Kas tumeaine tappis dinosaurused?

Dinosaurused ei näinud seda kunagi tulemas. Kui umbes 65 miljonit aastat tagasi paiskus hiiglaslik kosmosekivi Yucatáni poolsaarele, lõppes nende ülemaailmne valitsemisaeg katastroofilise vägivallaga. Kuid sellel kosmosekaljul – võib-olla mitme miili laiune komeet – võis olla vargsi kaasosaline: tumeaine.

Tumeaine on loomulikult nähtamatu aine, mis moodustab veerandi universumist ja 85 protsenti kogu ainest. Ja Harvardi füüsik Lisa Randall arvab, et see võib olla see, mis selle dino hävitava komeedi Maa poole paiskas. Tema sõnul teooria , Linnutee tumeaine eksisteerib galaktika tasapinnale paigutatud õhukese ketta kujul – mida Randall nimetab 'topeltketta tumeaineks'. Galaktika keskme ümber tiirledes läbib Päikesesüsteem seda ketast, mille gravitatsioon tõmbab Päikesesüsteemi komeete ja tõmbas dinosauruse hukkumise korral ühte neist täpselt nii palju, et see Maale suunata.

See on mõtlemapanev idee, mis ühendab ühe suurima kosmilise saladuse kõigi lemmikute väljasurnud loomadega. Kindlasti on see spekulatiivne. Kuid Randalli hüpotees hõlmab tumeaine uut iseloomustust, mis on viimastel aastatel levinud – tumeaine on nüansirikkam ja keerulisem, kui seni arvati.

See uus tumeaine klass hõlmab nn iseseisev tumeaine. Teoreetiliselt võib see iseendaga kokku põrgata või muul viisil interakteeruda, võib-olla läbi loomaaia, mis koosneb osakestest, mis on analoogsed tavaainet moodustavate osakestega, nagu prootonid, elektronid ja kvargid. Seal võib isegi eksisteerida terve tume universum tumedate aatomite ja isegi tumedate tähtede ja planeetidega. 'Aine interakteerumiseks on palju erinevaid võimalusi, ' ütleb Randall. 'Sama kehtib ka tumeaine kohta.' Ja kui tumeaine ise suhtleb, tähendab see seda, et umbes 30 aastat on varjulisi asju tuvastada püüdnud teadlased jahtinud vale tüüpi osakesi.

See osake on nõrgalt interakteeruv massiivne osake ehk WIMP ja tänapäevalgi kõige populaarsem tumeaine kandidaatosake. Keegi ei tea täpselt, mis tüüpi osake see võib olla, ja füüsikutel on palju teooriaid. Üldiselt on WIMP aga osake, mis ei suhtle peaaegu millegagi muul viisil kui gravitatsiooni kaudu – mistõttu on see tumeaine jaoks hea valik, sest niipalju kui keegi oskab öelda, suhtleb tumeaine ainult gravitatsiooniliselt.

Füüsikud pooldavad WIMP-i, kuna see sobib nii hästi kosmoloogia teooriatega. Nagu lugu edasi läheb, oleksid need osakesed varsti pärast Suurt Pauku pidevalt üksteisega kokku jooksnud ja energiapuhanguna hävinud. Aja jooksul oleks nende arv kahanenud ning universumi laienedes ja jahtudes oleks neil olnud raskem üksteist leida ja hävitada. Selgub, et allesjäänud WIMP-ide hulgast piisaks universumi tumeaine arvestamiseks.

'Minuealistele inimestele õpetatakse koolis, et kõige mõistlikum ja paremini motiveeritud tumeaine mudel on WIMP-mudel – WIMP-ime,' ütleb California ülikooli Irvine'i astrofüüsik James Bullock. 'See seletab nii palju asju, paljud astronoomid peavad seda evangeeliumiks.'

Nii on teadlased püüdnud osakest jahtida. Nad on kasutanud satelliiti, et otsida gammakiirguse signaale, mis võivad tuleneda WIMP-idest, mis üksteist kosmoses hävitavad. Nad loodavad luua ühe osakestest Šveitsis asuvas Large Hadron Collideris, lüües prootoneid peaaegu valguse kiirusel kokku. Ja nad on ehitanud maa-aluseid detektoreid erinevatesse kohtadesse üle maailma, et neid tabada, näiteks suur maa-alune ksenoonkatse, mis asub miili allpool Lõuna-Dakota Black Hillsis. (Teadlased oletavad, et WIMP-id interakteeruvad ka nõrga jõu kaudu, mis tuleb mängu üliväikestel vahemaadel subatomilisel tasemel. LUX-i puhul loodavad teadlased tuvastada WIMP-id, mis interakteeruvad nõrga jõu kaudu vedelate ksenooni aatomitega. Lisateabe saamiseks vaadake allolevat videot.)

Need katsed on kestnud paar aastat, mis on piisavalt pikk, et praeguseks oleks teadlased võinud WIMP-i avastada. Ometi pole keegi midagi leidnud. 'Oleme seda otsinud mitmel viisil,' ütleb Lawrence Berkeley riikliku labori füüsik Yonit Hochberg. 'Kui me selle leiame, on see suurepärane. Aga kui me seda ei tee, siis võib-olla on aeg mõelda muudele võimalustele.

Üks võimalus: isetoimiv tumeaine, komplekstermin keerukama tumeaine liigi jaoks. Kuigi WIMP-id vaevu üksteist märkavad, võivad isetoimiva tumeaine osakesed teoreetiliselt kokku põrkuda ja hajuda, kogedes mittegravitatsioonilisi jõude – jah, Star Warsi fännid, need on tumedad jõud. Ja erinevalt WIMP-i tumeainest hõlmab isetoimiv tumeaine rohkem kui ühte tüüpi osakesi.

Ise interakteeruv tumeaine võib selgitada mõningaid lahknevusi WIMP-teooria ja galaktikate tegelike vaatluste vahel. Näiteks näitavad arvutisimulatsioonid, et WIMP-ide universum toodab galaktikaid, mille keskpunktid on vaadeldatust tihedamad. Kuid kui tumeaine oleks ise interakteeruv, põrkaksid selle koostisosad üksteiselt tagasi nagu pingpongi pallid. Selle tulemusena koguneks galaktika tuumadesse vähem tumeainet, mille tulemuseks on tumeaine tihedus, mida astronoomid tegelikult mõõdavad.

Hiljuti pakkus Hochberg välja ühe isetoimiva tumeaine teooria, milles tumeaine koosneb peamiselt mingist tugevalt interakteeruv massiivne osake - SIMP. Nagu WIMP-id, hävitaksid SIMP-id üksteist universumi ajaloo alguses. Erinevalt WIMP-idest kuluks nende hävitamiseks aga kolm ja alles jääks kaks SIMP-i. See protsess annaks õige koguse järelejäänud SIMP-e, et võtta arvesse kogu tumeainet universumis, kuid sel juhul oleks see 'SIMP-ime'.

SIMP-e võib olla mitut tüüpi. Ühe näitena on Hochberg pakkunud, et SIMP on a tume versioon osakesest, mida nimetatakse pioniks . Üldiselt on SIMP-id aga vähemalt 1000 korda kergemad kui tavaline WIMP, nii et nende tuvastamiseks peavad füüsikud oma otsingustrateegiaid uuendama (mõned varajases staadiumis katsed on juba käimas).

Samal ajal püüavad astronoomid välja selgitada, kas tumeaine on isetoimiv. Täpsemalt uurivad nad tohutute galaktikaparvede ühinemist, mis on põimitud tohututesse tumeainelaikudesse, mida nimetatakse tumeaine halodeks. Kui tumeaine interakteerub, aeglustavad halodide ühinemine üksteist – mida astronoomid saavad tuvastada, mõõtes, kui palju nende gravitatsioon moonutab taustgalaktikate valgust.

A USA-s asuv meeskond on just uurinud 25 galaktilist ühinemist ja nad loodavad, et mõne aasta pärast saavad nad kindlalt teada, kas tumeaine interakteerub või mitte. 'Sellest piisab ühel või teisel viisil lõpliku väite esitamiseks,' ütleb Lawrence Livermore'i riikliku labori astronoom Will Dawson, kes on koos Bullockiga meeskonnaliige.

Hiljuti uuris teine ​​rühm galaktikat, mis langevad galaktikaparve nimega Abell 3827. Nende esialgne analüüs viitab sellele, et tumeaine suhtleb tõepoolest, kuigi mõned teadlased kahtluse alla seada leidude kohta.

Kuid tumeaine ei pruugi lihtsalt tugevalt või nõrgalt suhelda. See võib olla mõlema kombinatsioon, mis toob meid tagasi dinosauruste juurde.

Randalli teooria kohaselt on suurem osa tumeainest väga nõrgalt interakteeruv. Kuid väike komponent võib endaga suhelda elektromagnetilise jõuga sarnase jõu kaudu. Linnuteel moodustaks see isetoimiv komponent umbes viis protsenti galaktika kogumassist. Seda tüüpi tumeaine koosneks positiivselt ja negatiivselt laetud osakestest, aga ka tumedatest footonitest (st tumedast valgusest), mis interakteeruvad energiat hajuval viisil. Tänu sellele energiakaole tumeaine osakesed aeglustuvad, ühinevad tumedate aatomite moodustamiseks ja lõpuks lamenevad galaktikaga joondatud tohutuks kettaks.

Randall ja tema meeskond näitas et kui see tumeaine ketas oleks olemas, võiks see selgitada geoloogilisi tõendeid selle kohta, et Maa on komeetidelt perioodiliselt kokku puutunud umbes iga 35 miljoni aasta järel. Teadlased on varem väitnud, et kui Päikesesüsteem tiirleb ümber Linnutee keskpunkti, liigub see galaktika tasapinnas üles-alla umbes sama sagedusega. Kui see juhtub, teeb Randalli meeskond ettepaneku, et päikesesüsteem läbib ka tumeaine ketta, mille gravitatsioon käivitab komeetide sissevoolu, mis loobivad sisemise päikesesüsteemi. See oli üks neist komeetidest, mis tappis dinosaurused.

Tumeaine ketta olemasolu kindlakstegemiseks võiksid astronoomid kasutada Euroopa Gaia satelliiti – 2013. aastal käivitatud missiooni, mis mõõdab umbes miljardi tähe asukohta ja trajektoore Linnutee galaktikas. Kui ketas on olemas, suudaksid astronoomid tuvastada selle gravitatsioonilist mõju nende tähtede liikumisele.

Kuni piisavalt tõendeid ei viita ühel või teisel viisil tumeaine interaktsiooni kohta, jäävad Dawsoni sarnased teadlased agnostikuks. 'Mul on sama hea meel välistada isetoimiva tumeaine olemasolu kui ka selle avastamise üle,' ütleb ta. Arvestades tavaainega seotud osakeste ja jõudude kogumit, ei ole siiski kaugeleulatuv arvata, et tumeaine võiks olla sama keeruline. Tegelikult ütleb ta, et see võib olla üllatavam, kui see nii poleks.

'Seal on kõik need võimalused,' ütleb Bullock. 'Võib-olla suudame lõpuks need võimalused välistada. Aga praegu me ei saa.'