Obsah:
Temná hmota může být jednou z největších záhad vesmíru, ale mohla by pomoci vyřešit hádanku o Slunci, která vědce mátla už roky, říkají vědci.
Záhada má co do činění se zdánlivým nesouladem ve složení slunce, které zažívá zvukové vlny, které se v něm zužují a způsobují drobné rytmické kolísání jeho jasu. Studiem tohoto blikání mohou vědci lépe porozumět jeho složení a vnitřní aktivitě. Tento vědecký obor – známý jako helioseismologie, když se odkazuje na studium slunce, a asteroseismologie, když se odkazuje na studium hvězd – je podobný seismologii na Zemi, což pomáhá geologům získat vhled do nitra této planety.
Prvky na Slunci těžší než vodík a helium ovlivňují, jak se zvukové vlny šíří uvnitř hvězdy. To znamená, že v zásadě může helioseismologie měřit hojnost každého prvku s extrémně vysokou přesností, řekl hlavní autor studie Aaron Vincent, fyzik astročástic z Durhamské univerzity v Anglii.
Dalším způsobem, jak vědci mohou měřit množství každého prvku ve hvězdách, je sledování jejich světla, protože každý prvek vydává jedinečný otisk prstu nebo spektrum světla. Zhruba před deseti lety vědci objevili, že světlo ze slunce naznačovalo, že má asi o 20 až 25 procent méně uhlíku, dusíku a kyslíku, než si vědci dříve mysleli – zjištění, které je v rozporu s tím, co naznačovala helioseismologie. Stávající modely slunce nemohly vysvětlit tento rozpor - záhadu, kterou vědci nazývají problémem sluneční hojnosti, řekl Vincent.
"Navzdory desetiletému úsilí je to hádanka, která musí být ještě vyřešena," řekl Vincent. "Zatím žádný pokus o úpravu solárních modelů, aby odpovídaly tomuto rozporu, skutečně nefungoval, což je to, co přimělo částicové fyziky hledat exotičtější vysvětlení."
Temná hmota na záchranu
Nyní Vincent a jeho kolegové navrhují, že tuto sluneční záhadu by mohla vyřešit temná hmota, která je sama o sobě jednou z největších záhad ve vědě.
Temná hmota je neviditelná a téměř nehmotná látka, o níž se předpokládá, že tvoří asi pět šestin veškeré hmoty ve vesmíru. Vědci se domnívají, že temná hmota se skládá z nového typu částic - takové, která velmi slabě interaguje, v nejlepším případě, se všemi známými silami vesmíru a je většinou detekovatelná pouze prostřednictvím gravitační síly, kterou vyvíjí. Mnoho vlastností částic temné hmoty - jako je jejich hmotnost a zda se samy anihilují - však zůstává nejistých.
V roce 2011 Vincent zkoumal způsoby, jak by temná hmota mohla interagovat s jinými částicemi, když ho spoluautor Pat Scott, výzkumník z Imperial College London, uvedl do problému sluneční hojnosti.
Vincent si myslel, že temná hmota „by mohla být zajímavým řešením problému,“vzpomínal Vincent.
Vědci provedli tisíce simulací a zkoumali mnoho různých modelů toho, jak by temná hmota mohla interagovat se Sluncem. Objevili možné vysvětlení problému sluneční hojnosti: Model navrhl, že temná hmota je asymetrická, což znamená, že jeden druh částice temné hmoty je hojnější než jeho antičásticový protějšek. Normální hmota je také asymetrická - například ve vesmíru je mnohem více protonů než antiprotonů.
"Myslím, že nejzajímavějším aspektem této práce je potenciální spojení mezi dvěma hádankami," řekl Vincent. Na jedné straně je zde problém sluneční hojnosti, „který naznačuje chybějící složku v našem chápání Slunce, a na druhé straně by to mohl být úplně první náznak o částicové povaze samotné temné hmoty,“řekl. řekl. "Je vzrušující pomyslet na to, že se díváme na spojení mezi tak zdánlivě oddělenými oblastmi fyziky."
Specifický druh asymetrické částice temné hmoty, který Vincent a jeho kolegové zkoumali, měl zvláštní vlastnost: Čím větší byla jeho hybnost, tím pravděpodobnější bylo, že bude interagovat s jinými, normálními částicemi. Toto zjištění naznačuje, že „kolize, které přenášejí více energie, jsou pravděpodobnější a srážky, které přenášejí méně energie, jsou potlačeny,“řekl Vincent.
Hledání částic temné hmoty
Fyzici navrhli, že tyto asymetrické částice temné hmoty by mohly absorbovat energii v nejžhavější centrální části slunečního jádra. Částice by se pak mohly dostat do chladnější části slunce, kde by mohly tuto energii uložit, a změny na slunci, které by to vyvolalo, by mohly vysvětlit problém s hojností slunečního záření, uvedli vědci. Předpovídají, že takové částice by měly hmotnost asi 3 miliardy elektronvoltů, tedy o něco více než trojnásobek hmotnosti protonu.
Asymetrický model temné hmoty se liší od modelů, které naznačují, že částice temné hmoty jsou jejich vlastní antičástice, a tak se samy anihilují, když se dostanou do vzájemného kontaktu.
"Hlavní výhodou asymetrické temné hmoty je to, že se jí hodně může hromadit na slunci, když se pohybuje oblakem temné hmoty, který pohlcuje Mléčnou dráhu," řekl Vincent. "Pokud by se temná hmota sama zničila, temná hmota by zmizela dříve, než by ze slunečního jádra přenesla jakékoli značné množství tepla."
Pokud tato asymetrická temná hmota skutečně existuje, „měli bychom být na pokraji, že ji brzy uvidíme,“řekl Vincent. Poznamenal, že to může být viděno experimenty nové generace s detekcí temné hmoty, jako je SuperCDMS, který se nachází hluboko pod zemí v dolu Soudan v severní Minnesotě, a také během dalšího běhu Velkého hadronového urychlovače, nejsilnějšího atomu. smečař na světě.
Vincent, Scott a jejich kolega Aldo Serenelli ze španělského Institutu vesmírných věd v Bellaterře podrobně popíší svá zjištění v článku přijatém k publikaci v časopise Physical Review Letters.
