Tin tức

Đến gần để điều tra Dark Matter

Đến gần để điều tra Dark Matter

Theo phần lớn các nhà khoa học, Vũ trụ của chúng ta bao gồm khoảng 1/4 vật chất tối. Tất nhiên đây là một giả thuyết và không phải là một cái gì đó đã được chứng minh.

Không thể nhìn thấy vật chất tối, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy sự giao thoa của nó với vật chất nhìn thấy bao quanh vật chất tối. Để biết định nghĩa về vật chất tối, bạn có thể đọc chi tiết đầy đủ tại đây.

Giáo sư Samuel Ting và nhóm nghiên cứu của ông đã tìm ra những gì có thể là dấu vết đầu tiên của ‘thức ăn thừa’ của Dark Matter. Họ đã đạt được điều đó bằng cách sử dụng Quang phổ kế từ tính (AMS), một công cụ chính xác để phát hiện các hạt. Quang phổ kế hiện đang được đặt trên Trạm vũ trụ quốc tế.

Nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để kết luận xem các phép đo có thực sự liên quan đến Vật chất tối hay loại bức xạ điện từ khác do các pulsar hoặc các ngôi sao phát ra hay không.

Bạn có thể đọc thêm ở đây.


    Tranh cãi về việc sử dụng thỏi La Mã để điều tra vật chất tối, neutrino

    Các đặc tính của những viên gạch chì này được thu hồi từ những con tàu đắm cổ rất lý tưởng cho các thí nghiệm vật lý hạt. Các nhà khoa học từ dự án phát hiện vật chất tối CDMS ở Minnesota (Mỹ) và từ đài quan sát hạt neutrino CUORE tại Phòng thí nghiệm Gran Sasso ở Ý đã bắt đầu sử dụng chúng, nhưng các nhà khảo cổ đã lên tiếng báo động về sự tàn phá và buôn bán di sản văn hóa đằng sau việc này.

    Hai nghìn năm trước, một con tàu La Mã với những thỏi chì chiết xuất từ ​​Sierra của Cartagena đã bị chìm trên vùng biển từ bờ biển Sardinia. Kể từ năm 2011, hơn một trăm thỏi trong số này đã được sử dụng để xây dựng 'Đài quan sát ngầm lạnh cho các sự kiện hiếm gặp' (CUORE), một máy dò tân tiến của neutrino - các hạt hạ nguyên tử gần như không trọng lượng - tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Gran Sasso ở Ý.

    Vào thế kỷ 18, một con tàu khác chất đầy chì đã bị đắm ở bờ biển Pháp. Một công ty săn tìm kho báu đã lấy được vật liệu này và mặc dù có vấn đề với chính quyền Pháp, họ vẫn bán được nó cho nhóm Tìm kiếm Vật chất Bóng tối Cryogenic (CDMS). Máy dò này nằm trong một mỏ ở Minnesota (Mỹ) nhằm tìm kiếm các dấu hiệu của vật chất tối bí ẩn, được cho là cấu thành một phần tư vũ trụ.

    Hai ví dụ này là tài liệu tham khảo cho cuộc thảo luận mà hai nhà nghiên cứu đã mở ra giữa các nhà khảo cổ học, lo lắng về sự phá hủy di sản văn hóa dưới nước và các nhà vật lý hạt, vui mừng khi đã tìm thấy một vật liệu độc đáo để nghiên cứu về hạt neutrino và vật chất tối.

    Như Elena Perez-Alvaro từ Đại học Birmingham giải thích: "Chì La Mã rất cần thiết để tiến hành các thí nghiệm này vì nó mang lại độ tinh khiết và mức độ phóng xạ thấp - càng lâu thì nó càng ở dưới nước - phương pháp hiện tại để sản xuất kim loại này không thể đạt tới. "

    Nhà vật lý Fernando Gonz & aacutelez Zalba từ Đại học Cambridge cho biết thêm: “Chì được chiết xuất ngày nay bị ô nhiễm tự nhiên với đồng vị Pb-210, khiến nó không thể được sử dụng làm vật che chắn cho các máy dò hạt”.

    Hai nhà nghiên cứu đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí 'Rosetta', cũng được bình luận vào tháng này trên tạp chí 'Science', trong đó đặt ra một tình huống tiến thoái lưỡng nan: Chúng ta có nên hy sinh một phần di sản văn hóa của mình để đạt được nhiều kiến ​​thức hơn về vũ trụ và nguồn gốc của loài người? Chúng ta có nên nhường một phần quá khứ của mình để khám phá thêm về tương lai của chúng ta không?

    Perez-Alvaro nhận xét: “Các nhà khảo cổ học dưới nước coi việc phá hủy di sản là đánh mất quá khứ, lịch sử của chúng ta, trong khi các nhà vật lý hỗ trợ nghiên cứu cơ bản để tìm kiếm câu trả lời mà chúng ta chưa có”, mặc dù điều này đã dẫn đến những tình huống chẳng hạn , các công ty tư nhân như Odyssey thương mại chì thu hồi từ những con tàu bị chìm. " Đây là công ty đã phải trả lại kho báu của khinh hạm Nuestra Se & ntildeora de las Mercedes cho Tây Ban Nha.

    Đối thoại giữa các nhà khảo cổ học dưới nước và các nhà vật lý hạt

    Nhà khảo cổ học dưới nước và nhà vật lý học đang khuyến khích đối thoại giữa cả hai tập thể, cũng như xây dựng luật pháp điều chỉnh các loại hoạt động này, không giới hạn chúng chỉ dành riêng cho các nhà khảo cổ học và bao gồm cả các nhà khoa học. Các nhà khoa học nhấn mạnh: "Phục hồi kiến ​​thức trong cả hai lĩnh vực, và không chỉ vì lý do thương mại".

    Ban giám khảo vẫn ra. Ví dụ, trong trường hợp máy dò CUORE, về nguyên tắc, chì từ các thỏi La Mã được bảo quản kém nhất được sử dụng, mặc dù các chữ khắc của chúng đã được cắt và bảo quản. Một số nhà khảo cổ học cũng gợi ý rằng có những mảnh kim loại có giá trị khác, chẳng hạn như mỏ neo, vòng hoặc dây buộc để đánh cá mà chúng ta nên đánh giá xem có nên "hy sinh vì khoa học" hay không. Vấn đề là chúng được bảo vệ bởi Công ước năm 2001 của UNESCO về bảo vệ di sản văn hóa dưới nước nếu chúng đã ở dưới nước hơn 10 năm và Công ước 2003 về bảo vệ di sản văn hóa phi vật thể.

    Về thói quen sử dụng mà người La Mã làm bằng những thỏi này, P & eacuterez & Aacutelvaro chỉ ra rằng có nhiều giả thuyết, "nhưng chúng thường được sử dụng làm vật liệu chịu nước cho đường ống, bể nước hoặc mái nhà, cũng như trong sản xuất vũ khí và đạn dược. "

    Một trường hợp đặc biệt là những viên gạch chì lớn được thu hồi từ con tàu lớn nhất của La Mã khai quật ở Địa Trung Hải, xác tàu Bou Ferrer, bị chìm rất gần cảng La Vila Joiosa (Alicante). Một loạt bản khắc cho phép các chuyên gia xác định rằng chủ nhân của chúng chính là Hoàng đế của La Mã, có thể là Caligula, Claudius hoặc Nero.


    Đến gần để điều tra Dark Matter - Lịch sử

    Là một nhà vật lý hạt, tôi nghiên cứu các hạt cơ bản và cách chúng tương tác ở mức cơ bản nhất. Trong phần lớn sự nghiệp nghiên cứu của mình, tôi đã sử dụng các máy gia tốc, chẳng hạn như máy gia tốc electron tại Đại học Stanford, để nghiên cứu mọi thứ ở quy mô nhỏ nhất. Nhưng gần đây, tôi đã chuyển sự chú ý của mình sang vũ trụ ở quy mô lớn nhất. Bởi vì, như tôi sẽ giải thích cho bạn, các câu hỏi ở quy mô nhỏ nhất và quy mô lớn nhất thực sự rất liên kết với nhau. Vì vậy, tôi sẽ kể cho bạn nghe về quan điểm của thế kỷ XXI về vũ trụ, cấu tạo của nó và những câu hỏi lớn trong khoa học vật lý là gì - ít nhất là một số câu hỏi lớn.

    Vì vậy, gần đây, chúng ta đã nhận ra rằng vật chất bình thường trong vũ trụ - và vật chất bình thường, ý tôi là bạn, tôi, các hành tinh, các ngôi sao, các thiên hà - vật chất bình thường chỉ chiếm một vài phần trăm nội dung của vũ trụ. . Gần một phần tư, hoặc khoảng một phần tư vật chất trong vũ trụ, là những thứ không nhìn thấy được. Bởi vô hình, ý tôi là nó không hấp thụ trong quang phổ điện từ. Nó không phát ra trong quang phổ điện từ. Nó không phản ánh. Nó không tương tác với phổ điện từ, là phổ mà chúng ta sử dụng để phát hiện mọi thứ. Nó không tương tác gì cả. Vậy làm cách nào chúng ta biết được nó ở đó? Chúng tôi biết nó ở đó nhờ tác dụng hấp dẫn của nó. Trên thực tế, vật chất tối này chi phối các hiệu ứng hấp dẫn trong vũ trụ ở quy mô lớn và tôi sẽ nói với bạn về bằng chứng cho điều đó.

    Còn phần còn lại của chiếc bánh thì sao? Phần còn lại của chiếc bánh là một chất rất bí ẩn được gọi là năng lượng tối. Thêm về điều đó sau, OK. Vì vậy, bây giờ, chúng ta hãy chuyển sang bằng chứng cho vật chất tối. Trong các thiên hà này, đặc biệt là trong một thiên hà xoắn ốc như thế này, phần lớn khối lượng của các ngôi sao tập trung ở giữa thiên hà. Khối lượng khổng lồ của tất cả các ngôi sao này giữ cho các ngôi sao ở trong quỹ đạo tròn trong thiên hà. Vì vậy, chúng ta có những ngôi sao này đi xung quanh thành những vòng tròn như thế này. Như bạn có thể tưởng tượng, ngay cả khi bạn biết vật lý, điều này sẽ là trực quan, OK - rằng những ngôi sao gần khối lượng hơn ở giữa sẽ quay với tốc độ cao hơn những ngôi sao ở xa hơn ở đây, OK.

    Vì vậy, những gì bạn mong đợi là nếu bạn đo tốc độ quỹ đạo của các ngôi sao, chúng sẽ chậm hơn ở các cạnh so với bên trong. Nói cách khác, nếu chúng tôi đo tốc độ dưới dạng hàm số của khoảng cách - đây là lần duy nhất tôi hiển thị một biểu đồ, OK - chúng tôi sẽ kỳ vọng rằng tốc độ sẽ giảm xuống khi khoảng cách từ trung tâm thiên hà tăng lên. Khi những phép đo đó được thực hiện, thay vào đó, những gì chúng tôi nhận thấy là tốc độ về cơ bản là không đổi, như một hàm của khoảng cách. Nếu nó không đổi, điều đó có nghĩa là các ngôi sao ở đây đang cảm nhận được tác động hấp dẫn của vật chất mà chúng ta không nhìn thấy. Trên thực tế, thiên hà này và mọi thiên hà khác dường như được nhúng trong một đám mây vật chất tối vô hình này. Và đám mây vật chất này có hình cầu hơn nhiều so với chính thiên hà, và nó trải dài trên một phạm vi rộng hơn nhiều so với thiên hà. Vì vậy, chúng tôi nhìn thấy thiên hà và khắc phục điều đó, nhưng nó thực sự là một đám mây vật chất tối chi phối cấu trúc và động lực học của thiên hà này.

    Bản thân các thiên hà không nằm rải rác một cách ngẫu nhiên trong không gian mà chúng có xu hướng tụ lại. Và đây là một ví dụ về một cụm rất nổi tiếng, cụm Coma. Và có hàng nghìn thiên hà trong cụm thiên hà này. Chúng là những thứ màu trắng, mờ, hình elip ở đây. Vì vậy, các cụm thiên hà này - chúng tôi chụp nhanh ngay bây giờ, chúng tôi chụp nhanh sau một thập kỷ, nó sẽ trông giống hệt nhau. Nhưng những thiên hà này thực sự đang di chuyển với tốc độ cực cao. Chúng đang di chuyển xung quanh trong giếng tiềm năng hấp dẫn của cụm này, OK. Vì vậy, tất cả các thiên hà này đều đang chuyển động. Chúng ta có thể đo tốc độ của các thiên hà này, vận tốc quỹ đạo của chúng và tìm ra khối lượng bao nhiêu trong cụm thiên hà này.

    Và một lần nữa, những gì chúng ta tìm thấy là ở đó có khối lượng lớn hơn nhiều so với những thiên hà mà chúng ta thấy. Hoặc nếu chúng ta nhìn vào các phần khác của quang phổ điện từ, chúng ta thấy rằng có rất nhiều khí trong cụm này. Nhưng điều đó cũng không thể giải thích cho khối lượng. Trên thực tế, ở đây dường như có khối lượng gấp khoảng mười lần ở dạng vật chất vô hình hoặc tối này so với ở vật chất thông thường, OK. Sẽ thật tuyệt nếu chúng ta có thể nhìn thấy vật chất tối này trực tiếp hơn một chút. Tôi chỉ đặt đốm màu xanh, lớn này ở đó, OK, để cố gắng nhắc bạn rằng nó ở đó. Chúng ta có thể nhìn thấy nó trực quan hơn không? Có, chúng tôi có thể.

    Và vì vậy, hãy để tôi hướng dẫn bạn cách chúng tôi có thể làm điều này. Vì vậy, đây là một người quan sát: nó có thể là một con mắt, nó có thể là một kính thiên văn. Và giả sử có một thiên hà ngoài kia trong vũ trụ. Chúng ta thấy thiên hà đó như thế nào? Một tia sáng rời khỏi thiên hà và đi xuyên qua vũ trụ có lẽ hàng tỷ năm trước khi nó đi vào kính thiên văn hoặc mắt của bạn. Bây giờ, làm thế nào để chúng ta suy ra thiên hà đang ở đâu? Chà, chúng ta suy luận nó theo hướng mà tia truyền đi khi nó đi vào mắt chúng ta, phải không? Chúng ta nói, tia sáng đến theo cách này thì thiên hà phải ở đó, OK. Bây giờ, giả sử tôi đặt vào giữa một cụm thiên hà - và đừng quên vật chất tối, OK. Bây giờ, nếu chúng ta xem xét một tia sáng khác, một tia sáng sẽ tắt như thế này, thì bây giờ chúng ta cần tính đến những gì Einstein đã dự đoán khi ông phát triển thuyết tương đối rộng. Và đó là trường hấp dẫn, do khối lượng, sẽ không chỉ làm lệch quỹ đạo của các hạt, mà còn làm chệch hướng ánh sáng.

    Vì vậy, tia sáng này sẽ không tiếp tục theo đường thẳng, mà sẽ bị bẻ cong và cuối cùng có thể đi vào mắt chúng ta. Người quan sát này sẽ nhìn thấy dải ngân hà ở đâu? Bạn có thể trả lời. Lên, phải không? Chúng tôi ngoại suy ngược lại và nói rằng thiên hà ở trên đây. Có tia sáng nào khác có thể chiếu vào mắt người quan sát từ thiên hà đó không? Vâng, tuyệt vời. Tôi thấy mọi người đi xuống như thế này. Vì vậy, một tia sáng có thể đi xuống, bị bẻ cong vào mắt người quan sát và người quan sát thấy một tia sáng ở đây.

    Bây giờ, hãy tính đến thực tế là chúng ta đang sống trong một vũ trụ ba chiều, OK, một không gian ba chiều. Có tia sáng nào khác có thể chiếu vào mắt không? Đúng! Các tia sẽ nằm trên một - tôi muốn nhìn thấy - vâng, trên một hình nón. Vì vậy, có toàn bộ tia sáng - các tia sáng trên một hình nón - tất cả sẽ bị bẻ cong bởi cụm đó và lọt vào mắt người quan sát. Nếu có một tia sáng hình nón chiếu vào mắt tôi, tôi nhìn thấy gì? Một vòng tròn, một chiếc nhẫn. Nó được gọi là vòng Einstein. Einstein đã dự đoán rằng, OK. Bây giờ, nó sẽ chỉ là một vòng hoàn hảo nếu nguồn, bộ làm lệch hướng và nhãn cầu, trong trường hợp này, tất cả đều nằm trên một đường thẳng hoàn hảo. Nếu chúng hơi lệch, chúng ta sẽ thấy một hình ảnh khác.

    Bây giờ, bạn có thể thực hiện một thử nghiệm tối nay trên quầy lễ tân, OK, để tìm ra hình ảnh đó sẽ như thế nào. Bởi vì hóa ra có một loại thấu kính mà chúng ta có thể nghĩ ra, có hình dạng phù hợp để tạo ra loại hiệu ứng này. Chúng tôi gọi đây là thấu kính hấp dẫn. Và đây là nhạc cụ của bạn, OK. (Cười lớn). Nhưng bỏ qua phần trên cùng. Đó là cơ sở mà tôi muốn bạn tập trung, OK. Vì vậy, thực ra, ở nhà, bất cứ khi nào chúng tôi làm vỡ ly rượu, tôi sẽ cất phần đáy, mang nó đến cửa hàng máy móc. Chúng tôi cạo nó đi, và tôi có một chút thấu kính hấp dẫn, OK. Vì vậy, nó đã có hình dạng phù hợp để tạo thấu kính. Và điều tiếp theo bạn cần làm trong thử nghiệm của mình là lấy một chiếc khăn ăn. Tôi lấy một tờ giấy vẽ đồ thị - Tôi là một nhà vật lý. (Cười) Vì vậy, một chiếc khăn ăn. Vẽ một thiên hà mô hình nhỏ ở giữa. Và bây giờ hãy đặt ống kính lên thiên hà, và những gì bạn sẽ thấy là bạn sẽ thấy một chiếc nhẫn, một chiếc nhẫn Einstein. Bây giờ, di chuyển phần đế sang một bên, và chiếc nhẫn sẽ chia thành các vòng cung, OK. Và bạn có thể đặt nó lên trên bất kỳ hình ảnh nào. Trên giấy kẻ ô vuông, bạn có thể thấy tất cả các đường kẻ trên giấy kẻ ô vuông đã bị bóp méo như thế nào. Và một lần nữa, đây là một loại mô hình chính xác về những gì xảy ra với thấu kính hấp dẫn.

    OK, vậy câu hỏi đặt ra là: chúng ta có nhìn thấy cái này trên bầu trời không? Chúng ta có nhìn thấy các vòng cung trên bầu trời khi chúng ta nhìn vào một cụm thiên hà không? Và câu trả lời là có. Và đây là hình ảnh từ Kính viễn vọng Không gian Hubble. Nhiều hình ảnh bạn đang thấy trước đó từ Kính viễn vọng Không gian Hubble. Trước hết, đối với các thiên hà hình dạng vàng - đó là các thiên hà trong cụm. Chúng là những thứ được nhúng trong biển vật chất tối đó đang gây ra sự bẻ cong của ánh sáng để gây ra những ảo ảnh quang học, hoặc ảo ảnh, trên thực tế, của các thiên hà nền. Vì vậy, những vệt mà bạn nhìn thấy, tất cả những vệt này, thực sự là hình ảnh bị bóp méo của các thiên hà ở xa hơn nhiều.

    Vì vậy, những gì chúng ta có thể làm là dựa trên mức độ biến dạng mà chúng ta thấy trong những hình ảnh đó, chúng ta có thể tính toán khối lượng phải có trong cụm này là bao nhiêu. Và nó là một khối lượng khổng lồ. Ngoài ra, bạn có thể biết bằng mắt, bằng cách nhìn vào điều này, rằng các vòng cung này không tập trung vào các thiên hà riêng lẻ. Chúng tập trung vào một số cấu trúc trải rộng hơn, và đó là vật chất tối mà trong đó cụm được nhúng vào, OK. Vì vậy, đây là cái gần nhất mà bạn có thể nhìn thấy ít nhất là ảnh hưởng của vật chất tối bằng mắt thường.

    Được rồi, vậy hãy xem xét nhanh để biết rằng bạn đang theo dõi. Vì vậy, bằng chứng mà chúng ta có được rằng một phần tư vũ trụ là vật chất tối - thứ hấp dẫn lực hấp dẫn này - là các thiên hà, tốc độ mà các ngôi sao quay quanh các thiên hà quá lớn, nó phải được nhúng trong vật chất tối. Tốc độ mà các thiên hà trong các cụm quay quanh quỹ đạo là quá lớn, nó phải được nhúng trong vật chất tối. Và chúng ta thấy những hiệu ứng thấu kính hấp dẫn này, những biến dạng này nói lên rằng, một lần nữa, các cụm được nhúng trong vật chất tối.

    VÂNG. Vì vậy, bây giờ, hãy chuyển sang năng lượng tối. Vì vậy, để hiểu bằng chứng về năng lượng tối, chúng ta cần thảo luận về một số điều mà Stephen Hawking đã đề cập trong phần trước. Và đó là thực tế là không gian tự nó đang mở rộng. Vì vậy, nếu chúng ta tưởng tượng một phần của vũ trụ vô tận của chúng ta - và vì vậy tôi đã đặt bốn thiên hà xoắn ốc xuống, OK - và tưởng tượng rằng bạn đặt một bộ thước dây xuống, vì vậy mọi đường trên đây tương ứng với một thước dây, ngang hoặc dọc , để đo lường mọi thứ đang ở đâu. Nếu bạn có thể làm được điều này, bạn sẽ thấy rằng với mỗi ngày trôi qua, mỗi năm trôi qua, mỗi tỷ năm trôi qua, OK, khoảng cách giữa các thiên hà ngày càng lớn hơn. Và không phải vì các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau trong không gian. Chúng không nhất thiết phải di chuyển trong không gian. Họ đang di chuyển ra xa nhau bởi vì bản thân không gian ngày càng lớn hơn, OK. Đó là ý nghĩa của sự giãn nở của vũ trụ hoặc không gian. Vì vậy, họ đang tiến xa hơn.

    Bây giờ, điều mà Stephen Hawking đề cập là sau vụ nổ Big Bang, không gian mở rộng với tốc độ rất nhanh. Nhưng bởi vì vật chất có lực hấp dẫn được nhúng trong không gian này, nó có xu hướng làm chậm sự giãn nở của không gian, OK. Vì vậy, sự mở rộng chậm lại theo thời gian. Vì vậy, trong thế kỷ trước, OK, mọi người đã tranh luận về việc liệu sự mở rộng không gian này sẽ tiếp tục mãi mãi liệu nó có chậm lại hay không, bạn biết đấy, sẽ chậm lại, nhưng cứ tiếp tục chậm lại và dừng lại, tiệm cận dừng lại hay chậm lại, dừng lại, và sau đó đảo ngược, vì vậy nó bắt đầu co lại. Vì vậy, hơn một thập kỷ trước, hai nhóm nhà vật lý và nhà thiên văn đã đặt ra để đo tốc độ giãn nở của không gian đang chậm lại, OK. Ngày nay, nó mở rộng ít hơn bao nhiêu, so với vài tỷ năm trước?

    Câu trả lời đáng ngạc nhiên cho câu hỏi này, OK, từ những thí nghiệm này, đó là không gian ngày nay đang mở rộng với tốc độ nhanh hơn so với vài tỷ năm trước, OK. Vì vậy, việc mở rộng không gian thực sự đang tăng tốc. Đây là một kết quả hoàn toàn đáng ngạc nhiên. Không có lập luận lý thuyết thuyết phục nào cho lý do tại sao điều này xảy ra, OK. Không ai dự đoán trước đây là thứ sẽ được tìm thấy. Nó trái ngược với những gì được mong đợi. Vì vậy, chúng tôi cần một cái gì đó để có thể giải thích điều đó. Hóa ra, trong toán học, bạn có thể đặt nó như một thuật ngữ là năng lượng, nhưng nó là một dạng năng lượng hoàn toàn khác với bất cứ thứ gì chúng ta từng thấy trước đây. Chúng tôi gọi nó là năng lượng tối, và nó có tác dụng làm cho không gian mở rộng. Nhưng chúng tôi không có động lực tốt để đặt nó vào đó vào thời điểm này, OK. Vì vậy, nó thực sự không giải thích được tại sao chúng ta cần đưa nó vào.

    Bây giờ, tại thời điểm này, điều tôi muốn thực sự nhấn mạnh với bạn, đó là, trước hết, vật chất tối và năng lượng tối là những thứ hoàn toàn khác nhau, OK. Thực sự có hai bí ẩn về thứ tạo nên phần lớn vũ trụ, và chúng có những tác động rất khác nhau. Vật chất tối, bởi vì nó hút hấp dẫn, nó có xu hướng khuyến khích sự phát triển của cấu trúc, OK. Vì vậy, các cụm thiên hà sẽ có xu hướng hình thành, do tất cả lực hấp dẫn này. Mặt khác, năng lượng tối đang tạo ra ngày càng nhiều không gian giữa các thiên hà, làm cho nó, lực hấp dẫn giữa chúng giảm đi, và do đó nó cản trở sự phát triển của cấu trúc. Vì vậy, bằng cách xem xét những thứ như cụm thiên hà, và cách chúng - mật độ số lượng, số lượng có như một hàm của thời gian - chúng ta có thể tìm hiểu về cách vật chất tối và năng lượng tối cạnh tranh với nhau trong cấu trúc hình thành.

    Về vật chất tối, tôi đã nói rằng chúng ta không có bất kỳ lập luận nào thực sự thuyết phục cho năng lượng tối. Chúng ta có gì cho vật chất tối không? Và câu trả lời là có. Chúng tôi có những ứng cử viên có động lực tốt cho vật chất tối. Bây giờ, ý tôi là gì bởi động cơ tốt? Ý tôi là chúng ta có những lý thuyết nhất quán về mặt toán học thực sự được đưa ra để giải thích một hiện tượng hoàn toàn khác, OK, những thứ mà tôi thậm chí chưa từng nói đến, mỗi lý thuyết dự đoán sự tồn tại của một hạt mới, tương tác rất yếu.

    Vì vậy, đây chính xác là những gì bạn muốn trong vật lý: nơi một dự đoán xuất phát từ một lý thuyết nhất quán về mặt toán học thực sự được phát triển cho một thứ khác. Nhưng chúng tôi không biết liệu một trong hai cái đó có thực sự là ứng cử viên vật chất tối hay không, OK. Một hoặc cả hai, ai biết được? Hoặc nó có thể là một cái gì đó hoàn toàn khác. Bây giờ, chúng tôi tìm kiếm những hạt vật chất tối này bởi vì xét cho cùng, chúng ở đây trong phòng, OK, và chúng đã không vào cửa. Họ chỉ đi qua bất cứ điều gì. Chúng có thể đi xuyên qua tòa nhà, xuyên qua Trái đất - chúng không tương tác với nhau.

    Vì vậy, một cách để tìm kiếm chúng là chế tạo các máy dò cực kỳ nhạy cảm với một hạt vật chất tối đi qua và va chạm với nó. Vì vậy, một tinh thể sẽ đổ chuông nếu điều đó xảy ra. Vì vậy, một trong những đồng nghiệp của tôi trên đường và các cộng sự của anh ấy đã chế tạo một máy dò như vậy. Và họ đã đặt nó xuống sâu trong một mỏ sắt ở Minnesota, OK, sâu dưới lòng đất, và trên thực tế, trong vài ngày qua đã công bố kết quả nhạy cảm nhất cho đến nay. Họ chưa nhìn thấy bất cứ thứ gì, OK, nhưng nó đặt giới hạn về khối lượng và cường độ tương tác của các hạt vật chất tối này là bao nhiêu. Sẽ có một kính thiên văn vệ tinh được phóng vào cuối năm nay và nó sẽ nhìn về phía giữa thiên hà, để xem liệu chúng ta có thể nhìn thấy các hạt vật chất tối tiêu diệt và tạo ra tia gamma có thể được phát hiện bằng cách này hay không. Máy Va chạm Hadron Lớn, một máy gia tốc vật lý hạt, mà chúng tôi sẽ bật vào cuối năm nay. Có khả năng là các hạt vật chất tối có thể được tạo ra tại Máy va chạm Hadron Lớn.

    Bây giờ, bởi vì chúng không tương tác, chúng sẽ thực sự thoát khỏi máy dò, vì vậy chữ ký của chúng sẽ bị thiếu năng lượng, OK. Thật không may, bây giờ có rất nhiều vật lý mới mà chữ ký của nó có thể bị thiếu năng lượng, vì vậy sẽ khó có thể phân biệt được sự khác biệt. Và cuối cùng, đối với những nỗ lực trong tương lai, có những kính thiên văn được thiết kế đặc biệt để giải quyết các câu hỏi về vật chất tối và năng lượng tối - kính thiên văn đặt trên mặt đất, và có ba kính thiên văn đặt trên không gian đang cạnh tranh ngay bây giờ để được đưa ra để khảo sát vật chất tối và năng lượng tối. Vì vậy, xét về những câu hỏi lớn: vật chất tối là gì? Năng lượng tối là gì? Những câu hỏi lớn mà vật lý phải đối mặt. Và tôi chắc chắn rằng bạn có rất nhiều câu hỏi, mà tôi rất mong được giải đáp trong 72 giờ tới, khi tôi ở đây. Cảm ơn bạn. (Vỗ tay)


    Người chơi chính

    Các nhà khoa học và kỹ sư người Anh sẽ đóng vai trò chủ chốt trong Euclid.

    Vương quốc Anh sẽ dẫn đầu việc sản xuất kính viễn vọng & máy ảnh kỹ thuật số quang học # x27s - một trong những máy ảnh lớn nhất từng được đưa vào không gian.

    Công cụ này sẽ tạo ra những bức ảnh về bầu trời lớn hơn 100 lần so với Hubble có thể. Điều này sẽ giảm thiểu số lượng & định dạng & quot hình ảnh cần thiết để xây dựng bản đồ Euclid & # x27s, giúp dễ dàng theo dõi một số hiệu ứng tinh vi mà các nhà thiên văn đang cố gắng phát hiện.

    Khi kết hợp các khoản đầu tư vào phần ngân sách Esa và công cụ hữu hình, tổng đóng góp của Vương quốc Anh & # x27s cho Euclid đạt hơn 100 triệu euro (80 triệu bảng Anh).


    Mơ thấy Vật chất Tối

    Trái: Khu vực vũ trụ của Segue 1 do Sloan Digital Sky Survey thực hiện. Phải: Segue 1, với 24 ngôi sao đã biết, của Maria Geha.

    Các ngôi sao luôn khiến chúng ta mê mẩn bởi vẻ đẹp của họ. Tuy nhiên, một nhóm nhỏ các thiên thể gần đây đã khơi dậy trí tưởng tượng của các nhà thiên văn và vật lý học vì một lý do kỳ lạ. Bằng cách sử dụng các phương pháp quan sát tiên tiến trong suốt thập kỷ qua, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm thiên hà quay quá nhanh so với trường hấp dẫn của chúng. Các ngôi sao bên trong chúng đang di chuyển nhanh hơn nhiều so với vận tốc thoát được tính từ vật chất phát sáng của chúng. Các thiên hà phải bay xa nhau theo đúng nghĩa đen.

    Nhận thức này đã khiến hầu hết các nhà vật lý kết hợp khái niệm “vật chất tối” vào lý thuyết của họ về vũ trụ. Dựa trên bằng chứng thiên văn học, vật chất tối sẽ lớn hơn vật chất thông thường trong vũ trụ khoảng 4,5-1 các thiên hà được đề cập ở trên theo lý thuyết là chứa đủ vật chất tối để cho phép chúng quay nhanh như chúng. Các hạt vật chất tối được cho là những hạt khối lượng lớn, không tích điện, hầu như không tương tác với vật chất thông thường ngoại trừ thông qua lực hấp dẫn. Đây là lý do tại sao chúng ta không thể nhìn thấy vật chất tối và tại sao chúng ta chưa bao giờ trực tiếp phát hiện ra nó.

    Cùng với sự xác nhận về sự tồn tại của Higg’s Boson, hạt được cho là ban cho khối lượng, vấn đề liệu vật chất tối có thực sự tồn tại hay không là một trong những câu hỏi cấp bách nhất trong lĩnh vực này. Trên khắp thế giới, nhiều thí nghiệm nhằm làm sáng tỏ vật chất (tối) này. Bốn trong số những sự hợp tác này có sự tham gia của các giáo sư trong khoa Vật lý và Thiên văn của Yale.

    Segue 1 và bảy người lùn

    Trong giai đoạn giãn nở nhanh chóng sau Vụ nổ lớn, các gợn sóng từ các dao động lượng tử trong vật chất siêu đặc của vũ trụ đã thổi phồng lên để tạo thành các thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay. Mô hình hình thành vũ trụ này được gọi là mô hình Vật chất tối lạnh (CDM).

    Theo mô hình này, hầu hết các thiên hà có thể nhìn thấy trên bầu trời, bao gồm cả thiên hà của chúng ta, được cho là sự tích tụ của vật chất tối đã thu hút các tập hợp vật chất phát sáng. Ngoài ra, cần phải có hàng trăm "thiên hà lùn" còn sót lại, vật chất tối thống trị xung quanh Dải Ngân hà. Tuy nhiên, tính đến năm 2005, chỉ có 11 thiên hà lùn được phát hiện quay quanh thiên hà của chúng ta. Đây là bằng chứng thiên văn khó xác định tính hợp lệ của mô hình CDM.

    Tuy nhiên, các nhà thiên văn học đã nhận ra rằng có lẽ họ đã nhìn không đủ chăm chỉ. Marla Geha, Trợ lý Giáo sư Thiên văn học tại Yale và là thành viên của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada, cùng với Joshua Simon, Robert A. Millikan Postdo Tiến sĩ Học giả tại Caltech, gần đây đã tiết lộ việc phát hiện thêm 8 thiên hà lùn trong vùng lân cận của chúng ta - mang lại hiện tại kiểm đếm đến 24.

    Sử dụng dữ liệu từ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan và kính viễn vọng Keck II 10 mét ở Hawaii, Geha và Simon tập trung vào các ứng cử viên thiên hà lùn địa phương. Thoạt nhìn, nhiều người trong số chúng dường như chỉ là những cụm sao nhỏ. Tuy nhiên, bằng cách phân tích dữ liệu chuyển dịch đỏ từ các ngôi sao riêng lẻ trong mỗi cụm sao, Geha nhận ra rằng nhiều ngôi sao đang di chuyển nhanh hơn gần mười lần so với lẽ ra. Với tốc độ như vậy, các ngôi sao sẽ có đủ động năng để thoát khỏi hoàn toàn lực hấp dẫn của vật chất phát sáng xung quanh chúng.

    Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết, kết luận hợp lý duy nhất là những thiên hà này bị vật chất tối chi phối. Đặc biệt, một thiên hà, Segue 1, dường như mờ nhạt nhất và do đó là thiên hà chi phối vật chất tối nhất từng được phát hiện. Mặc dù chỉ sáng gấp 300 lần so với mặt trời của chúng ta, nhưng thiên hà này có khối lượng gấp một nghìn lần khi nó xuất hiện, điều này cho thấy rằng nó phải được cấu tạo gần như hoàn toàn bằng vật chất tối.

    Mặc dù chỉ có 24 thiên hà lùn được phát hiện, Geha tin rằng còn nhiều thiên hà khác nữa. Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan chỉ bao phủ khoảng 1/5 bầu trời. Nếu bốn phần năm còn lại mỗi phần chứa một số tương tự, thì số cuối cùng có thể cao tới bốn năm trăm, gần chính xác với con số được dự đoán bởi mô hình CDM. Nếu điều này được chứng minh là đúng, chúng ta sẽ tiến thêm một bước nữa để xác minh sự tồn tại của vật chất tối.

    Chiếu ánh sáng xuyên qua bức tường

    Không gì có thể chứng minh một cách cụ thể hơn sự tồn tại của vật chất tối hơn là việc tạo ra một hạt vật chất tối trong phòng thí nghiệm. Đây chính là điều mà Giáo sư Vật lý Yale Oliver Baker đang lên kế hoạch thực hiện với Laser Electron Tự do, hay FEL, tại Phòng thí nghiệm Jefferson ở Virginia.

    FEL tại Phòng thí nghiệm Jefferson.

    FEL là loại laser có thể điều chỉnh mạnh nhất trên thế giới, tạo ra nhiều photon mỗi giây hơn bất kỳ loại laser nào đang được sử dụng. Tia laser đã được thiết lập để hướng một chùm photon qua một từ trường năng lượng cao cụ thể. Về lý thuyết, điều này sẽ khiến một số photon trong chùm chuyển đổi thành các ứng cử viên vật chất tối gọi là axion. Sau đó, chùm tia được hướng thẳng vào một khối nhôm dày vài inch. Vì vật chất tối tương tác tối thiểu với vật chất thông thường, các trục sẽ truyền trực tiếp qua phiến kim loại.

    Tất nhiên, vấn đề sau đó là phát hiện các trục ở phía bên kia: vì chúng tương tác tối thiểu, nên hiện tại không có cách nào để phát hiện trực tiếp chúng. Do đó, chùm tia sau đó được truyền qua một từ trường khác sẽ chuyển đổi bất kỳ trục nào trở lại thành các photon có thể phát hiện được.

    Thí nghiệm này cũng được thiết kế để kiểm tra loại vật chất tối ít được biết đến nhưng phổ biến hơn của vật chất tối, năng lượng tối. Một mô hình vật lý được gọi là Mô hình trường vô hướng tinh hoa dự đoán một dạng năng lượng tối tự biểu hiện dưới dạng “các hạt tắc kè hoa”. Các hạt này thay đổi tính chất của chúng theo môi trường của chúng, tăng khối lượng khi ở xung quanh các vật thể có khối lượng lớn khác. Thí nghiệm được thiết lập theo cách cho phép các hạt như vậy hình thành, nhưng sau đó sẽ nhốt chúng trong một ống chân không giữa hai cửa sổ bằng kính. Bất cứ khi nào hạt đến gần tấm kính, nó sẽ có khối lượng quá lớn để đi qua. Bằng cách dội lại giữa hai cửa sổ, các hạt sẽ tạo ra một ánh sáng rực rỡ, hiện diện từ vài phút đến vài giờ sau khi tia laser tắt.

    Những quan sát như vậy sẽ cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của vật chất và năng lượng tối, và những thí nghiệm này là những ví dụ đầu tiên về việc sử dụng nguồn sáng cường độ cao trong các thí nghiệm vật lý hạt.

    Xây dựng vụ nổ lớn

    Không nơi nào có hy vọng cao hơn ở Geneva, Thụy Sĩ, nơi Máy va chạm Hadron Lớn của CERN được bật. LHC, như được biết đến trên khắp thế giới, là máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất từng được chế tạo.

    Nhiều nhà vật lý hy vọng rằng khi LHC được chạy hết công suất lần đầu tiên, các vụ va chạm kết quả sẽ mở ra những cánh cửa sổ hoàn toàn mới vào các vùng vật lý hạt chưa được khám phá. Các lý thuyết hiện tại liên quan đến sự hình thành của vũ trụ giả định rằng trong những khoảnh khắc ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng chứa đầy các hạt cực lớn, sau đó nhanh chóng phân rã thành những hạt nhỏ hơn, ổn định hơn. Trong khi một phần đáng kể phân rã thành vật chất phát sáng, phần lớn phân rã thành vật chất tối. Do đó, để tạo ra vật chất tối, người ta sẽ phải tạo ra những điều kiện tương tự như những điều kiện hiện tại ngay sau vụ nổ Big Bang.

    LHC được thiết kế để đạt được điều này. Bằng cách đập hàng tỷ proton với nhau ở năng lượng 14 nghìn tỷ vôn điện tử, LHC sẽ tạo ra một mảng lớn thiên văn gồm các hạt khác nhau, các đường đi đặc biệt của chúng sẽ được dò tìm bởi các máy dò có thể ghi lại 600 triệu vụ va chạm mỗi giây.

    Ngoài việc tiết lộ các họ hạt hoàn toàn mới, dữ liệu từ LHC có tiềm năng giải thích các đặc tính cơ bản của vũ trụ của chúng ta, bao gồm lý do tại sao các vật thể có khối lượng và liệu vật chất tối có tồn tại hay không. Cả Giáo sư Baker và Giáo sư Paul Tipton của Khoa Vật lý Yale hiện đang chỉ đạo các dự án như một phần của thí nghiệm ATLAS tại LHC nhằm điều tra vật chất tối.

    Máy dò thí nghiệm ATLAS. Hình ảnh được cung cấp bởi cơ sở dữ liệu hình ảnh ATLAS: https://cdsweb.cern.ch/collection/ATLAS. Nhiều lớp máy dò ở ATLAS.

    Vấn đề là không thể phát hiện trực tiếp một hạt vật chất tối bằng bất kỳ phương tiện nào đã biết. Do đó, Tipton đang tìm kiếm sự bất thường trong dữ liệu cho thấy sự tạo ra của một hạt không nhìn thấy. Although a dark matter particle is minimally interactive, it still obeys fundamental physical laws such as the conservation of momentum. Data indicating that energy and momentum have not been conserved would suggest that unde­tected particles have been created. If Tipton and his colleagues see this more frequently than expected, we would suddenly have strong evidence that dark matter exists.

    Nevertheless, “the full solution will have to come from a two-pronged approach,” explains Tipton. “If we see dark matter particles at the LHC, we’re then going to have to observe them directly in the lab to try to confirm their mass and their inter­action strength and measure their other properties.”

    The first event seen at ATLAS. It is a “splash event” – a first test. A three-dimensional rendering of the same “splash” event. A simulation of a collision at ATLAS producing supersymmetric particles. There is a clearly visible lack of energy conservation in the plane transverse to the beam – a clear indication that un-detected particles have been created.

    Panning for Particles

    Although one of the main goals of the LHC is to create dark matter particles, the detectors will not be able to prove that what they have recorded is actually dark matter. In order to truly confirm its existence, the particles must be observed in a lab under controlled conditions which allow their properties to be measured. Dan McKinsey, Yale Associate Professor of Physics, is doing just this.

    Since dark matter particles are so mini­mally interactive, collisions that involve them are extremely rare. Additionally, any detector searching for an interaction between a dark matter particle and an ordi­nary matter particle would be completely corrupted by the amount of background radiation present in the universe. Therefore, any experiment detecting dark matter must be highly sen­sitive, deep underground, and heavily shielded from radiation. Many of McK­insey’s investigations are modeled from experi­ments crafted in the 1950’s to verify the existence of neutrinos, another mini­mally-interactive particle.

    McKinsey’s primary research venture, entitled Project LUX, is a scaled up version of earlier neutrino detectors, located deep within the former Home­stake gold mine in South Dakota. LUX is essentially a closed tank of liquid xenon surrounded by light sensors. When a dark matter particle encounters the liquid xenon, the particle will hit a xenon molecule and will release energy that can then be recorded by the extremely sensitive detectors around the fluid.

    The large size of LUX will be integral to its success in addition to being beneath miles of solid rock, the outermost xenon will shield the innermost xenon from back­ground radiation. If a collision is seen deep within the detector, it is highly likely that it was caused by a dark matter particle. McK­insey is involved in a number of similar experiments in underground laboratories around the United States.

    “There are a lot of theories that we’re going to see dark matter particles in our detector,” said McKinsey in a recent inter­view. “The real challenge is making sure that the background radiation is low enough that we’re sensitive to these dark matter candidates. Since these particles are lower energy that neutrinos, our equipment has to be vastly more sensitive.”

    A schematic of Project LUX. A detail of the Project LUX detector.

    Finding the Hidden Valley

    Tipton, Baker, Geha and McKinsey are each using diverse techniques to study various aspects of dark matter from the perspective of different fields. Yet they have one thing in common: all four scientists are extremely optimistic that the existence of dark matter will soon be confirmed. “It’s like coming over a hill and looking over a valley we’ve never seen before,” said Tipton, speaking of the LHC. “The valley might be populated with what we’ve predicted or it might be filled with lots of various features we’ve never before encountered. But to not find anything would be very, very unlikely. I think there are many things which point to something here.”

    The impact of such a discovery cannot be underestimated. Both McKinsey and Baker went so far as to compare the dis­covery of dark matter to the Copernican Revolution. “All of the major scientific revolutions that have come about,” said Baker recently, “deal with maybe 5 percent of the universe. But the vast majority of the universe is made up of dark matter and dark energy – it would be naive to focus on only a small part. That’s what’s most exciting to me. If we could observe dark matter in a lab environment, if we could bring it down to our level, it would be a revolution in our understanding of the universe.”

    Giới thiệu về tác giả
    SAM BRICKMAN RAREDON is a junior in Timothy Dwight College. A Biomedical Engineering and History of Art double major, he is very interested in the intersections among the sciences.

    Sự nhìn nhận
    The author would like to thank Professor Marla Geha, Professor Oliver Baker, Pro­fessor Daniel McKinsey, and Professor Paul Tipton for their time and patience in answering all of his questions. He wishes them great luck in their continued research.


    The universe bristles with structure on all scales. But really, it is all just punctuated nothingness. (Image courtesy of Cryhavoc) Lately, I’ve been thinking a lot about nothing. Not just because focusing on nothing is a helpful, meditative antidote to obsessing over the recent barrage of anxiety-inducing news, but also because nothing is the most common thing in nature. After all, the overwhelming majority of the universe is not stars and planets it is empty space. But empty space is not really truly completely empty. That’s what makes nothing interesting: Some places have a lot more of nothing than others, and even the emptiest places—the ones with the most nothing, you might say—still contain something. In fact, trying to figure out the nature of that something is one of the biggest unsolved issues in science. Xin lỗi. It does all start to sound rather mad after a while. I'll back up and do some some explaining. What started me down this path was a question on the site Quora: “If I went up into space, opened a jar for a few seconds, put the lid on tightly, and then came back down to my kitchen, what would be in the jar?” It’s a great thought experiment. Take a jar-size sample of different parts of the universe. What would you find inside it? To simplify things, let’s make the "jar" a one-liter soda bottle. That’s a familiar standard size, and one that converts easily to other units. It’s 1,000 cubic centimeters, or 1/1,000 ^th of a cubic meter, or more Pepsi than anyone should drink in one day. Now let’s start to break down the question. What’s inside a one-liter volume of “empty” space? The answer varies enormously depending on where you are. Space around low-Earth orbit is a lot different than space in some random spot between the planets, which is a lot different than the space between galaxies. To come up with a truly universal answer, I'll do the only sensible thing and look at the universe as a whole—that is, the average density of everything we can see. If you average out the entire cosmos, there is a total mass density of 9.9 x 10 ^-30 grams per cubic centimeter, which is equivalent to 5.9 protons per cubic meter. Note that I was describing mass density, however, not particle density. According to the latest data from the Planck satellite, only 4.8 percent of that density consists of ordinary matter, mostly hydrogen nuclei (protons). On average, then, there is 0.3 atoms per cubic meter of space. Put in more normal terms, if you marked out a random cubic meter of empty universe, there’s a 2 out of 3 chance you would have no atoms in it. Within your one-liter bottle, you have an average of 0.0003 atoms, which is to say that there's about a 2,999 out of 3,000 chance that your bottle is atom-free.

    Better cork that bottle really quick. You don't want any of the universe to get out. Then comes the dark stuff, the invisible entities that account for the other 95.2 percent of the cosmic mass density. First off, there is dark matter. We have no idea what it is. The standard theory is that it is some kind of undiscovered particle, but there are more exotic possibilities, including new kinds of fields that modify the force of gravity. According to the current interpretation, 25.8 percent of the matter density is dark…stuff. Since we know nothing about the mass of dark-matter particles (assuming they really do exist), all we can say is that, on average, you’d have about 2.6 x 10 ^-27 grams of dark something-or-other in your bottle. Next up, dark energy. Remember when I just told you we don’t know what dark matter is? Well, we really don’t know what dark energy is. The only thing we know is that there is some kind of energy smeared through empty space astronomers can tell it's there, because the energy is pushing the universe apart, causing the cosmic expansion to accelerate. Weirdly, we don’t know what it is but we have a very accurate measurement of how much of it there is: 69.4 percent of the total density of the universe. (Energy and mass are equivalent, following the equation e=mc ^2 , and there is so much dark energy that it "outweighs” all of the matter.) That means you’d have about 6.9 x 10 ^-27 grams of dark energy lurking in your bottle. But wait—there’s more! The universe is not just matter and mass. There are also particles of light and other forms of electromagnetic radiation, collectively known as photons. A lot of them, in fact. There are about 450 photons per cubic centimeter, or 450,000 of them in your bottle. I found that amazing when I crunched the numbers. Odds are, you don’t have even a single atom in your bottle, but you have nearly half a million photons. Even more amazing, most of those photons do not come from starlight. The overwhelming majority of the photons in the universe come from the cosmic microwave background—radiation left over from the Big Bang, 13.8 billion years ago. Despite their abundance, the amount of energy the microwave photons contribute is tiny. Add them all up and they are the equivalent of just 1/1,000 ^th the mass of the atoms. We still have one more component to go, another weird one. The universe is full of neutrinos, near-inert and near-massless particles that effortlessly penetrate ordinary matter. There’s quite a blast of them streaming from the sun about 100 trillion of them pass through you every second. Take the big cosmic average again and there are about 330 neutrinos per cubic centimeter, or 330,000 of them in your bottle. Physicists have not yet been able to pin down the exact mass of those neutrinos. All we know for sure is that their total combined mass is very small, so small that it does not noticeably affect any of the observable properties of galaxies and the large-scale structure of the universe. So that is the bit of universe in your one-liter jar: a bunch of photons and neutrinos that hardly add up to anything, a schmear of dark energy, an unknown smattering of dark matter, and probably no atoms at all. That’s just the average of the entire visible universe, however. What if we come closer to home? Our crowded cosmic corner Dark energy is (probably) the same everywhere, so there's no need to recalculate. The density of dark matter close to Earth is very difficult to measure I'll ignore it here, too. But the matter density increases like crazy when you get closer to home. The space between the planets is filled with the solar wind, a steady flow of particles (mostly more protons—the universe really likes protons). At Earth’s distance from the sun, the density of the solar wind is 9 protons per cubic centimeter, or 9,000 of them in your 1-liter bottle. Even ignoring interplanetary dust, the “empty” space around Earth’s orbit has 25 million times the matter density of the average universe. Come to low-Earth orbit and things get a whole lot more crowded. At an altitude of 400 kilometers (about 240 miles), where the International Space Station orbits, there is still a lot of wispy atmosphere blowing around. The matter density there varies quite a bit, but it is on the order of 10 quadrillion times the cosmic average. When you see photos of astronauts doing a spacewalk in orbit, it sure looks like they are floating around in a vacuum. By cosmic standards, though, they are plowing through a veritable fusillade of atmospheric atoms. The non-vacuum up there is dense enough, in fact, that atmospheric drag keeps pulling the station down, requiring regular orbital boosts. Tất cả chỉ là tương đối. Return to sea level where you are now, more or less, and you need to recalibrate significantly again. The density of Earth’s atmosphere at the ground is about 0.0012 grams per cubic centimeter. That is a factor of a trillion higher than what it is in low-Earth orbit. More to the point, it is 2 x 10 ^27 times the average matter density of the universe. You could call that two octillion, or you could write it out: You are breathing a bit of universe that has been concentrated by a factor of 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000. Your body is another factor of 1,000 denser still. The extreme dynamic range of density is what gives the universe order. The exceedingly low density out there, between the galaxies, is what makes space transparent, allowing us to see nearly all the way to the outer limits of cosmic expansion. The staggeringly high density down here is what concentrates enough matter and energy to make life possible. And the organizing factor that gave rise to those the vastly varying structures is simplicity itself. It is just the pull of gravity, slowly but relentlessly amplifying little lumps and clumps. Give gravity enough time and those clumps turn into planets, atmospheres, and eventually people. Follow me on Twitter for the latest science news and discoveries : @coreyspowell

    The history of the universe is fundamentally about gravity creating dense patches of matter surrounded by enormous rarefied voids. (Credit: ESA)


    This Is How Galaxy Cluster Collisions Prove The Existence Of Dark Matter

    Dark matter — despite the enormous indirect evidence for it — sounds like a colossal misunderstanding.

    all require masses that don’t interact electromagnetically.

    However, a longstanding alternative suggests modifying gravity could explain them without dark matter.

    In 2005, a team of astronomers devised a clever test to investigate dark matter’s existence.

    When two galaxy clusters collide — a cosmically rare but important event — its internal components behave differently.

    The intergalactic gas must collide, slow, and heat up, creating shocks and emitting X-rays.

    If there were no dark matter, this gas, comprising the majority of normal matter, should be the primary source of gravitational lensing.

    Instead, gravitational lensing maps indicate that most of the mass is displaced from the normal matter.

    This remains true for every set of post-collisional X-ray clusters ever measured.

    Only if gravity is non-local, or gravitating where the matter isn’t, could the Universe not contain dark matter.

    But in pre-merger clusters, we clearly see that gravity is local: matter and gravity line up.

    Colliding clusters cannot obey different gravitational rules from non-colliding ones.

    Inescapably, dark matter must therefore exist.

    Mostly Mute Monday tells an astronomical story in images, visuals, and no more than 200 words. Talk less smile more.


    NASA Joins New Euclid Dark Energy Mission

    Telescope designed to investigate dark matter

    ABOVE VIDEO: Euclid is an ESA survey mission to investigate the nature of dark matter and dark energy. It was selected for implementation as a Medium-class mission in ESA’s Cosmic Vision programme in October 2011 and formally adopted in June 2012. The mission will be launched in 2020. (slatester)

    BREVARD COUNTY • KENNEDY SPACE CENTER, FLORIDA – NASA has joined the European Space Agency’s (ESA’s) Euclid mission, a space telescope designed to investigate the cosmological mysteries of dark matter and dark energy.

    This artist’s concept shows the Euclid spacecraft. The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. (Image courtesy of ESA/C. Carreau)

    Euclid will launch in 2020 and spend six years mapping the locations and measuring the shapes of as many as 2 billion galaxies spread over more than one-third of the sky.

    It will study the evolution of our universe, and the dark matter and dark energy that influence its evolution in ways that still are poorly understood.

    The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. The Lagrange point is a location where the gravitational pull of two large masses, the sun and Earth in this case, precisely equals the force required for a small object, such as the Euclid spacecraft, to maintain a relatively stationary position behind Earth as seen from the sun.

    “NASA is very proud to contribute to ESA’s mission to understand one of the greatest science mysteries of our time,” said John Grunsfeld, associate administrator for NASA’s Science Mission Directorate at the agency’s Headquarters in Washington.

    LONG HISTORY OF COOPERATION

    NASA and ESA recently signed an agreement outlining NASA’s role in the project. NASA will contribute 16 state-of-the-art infrared detectors and four spare detectors for one of two science instruments planned for Euclid.

    “ESA’s Euclid mission is designed to probe one of the most fundamental questions in modern cosmology, and we welcome NASA’s contribution to this important endeavor, the most recent in a long history of cooperation in space science between our two agencies,” said Alvaro Giménez, ESA’s Director of Science and Robotic Exploration.

    In addition, NASA has nominated three U.S. science teams totaling 40 new members for the Euclid Consortium. This is in addition to 14 U.S. scientists already supporting the mission. The Euclid Consortium is an international body of 1,000 members who will oversee development of the instruments, manage science operations and analyze data.

    The Euclid space telescope will conduct its surveys 1.5 million kilometers from Earth on its “night side” (Image courtesy of ESA/C.Carreau)

    Euclid will map the dark matter in the universe. Matter as we know it — the atoms that make up the human body, for example — is a fraction of the total matter in the universe. The rest, about 85 percent, is dark matter consisting of particles of an unknown type. Dark matter first was postulated in 1932, but still has not been detected directly. It is called dark matter because it does not interact with light. Dark matter interacts with ordinary matter through gravity and binds galaxies together like an invisible glue.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    CLUES ABOUT EVOLUTION AND FATE OF THE COSMOS

    The Euclid spacecraft will use two techniques to study the dark universe, both involving precise measurements of galaxies billions of light-years away. The observations will yield the best measurements yet of how the acceleration of the universe has changed over time, providing new clues about the evolution and fate of the cosmos.

    Euclid is an ESA mission with science instruments provided by a consortia of European institutes and with important participation from NASA.


    How Was the Universe Created?

    We are inching closer to piecing together the earliest moments of the universe, but its true origin is still a mystery. “Any theories or models of ‘creation’ are incredibly speculative at this point,” Paul Sutter, an astrophysicist at Ohio State University and chief scientist at the Center of Science and Industry, tells Futurism.

    Perhaps the best-known theory about the beginning of the universe is the Big Bang theory, in which the universe expanded from an extremely hot and dense singularity around 13.8 billion years ago. But people misunderstand if they think that matter simply exploded into being from nothing, Sutter says. “The Big Bang happened everywhere in the universe simultaneously it’s not an explosion in space but an explosion của space.” Yet, the exact process of what caused this (and of course, what was there beforehand) remains unknown.

    “The earlier we go in the history of the universe, the less we understand,” Sutter says. While we have caught brief glimpses of the universe when it was only 300,000 years old, scientists are still speculating about the extreme forces at play during the universe’s first moments.

    Quảng cáo

    Quảng cáo

    Like all good mysteries, a question that seems simple yields more questions that must be solved before we can find the answer to the initial question. “We’re prevented from knowing the very earliest moments (like, less than 10^-40 seconds) because we don’t fully comprehend the quantum aspects of gravity,” Sutter says.

    To this end, to fully understand the creation of our universe, we will need to have a comprehensive understanding of the laws of physics that govern matter and antimatter. This is a bit of a problem, as CERN recently confirmed that the Standard Model of particle physics may have to be turned on its head, as it doesn’t account for the majority of the matter the Big Bang produced.

    Once we have fully understood the nature of antimatter and how it interacts with matter, we won’t have a final answer to the origin of the universe, but we will come much closer to understanding how it came to be.


    Slow burn

    This expansion would slow down the rate at which the star burns energy, and cause the star to appear redder than its mass would suggest. If the stars were relatively puny – roughly the mass of the Sun, they could accumulate enough dark matter to extend their lives by a billion years or so.

    Previously, astronomers had theorised that dark matter could brighten white dwarf stars, stellar embers that have stopped undergoing nuclear fusion. And other studies had suggested that dark matter may have stunted the growth of the universe’s first stars, possibly allowing them to survive to the present day.

    But this new study boasts the most detailed calculations yet of how ordinary stars might capture WIMPs, says Fabio Iocco of the National Institute for Astrophysics in Firenze, Italy.

    If such stars exist and astronomers can peer through the intervening gas and dust in the Milky Way to find them, they could provide the first direct evidence of dark matter, says Igor Moskalenko of Stanford University in California.

    “If there is even a single star with the predicted properties found there, it will be direct evidence that astrophysical dark matter consists of WIMPs and not something else – a major breakthrough,” Moskalenko told New Scientist.


    Controversy over the use of Roman ingots to investigate dark matter and neutrinos

    Bou Ferrer shipwreck with roman lead ingots. Credit: De Juan / D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The properties of these lead bricks recovered from ancient shipwrecks are ideal for experiments in particle physics. Scientists from the CDMS dark matter detection project in Minnesota (USA) and from the CUORE neutrino observatory at the Gran Sasso Laboratory in Italy have begun to use them, but archaeologists have raised alarm about the destruction and trading of cultural heritage that lies behind this. Tạp chí Khoa học has expressed this dilemma formulated by two Spanish researchers in the United Kingdom.

    Two thousand years ago, a Roman vessel with ingots of lead extracted from the Sierra of Cartagena sank across the waters from the coast of Sardinia. Since 2011, more than a hundred of these ingots have been used to build the 'Cryogenic Underground Observatory for Rare Events' (CUORE), an advanced detector of neutrinos – almost weightless subatomic particles – at the Gran Sasso National Laboratory in Italy.

    In the 18th century, another ship loaded with lead ingots was wrecked on the French coast. A company of treasure hunters retrieved this material and, despite problems with French authorities, managed to sell it to the Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) team. This detector located in a mine in Minnesota (USA) looks for signs of the enigmatic dark matter, which is believed to constitute a quarter of the universe.

    These two examples have served as reference for the discussion that two researchers have opened between archaeologists, worried by the destruction of underwater cultural heritage, and particle physicists, pleased to have found a unique material for research on neutrinos and dark matter.

    As Elena Perez-Alvaro explains to SINC from the University of Birmingham: "Roman lead is essential for conducting these experiments because it offers purity and such low levels of radioactivity – all the more so the longer it has spent underwater – which current methods for producing this metal cannot reach."

    Bou Ferrer shipwreck - a roman lead ingot. Credit: De Juan/D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The two researchers have published a study in the journal 'Rosetta', also commented upon this month in Khoa học, which poses a dilemma: Should we sacrifice part of our cultural heritage in order to achieve greater knowledge of the universe and the origin of humankind? Should we yield part of our past to discover more about our future?

    "Underwater archaeologists see destruction of heritage as a loss of our past, our history, whilst physicists support basic research to look for answers we do not yet have," remarks Perez-Alvaro, "although this has led to situations in which, for example, private companies like Odyssey trade lead recovered from sunken ships." This is the company that had to return the treasure of the frigate Nuestra Señora de las Mercedes to Spain.

    Dialogue between underwater archaeologists and particle physicists

    The underwater archaeologist and the physicist are encouraging dialogue between both collectives, as well as developing legislation that regulates these kinds of activities, without limiting them exclusively to archaeologists, and including scientists. "Recovery for knowledge in both fields, and not merely for commercial reasons," the scientists stress.

    The jury is still out. In the case of the CUORE detector, for example, in principle the lead from the least well-preserved Roman ingots is used, although their inscriptions are cut and preserved. Some archaeologists also suggests that there are other pieces of valuable metal, such as anchor stocks, rings or tackles for fishing that we should assess whether or not to "sacrifice for science". The problem is that they are protected by UNESCO's 2001 Convention on the protection of underwater cultural heritage if they have been under water more than 10 years and the 2003 Convention for safeguarding intangible cultural heritage.

    Regarding the habitual use that Romans made of these ingots, Pérez Álvaro points out that there are many theories, "but they were generally used as water-resistant material for pipes, water tanks or roofs, but also in the manufacture of arms and ammunition."

    A special case are the large lead bricks recovered from the largest Roman ship of the excavation of the Mediterranean, the wreck of the Bou Ferrer, which sunk very close to the port of La Vila Joiosa (Alicante). A series of engravings (IMP. GER. AVG) enable specialists to determine that their owner was the Emperor of Rome himself, probably Caligula, Claudius or Nero.


    Xem video: DarkMatter: Behind the Scenes (Tháng Giêng 2022).