Mitä väliä?

Meitä ympäröi aine. Itse asiassa meillä on merkitystä. Kaikki mitä havaitsemme maailmankaikkeudessa, on myös asia. Se on niin perustavaa laatua, että hyväksymme yksinkertaisesti sen, että kaikki on tehty aineesta. Se on kaiken perustavaa laatua: elämä maan päällä, planeetta, jolla elämme, tähdet ja galaksit. Se määritellään tyypillisesti mitä tahansa, jolla on massaa ja joka vie tilaa.

Aineen rakennuspalikoita kutsutaan "atomiksi" ja "molekyyleiksi". Hekin ovat asiaa. Aine, jonka voimme havaita normaalisti, kutsutaan "baryoniseksi" aineeksi. On kuitenkin olemassa toisen tyyppinen aine, jota ei voida suoraan havaita. Mutta sen vaikutus voi. Sitä kutsutaan pimeä aine.

On helppo tutkia normaalia tai "baryonista ainetta". Se voidaan hajottaa alaatomisiksi hiukkasiksi, joita kutsutaan leptoneiksi (esimerkiksi elektronit) ja kvarkeiksi (protonien ja neutronien rakennuspalikoiksi). Nämä muodostavat atomit ja molekyylit, jotka ovat komponentteja kaikesta ihmisestä tähtiin.

Normaali aine on valoisa, eli se on vuorovaikutuksessa sähkömagneettisesti ja painovoimaisesti muun aineen kanssa säteily. Se ei välttämättä loistu kuin ajattelemme tähdestä loistavaa. Se voi vapauttaa muuta säteilyä (kuten infrapuna).

Toinen näkökohta, joka tulee esiin, kun asiasta keskustellaan, on nimeltään antimateria. Ajattele sitä normaalin aineen kääntöpuolena (tai ehkä peilikuvana) siitä. Kuulemme siitä usein, kun tutkijat puhuvat aineen / aineen vastaiset reaktiot virtalähteinä. Antimateriaalin perusajatus on, että kaikilla hiukkasilla on antihiukkaset, joilla on sama massa, mutta vastakkaisella linjalla ja varauksella. Kun aine ja antimateria törmäävät toisiinsa, ne tuhoavat toisiaan ja luovat puhdasta energiaa muodossa gammasäteet. Tämä energian luominen, jos se voitaisiin valjastaa, antaisi valtavia määriä voimia jokaiselle sivilisaatiolle, joka voi selvittää, kuinka se tehdään turvallisesti.

Toisin kuin normaali aine, tumma aine on materiaalia, joka ei ole valaisevaa. Eli se ei ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisesti ja siksi se näyttää tummalta (ts. Se ei heijasta tai anna valoa). Pimeän aineen tarkkaa luonnetta ei tunneta hyvin, vaikka sen vaikutuksen muihin massoihin (kuten galakseihin) ovat havainneet tähtitieteilijät, kuten tohtori Vera Rubin ja muut. Sen läsnäolo voidaan kuitenkin havaita sen gravitaatiovaikutuksen avulla, joka sillä on normaaliin aineeseen. Esimerkiksi sen läsnäolo voi rajoittaa tähtien liikkeitä esimerkiksi galaksissa.

Nykyisin "asioille", jotka muodostavat tumman aineen, on kolme perusmahdollisuutta:

• Kylmä pimeä aine (CDM): Yksi ehdokas on nimeltään heikosti vuorovaikutuksessa oleva massiivinen hiukkas (WIMP), joka voisi olla perustana kylmälle pimeälle aineelle. Tutkijat eivät kuitenkaan tiedä paljoakaan siitä tai siitä, miten se olisi voinut muodostua maailmankaikkeuden varhaisessa vaiheessa. Muita mahdollisuuksia CDM-hiukkasille ovat aksionit, mutta niitä ei ole koskaan havaittu. Lopuksi on olemassa MACHO: ita (MAssive Compact Halo Objects), jotka voisivat selittää tumman aineen mitatun massan. Näitä esineitä ovat mustat aukot, muinainen neutronitähdet ja planeettaobjektit jotka kaikki eivät ole valaisevia (tai melkein sellaisia), mutta sisältävät silti merkittävän määrän massaa. Ne selittäisivät sopivasti tumman aineen, mutta siinä on ongelma. Niitä olisi oltava paljon (enemmän kuin voitaisiin odottaa ottaen huomioon tiettyjen galaksien ikä) ja niiden jakautumisen olisi oltava uskomattoman hyvin levinnyt koko maailmankaikkeuteen selittääkseen pimeän aineen, jonka tähtitieteilijät ovat löytäneet "sieltä". Joten, kylmä pimeä aine on edelleen "työ vuonna" edistystä."
• Lämmin tumma aine (WDM): Tämän ajatellaan koostuvan steriileistä neutriinoista. Nämä ovat hiukkasia, jotka ovat samanlaisia ​​kuin normaalit neutriinot, paitsi sillä, että ne ovat paljon massiivisempia eivätkä ole vuorovaikutuksessa heikon voiman kautta. Toinen ehdokas WDM: ään on gravitino. Tämä on teoreettinen hiukkanen, joka olisi olemassa, jos supergravitaation teoria - sekoittuminen yleinen suhteellisuusteoria ja supersymmetria - saada pitoa. WDM on myös houkutteleva ehdokas selittämään pimeää ainetta, mutta joko steriilien neutriinojen tai gravitinoiden esiintyminen on parhaimmillaan spekulatiivista.
• Kuuma tumma aine (HDM): Kuumana tummaaineena pidettäviä hiukkasia on jo olemassa. Niitä kutsutaan "neutriinoiksi". He matkustavat melkein valon nopeus ja älä "rypisty" yhteen tavalla, jonka projisoimme pimeäksi aineeksi. Kun otetaan huomioon myös se, että neutriino on lähes massaton, tarvitaan uskomattomia määriä niitä, jotta saadaan aikaan pimeän aineen määrä, jonka tiedetään olevan olemassa. Yksi selitys on, että on olemassa vielä havaitsematon tyyppi tai maku neutriinoa, joka olisi samanlainen kuin jo tiedetään olevan olemassa. Sillä olisi kuitenkin huomattavasti suurempi massa (ja siten ehkä hitaampi nopeus). Mutta tämä todennäköisesti muistuttaisi lämpimää tummaa ainetta.

Ainetta ei ole olemassa täysin ilman vaikutusta maailmankaikkeudessa, ja säteilyn ja aineen välillä on utelias yhteys. Tätä yhteyttä ymmärrettiin hyvin vasta 1900-luvun alussa. Silloin Albert Einstein alkoi miettiä niiden välistä yhteyttä asia ja energia ja säteily. Tässä on mitä hän keksi: suhteellisuusteorian mukaan massa ja energia ovat vastaavat. Jos riittävä säteily (valo) törmää muihin fotoneihin (toinen sana valon "hiukkasille"), joiden energia on riittävän korkea, massaa voidaan luoda. Tätä prosessia tutkijat tutkivat jättiläisissä laboratorioissa hiukkasten törmäyslaitteiden kanssa. Heidän työnsä tuntee syvällisesti aineen sydäntä etsien pienimpiä hiukkasia, joiden tiedetään olevan olemassa.

Joten vaikka säteilyä ei nimenomaisesti pidetä aineena (sillä ei ole massaa tai sen tilavuus ei ainakaan ole selvästi määritelty), se on yhteydessä aineeseen. Tämä johtuu siitä, että säteily luo ainetta ja aine luo säteilyä (kuten kun aine ja anti-aine törmäävät yhteen).

Vieden aineen säteilyyhteyden askeleen pidemmälle, teoreetikot ehdottavat myös, että salaperäinen säteily on olemassa meissä maailmankaikkeus. Sitä kutsutaan tumma energia. Sen luonnetta ei ymmärretä ollenkaan. Ehkä kun pimeä aine ymmärretään, ymmärrämme myös pimeän energian luonteen.

Toimittanut ja päivittänyt Carolyn Collins Petersen.