọng Không gian Khu vực rộng lớn của Tia Gamma). Các mô hình máy tính mà họ sử dụng được tạo ra bởi sự kết hợp của các nhà khoa học "Aquarius" từ Viện Vật lý thiên văn.Max Planck ở Garching (Đức) và Viện Vũ trụ học tính toán tại Durham (Vương quốc Anh). Hiệp hội này đã thu hút những người tham gia dự án Virgo và Millenium Project, cũng thực hiện mô phỏng máy tính của các thiên hà và các cụm nghiên cứu vũ trụ học của họ. Kết quả của một trong các biến thể được tính toán của mô hình này được thể hiện trong hình. 1.

Nhóm Springel đã sử dụng cấu trúc phân cấp của các cục máu đông – kích thước và nồng độ trung bình của chúng thu được trong mô hình để tiến hành đánh giá. Họ lấy một vị trí trừu tượng nhất định trong không gian liên kết với bất kỳ bó nào trong miền tính toán của mô hình, và tính toán độ sáng trong phạm vi gamma từ bó này. Các nhà khoa học đã quan tâm đến những photon đó, có lẽ, được sinh ra như là kết quả của sự hủy diệt các hạt và các hạt phản vật chất tối. Về mặt lý thuyết, bức xạ gamma này phải chứa bốn thành phần. Đầu tiên là ánh sáng khuếch tán từ quầng tối trực tiếp xung quanh thiên hà (trung tâm của Hình 1, cái gọi là "hào quang chính"). Thứ hai là ánh sáng khuếch tán từ các chùm có kích thước nhỏ hơn, quầng phụ. Thứ ba là ánh sáng từ các cụm thậm chí nhỏ hơn được chứa trong quầng sáng.Và cuối cùng, thành phần thứ tư là ánh sáng của các chùm nhỏ quá nhỏ đến mức không thể tính đến từng mô hình riêng biệt trong mô hình, nhưng bạn chỉ có thể tính đến tổng đóng góp của chúng đối với bức xạ gamma từ vật chất tối.

Hình 2 Sự phân bố độ sáng của bức xạ gamma được tạo ra bởi sự hủy diệt các hạt vật chất tối trên bầu trời. Trung tâm của bức tranh tương ứng với hướng đến trung tâm của Thiên hà (nằm trong chòm sao Nhân Mã). Hình ảnh được xây dựng giống như các kính thiên văn trên mặt đất hoặc quỹ đạo nhìn lên bầu trời và nhìn thấy bức xạ gamma liên quan đến sự hủy diệt các hạt WIMP. Hình ảnh từ www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Trong hình. 2 cho thấy độ sáng tối đa của bức xạ gamma sẽ được phát hiện theo hướng trung tâm của Galaxy, trong khi ở phần còn lại của bầu trời chỉ có các đỉnh nhỏ của độ sáng gamma riêng lẻ sẽ được tìm thấy. Sự đóng góp của từng thành phần trong bốn thành phần của mô hình được trình bày dưới đây. Bức xạ của quầng chính, lớn nhất về khối lượng và kích thước, sẽ được phân bố trên toàn bộ bầu trời, độ sáng của nó sẽ giảm dần với khoảng cách từ trung tâm thiên hà (Hình 3a). Bức xạ từ các chùm nhỏ hơn (các thành phần thứ hai và thứ ba), thường là nhiều hơn nữa so với quầng và do đó kháphân bố đều trên bầu trời, thể hiện trong hình. 3b. Nó sẽ trông giống như một nền đường đua mà không có một trung tâm được đánh dấu rõ ràng. Bức xạ từ thành phần thứ tư – các chùm nhỏ nhất – được thể hiện trong hình. 3c. Nó thậm chí còn ít sáng và sẽ cung cấp một nền tảng thống nhất.

Hình 3 Bốn thành phần của bức xạ gamma phát sinh từ sự hủy diệt các hạt vật chất tối: một – bức xạ của quầng chính, b – bức xạ từ các chùm vật chất tối nhỏ hơn (nền lưới không có trung tâm chuyên dụng), trong – bức xạ từ các chùm nhỏ nhất (nền đồng nhất). Độ sáng của tất cả các thành phần được hiển thị trong cùng một đơn vị (tương đối). Để xây dựng những hình ảnh này, khoảng cách thực tế giữa Mặt trời và trung tâm của Thiên hà đã được sử dụng – 8 nghìn parsec. Hình ảnh từ www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Kết quả của nhóm Springel cũng có thể đưa ra các ước lượng định lượng trước khi tiến hành quan sát. Đầu tiên, độ sáng tiêu biểu của bức xạ phụ quầng liên quan đến nền (và nền bao gồm tất cả bốn thành phần) sẽ không vượt quá 10% tỷ lệ độ sáng của quầng chính cho nền. Điều này có nghĩa là sẽ khó phát hiện sub-halos hơn và sẽ mất nhiều thời gian hơn để có được hình ảnh chất lượng cao. Sẽ khó khăn hơn khi tìm thấy những chùm nhỏ hơn.Người ta cho rằng khối lượng hào quang điển hình sẽ nhỏ hơn khối lượng của các vệ tinh thiên hà đã biết của Dải Ngân hà (ví dụ, các đám mây Magellanic). Ở khoảng cách khoảng 10 giây góc cạnh từ trung tâm của sub-halos điển hình, độ sáng của chúng sẽ giảm hai lần và kính thiên văn Fermi sẽ không thể phát hiện chúng. Thông lượng của bức xạ gamma từ tiểu quầng và cục máu đông nhỏ hơn từ mười nghìn đến một triệu lần thấp hơn dòng từ quầng chính. Và tất cả điều này mặc dù thực tế rằng quầng sáng gần nhất có thể được đặt ở khoảng cách chỉ vài nghìn parsec từ trung tâm của Galaxy.

Để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, Springel và cộng sự Ước tính độ sáng của bức xạ gamma dựa trên một số mô hình máy tính của vật chất tối xung quanh Galaxy. Các mô hình này chứa một số điểm biểu tượng khác nhau với tổng khối lượng vật chất tối không đổi; ở những điểm có ít điểm hơn, không thể mô tả hành vi của vật chất tối với những chi tiết như trong những điểm có chứa nhiều điểm hơn. Mặt khác, mô hình càng chi tiết, thì càng mất nhiều thời gian để chờ siêu máy tính đối phó với các phép tính (theo thứ tự vài tuần).Do thực tế rằng các kết quả xác nhận và bổ sung được thu được trong các mô hình với số điểm khác nhau, các tác giả tin tưởng rằng kính viễn vọng gamma sẽ thấy chính xác những gì được mô tả trong bài báo.

Tất nhiên, không ai biết chính xác cách bức xạ gamma kết hợp với vật chất tối nên nhìn như thế nào. Khối lượng của các hạt WIMP, theo quan điểm được chấp nhận chung giữa các nhà khoa học, nên tương ứng với năng lượng của hàng trăm GeV. Do đó, các quan sát trong dải quang phổ năng lượng cao này là ưu tiên cao nhất cho những người đang nghiên cứu mầu nhiệm vật chất tối. Sau khi thu thập được dữ liệu chất lượng cao, các nhà khoa học sẽ “trừ” từ phổ thu được sự đóng góp của các nguồn bức xạ gamma đã được biết, và phần còn lại sẽ được phân tích để kết hợp với vật chất tối. Nếu bức xạ bổ sung được phân bố trên bầu trời theo cách mà Springer và các cộng tác viên của ông cho thấy, đây sẽ là một lý lẽ ủng hộ thực tế là bức xạ có liên quan đến sự hủy diệt các hạt WIMP.

Ở đầu đối diện của phổ điện từ, trong dải radio, trongMột khu phố có đường kính 20 độ xung quanh trung tâm thiên hà đã được tìm thấy một bức xạ vi sóng bất thường ở tần số 22 GHz, thu được trong thí nghiệm WMAP (thí nghiệm nghiên cứu bức xạ vi sóng vũ trụ, Wilkinson Microware Anisotropy Probe) – "WMAP Haze" (WMAP-haze) . Quang phổ của nó trông giống như bức xạ synchrotron của các electron và positron năng lượng cao, nhưng nó có tần số quá cao (hoặc tương đương, năng lượng quá cao) cho nguồn gốc của nó được giải thích trên cơ sở các hiện tượng được biết đến với các nhà vật lý thiên văn. Tăng tốc trong sóng xung kích từ siêu tân tinh, sự kết hợp với các vụ nổ tia gamma và một số tùy chọn khác không phù hợp.

Phát hiện WMAP-haze là con đường tương tự sẽ là chính khi tìm kiếm bức xạ gamma kết hợp với vật chất tối. Tổng độ chói của bức xạ synchrotron trong phạm vi vi sóng, bức xạ của các hạt tích điện trong phổ liên tục (bức xạ tự do không liên quan đến chuyển tiếp electron giữa các mức nguyên tử), phát xạ bụi và cuối cùng, nền vi sóng vũ trụ sẽ tạo ra một ảnh thu được bằng WMAP, nhưng chúng chứa hãy tưởng tượng một thành phần bổ sung, giải thích về nó vẫn không có sẵn.Thủ tục "trừ" trong phạm vi gamma sẽ giống nhau: tất cả các nguồn bức xạ trong phạm vi gamma (ví dụ, tàn dư của vụ nổ siêu tân tinh, bức xạ từ đĩa bồi xung quanh lỗ đen siêu lớn) phải, trong sai sót, tạo ra một hình ảnh thu được bằng kính viễn vọng cho họ. Fermi, nếu sự đóng góp liên quan đến vật chất tối, không.

Và trong thí nghiệm PAMELA, đăng ký các hạt của tia vũ trụ và đặc biệt nghiên cứu dòng phản hạt (positron, phản proton) trong một phạm vi năng lượng rộng, một tỷ lệ cao bất ngờ về số lượng positron đối với các electron ở năng lượng cao được tìm thấy. Sự vượt trội của các phản hạt này cũng có thể liên quan đến sự đóng góp từ sự hủy diệt các hạt vật chất tối. Và trong vấn đề này kính viễn vọng chúng. Fermi cũng có thể mang lại một số rõ ràng, vì sự hủy diệt của các hạt vật chất tối không chỉ cho các positron mà còn cho cả lượng tử gamma.

Vì vậy, mặc dù vật chất tối vẫn chưa được phát hiện, cộng đồng các nhà vật lí và thiên văn học đã hình thành ý kiến ​​rằng thời đại của việc khám phá bản chất của vật chất tối bắt đầu chính xác trong thời đại của chúng ta. Quan điểm này liên quan đến việc vận hành Máy Va chạm Hadron Lớn và sự ra mắt của đài quan sát không gian NASA tiếp theo – chúng. Fermi.Độ nhạy của kính thiên văn này (khả năng nhận tín hiệu yếu) và độ phân giải góc (khả năng phân biệt các vật thể xa và nhỏ) trong phạm vi từ 20 MeV đến 300 GeV sẽ cho phép các nhà thiên văn phát hiện bức xạ gamma kèm theo sự hủy diệt các hạt vật chất tối và khám phá khoa học.

Hình 4 Hình ảnh bầu trời trong phạm vi gamma, thu được trên cơ sở dữ liệu quan sát từ kính thiên văn. Fermi. Nếu sự đóng góp gián tiếp của vật chất tối vào bức xạ này được phát hiện, thì, theo kết quả của nhóm Springel, sự đóng góp này sẽ giống như hình. 2. Hình ảnh được lấy từ kho lưu trữ của kính viễn vọng. Fermi. Ở trung tâm của hình ảnh – hướng của trung tâm của thiên hà. Hình ảnh của bầu trời trong các tia gamma được chụp bởi các kính viễn vọng khác và trong các khoảng tần số khác có thể được xem tại đây.

Một cuộc khảo sát sơ bộ về bầu trời "Fermi" đã được tiến hành, kết quả của nó được thể hiện trong hình. 4. Tôi phải nói rằng vệ tinh này chỉ mất 4 ngày, mặc dù tại kính thiên văn gamma EGRET trước đó, việc xem xét này yêu cầu cả năm quan sát. Vì vậy, các nhà khoa học hy vọng rất nhiều về Fermi.

Nguồn: V. Springel, S. D. M. White, C. S. Frenk, J. F. Navarro, A. Jenkins, M. Vogelsberger, J. Wang, A.Ludlow, A. Helmi. Triển vọng phát hiện vật chất tối siêu đối xứng trong quầng Galactic // Thiên nhiên. V. 456. P. 73-76 (6/11/2008).

Maria Kirsanova


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: