Фарміраванне касмічнай структуры, як на вялікіх, так і на малых, моцна залежыць ад таго, як узаемадзейнічаюць цёмная і нармальная рэчывы. Нягледзячы на ​​ўскосныя доказы цёмнай матэрыі, мы хацелі б мець магчымасць яе непасрэдна выявіць, і гэта можа адбыцца толькі ў тым выпадку, калі паміж звычайнай і цёмнай матэрыяй існуе ненулявы перасек. (Ілюстрацыя Ілюстрацыя / Ілюстрацыя мадэлявання)

Гэта колькі цёмнай матэрыі праходзіць праз ваша цела кожную секунду

Арэол цёмнай матэрыі пранізвае кожную галактыку, а гэта азначае, што яе часціцы праходзяць і праз нас.

Сусвет, нягледзячы на ​​ўсе планеты, зоркі, газ, пыл, галактыкі і многае іншае, што мы знаходзім у ёй, не зусім складаецца. У найбуйнейшых касмічных маштабах мы знаходзім адну і тую ж гісторыю, дзе мы глядзім: не хапае матэрыя, каб улічыць гравітацыйныя эфекты, якія мы назіраем. Справа згушчваецца ў касмічную павуціну; навалы галактык вырастаюць да велізарных памераў з хутка якія рухаюцца галактыкамі ўнутры; асобныя галактыкі круцяцца з вялікай хуткасцю, якая застаецца вялікай да самых іх краёў.

Без наяўнасці прыблізна ў пяць разоў больш матэрыі, чым пратоны, нейтроны і электроны, нічога з гэтага не было б магчыма. Наша карціна Сусвету патрабуе цёмнай матэрыі для самастойнай паслядоўнасці. Аднак, калі цёмная матэрыя рэальная, гэта азначае, што і наш Млечны Шлях мае арэол цёмнай матэрыі, і частка гэтага рэчыва прайшла праз Сонечную сістэму, Зямлю і нават цябе. Вось як даведацца, колькі цяпер у вас.

Самыя маштабныя назіранні ў Сусвеце: ад касмічнага мікрахвалевага фону да касмічнага палатна да кластараў галактык да асобных галактык, для тлумачэння таго, што мы назіраем, патрабуецца цёмная матэрыя. (Крыс Блэйк і Сэм Мурфілд)

Яшчэ ў маладым Сусвеце ўсё было гарачае, шчыльней і аднастайней, чым сёння. На ранніх этапах былі рэгіёны, якія нязменна перагружаліся, і там было больш, чым у сярэднім. Гравітацыя пераважна прыцягвае больш матэрыі ў такі рэгіён, але радыяцыя працуе, каб адштурхнуць гэтую справу назад.

Калі б з гэтым выпраменьваннем усё было ў звычайнай матэрыі і якія ўваходзяць у яе склад, то галактыкі і навакольныя галактыкі, якія існуюць сёння, былі б значна адрозныя ад таго, што мы назіраем. Але калі ў гэтым суадносінах 5 да 1 з звычайнай матэрыяй прысутнічае цёмная матэрыя, мы можам тэарэтычна ўзнавіць касмічную структуру сеткі, каб адпавядаць нашым назіранням і вымярэнням.

На самых буйных маштабах тое, як галактыкі аб'ядноўваюцца ў выглядзе назіранняў (сіні і фіялетавы), не можа быць узгоднена мадэляваннем (чырвоным), калі не ўключана цёмная матэрыя. (Джэрард Лемсан і кансорцыум Дзева, з дадзенымі SDSS, 2dFGRS і мадэлявання тысячагоддзя)

Адным з наступстваў існавання цёмнай матэрыі з'яўляецца тое, што з яе вынікае, што кожная вялікая структура, якая ўтвараецца ў Сусвеце, напрыклад, галактыка, будзе мець вялікі дыфузны арэол цёмнай матэрыі, якая атачае яе. Ва ўнутраных цячэннях кожнай галактыкі там будзе збірацца нармальная (заснаваная на атамах) матэрыя, паколькі нармальная матэрыя можа сутыкнуцца і ўзаемадзейнічаць як з самім сабой, так і з выпраменьваннем. Але цёмная матэрыя проста праходзіць праз усё: сябе, нармальную матэрыю, фатоны і г.д.

Толькі гравітацыйна ўзаемадзейнічаючы, часціцы цёмнай матэрыі не маюць магчымасці страціць вялікі імпульс, з якога яны пачынаюць. За ўсю гісторыю Сусвету кожная часцінка цёмнай матэрыі да сённяшняга дня можа праскочыць праз галактычны цэнтр толькі дзесятак разоў.

У адпаведнасці з мадэлямі і мадэляваннямі ўсе галактыкі павінны быць убудаваны ў арэолы цёмнай матэрыі, шчыльнасць якіх дасягае максімуму ў галактычных цэнтрах. На досыць працяглых тэрмінах, магчыма, мільярд гадоў, адна часцінка цёмнай матэрыі з ускраіны арэола завершыць адну арбіту. (NASA, ESA, T. Brown і J. Tumlinson (STScI))

На Сусветнай сусветнай маштабе дамінуе цёмная матэрыя. Але там, дзе мы знаходзімся, усяго ў 25000 светлавых гадоў ад цэнтра галактыкі, нармальная матэрыя лакальна больш багатая, чым цёмная матэрыя. Тут, на Зямлі, у нашай Сонечнай сістэме, сітуацыя яшчэ больш сур'ёзная, чым у міжзоркавым космасе. Шчыльнасць чалавека супастаўная з вадой: 1000 кілаграмаў на кубічны метр (кг / м³).

Цёмная матэрыя? Нават на аснове найбольш рэалістычных мадэляванняў, якія мы можам прыдумаць, мясцовая шчыльнасць цёмнай матэрыі, дзе мы знаходзімся, у шмат разоў меншая: каля 10 ^ -21 кг / м³. Калі б вы ў любую хвіліну склалі ўсю цёмную матэрыю ва ўсіх людзей на Зямлі, гэта атрымалася б не больш чым на адной нанаграме.

У той час як землятрусы прыкметна выклікаюць расколіны ў зямлі, яны таксама змяняюць кручэнне Зямлі, крыху памяншаюць яе дыяметр і аказваюць уздзеянне на тое, калі месцы паверхні здзяйсняюць поўнае кручэнне. Цёмная матэрыя не ўплывае ні на што, ані на што іншае, што адбываецца на Зямлі, уключаючы прысутнасць ці адсутнасць людзей. (Карыстачы Wikimedia Commons)

Калі вы прынялі б усю цёмную матэрыю ва ўсёй Сонечнай сістэме, выйшлі на арбіту Нептуна і склалі б усё, гэта складае ўсяго каля 10 кг: маса сціпла вялікага астэроіда. І тым не менш, таму што ў ёй няма калізійных узаемадзеянняў, што звычайна, гэта не рухаецца з Сонечнай сістэмай. Гэта не:

  • арбіта Сонца,
  • рухацца з Сонцам або іншымі зоркамі вакол галактычнага цэнтра,
  • знаходжанне ў самалёце,
  • альбо круцяцца з дыска Млечнага Шляху.

Іншымі словамі, гэтая матэрыя рухаецца пад уздзеяннем гравітацыі, адносна Зямлі, з даволі хуткай хуткасцю!

Арэол цёмнай матэрыі вакол нашай галактыкі павінен мець некалькі іншыя верагоднасці ўзаемадзеяння, калі Зямля круціцца на Сонцы, змяняючы наш рух праз цёмную матэрыю нашай галактыкі. (ESO / L. Calçada)

Калі вы хочаце ведаць, колькі цёмнай матэрыі праходзіць праз вас за пэўную колькасць часу, усё, што вам трэба, гэта чатыры лічбы, якія вы можаце памножыць разам. Яны:

  1. шчыльнасць цёмнай матэрыі,
  2. плошча паверхні чалавека, якая можа трапіць у цёмную матэрыю,
  3. хуткасць цёмнай матэрыі,
  4. і колькасць часу, за які вы хочаце ведаць адказ.

Пасля таго, як мы ацанілі шчыльнасць цёмнай матэрыі - і мы ўжо маем яе пры 10 ^ -21 кг / м³ - мы можам атрымаць адказ адразу.

Наша галактыка ўбудавана ў велізарны дыфузны арэол цёмнай матэрыі, што паказвае на тое, што праз Сонечную сістэму павінна цячы цёмная матэрыя. Але гэта не вельмі, шчыльна, і гэта вельмі цяжка выявіць на мясцовым узроўні. (Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587–589 (2009))

Плошча паверхні тыповага чалавека складае 1,7 квадратных метра. Паколькі цёмная матэрыя паступае пад выпадковым вуглом, мы можам зрабіць хуткі разлік і знайсці добрую ацэнку плошчы, якую "бачыць" цёмная матэрыя - гэта больш як 0,6 м².

Наша Сонечная сістэма круціцца вакол галактычнага цэнтра са хуткасцю каля 200 км / с, але падаючая цёмная матэрыя павінна рухацца адносна хутчэй: бліжэй да 350 км / с. Усе сказалі, што азначае, што цёмная матэрыя рухаецца ў параўнанні з чалавекам на Зямлі са хуткасцю каля 400 км / с.

І мы можам зрабіць гэта ў любы час, калі захочам: кожную секунду, на працягу года, альбо на працягу тыповага (80-гадовага) жыцця чалавека.

Перамяшчаючыся па чалавечым целе з сярэдняй хуткасцю 400 км / с, кожная асобная часцінка цёмнай матэрыі круцілася ў Галактыцы надзвычай працяглым рухам, за адзін час абарачэння сышло каля мільярда гадоў. Калі ёсць нейкае сячэнне ўзаемадзеяння паміж цёмнай матэрыяй і звычайнай матэрыяй, у нас будзе магчымасць непасрэдна яе выявіць. (агульнадаступнае / PxHere)

Нягледзячы на ​​тое, што ў любы момант у вас менш 10 ^ -22 кілаграмаў цёмнай матэрыі, праз вас увесь час праходзіць значна большая колькасць.

  • Кожную секунду вы выпрабоўваеце каля 2,5 × 10 ^ -16 кілаграмаў цёмнай матэрыі, якая праходзіць праз ваша цела.
  • Кожны год прыблізна 10 ^ -8 кілаграмаў цёмнай матэрыі прасоўваецца праз вас.
  • На працягу ўсяго чалавечага жыцця праз вас прайшло ўсяго крыху менш за 1 міліграм цёмнай матэрыі.

Што можа здацца мізэрнай колькасцю, сапраўды складаецца на працягу досыць доўгага перыяду часу.

Зала B СПГ з устаноўкамі XENON, з дэтэктарам, усталяваным унутры вялікага вадзянога шчыта. Калі ёсць нейкі ненулявы перасек паміж цёмнай матэрыяй і звычайнай матэрыяй, не толькі такі эксперымент атрымае магчымасць непасрэдна выявіць цёмную матэрыю, але ёсць верагоднасць, што цёмная матэрыя ў канчатковым выніку будзе ўзаемадзейнічаць з вашым чалавечым целам. (INFN)

Справа ў тым, што гэтыя колькасці настолькі вялікія, што яны не толькі вучаць нас чамусьці пра нашы целы і пра тое, што ў іх, але і пра тое, як мы марым шукаць цёмную матэрыю. Няхай гэта будзе незвычайна нізкамаштабная ці масіўная часціца, мы ведаем колькасць цёмнай матэрыі, якое праходзіць не толькі праз чалавека, але і на любы дэтэктар дадзенага аб'ёму. Калі мы мяркуем ведаць масу цёмнай матэрыі, мы можам вылічыць колькасць часціц, якія праходзяць праз што-небудзь.

На працягу дзесяцігоддзяў зараз мы ствараем вялікія і больш адчувальныя дэтэктары, спрабуючы пратэставаць любыя мізэрныя ўзаемадзеяння паміж цёмнай і звычайнай матэрыяй. Самыя сучасныя дэтэктары сёння выкарыстоўваюць атамы з вялікімі ядрамі ў надзвычай вялікай масе, шукаючы прыкметы аддачы ці іншага ўзаемадзеяння. І да гэтага часу ўсе метады непасрэднага выяўлення апынуліся пустымі.

Абмежаванні па перасеку цёмнай матэрыі / нуклона, уключаючы прагназаваную прагназаваную адчувальнасць XENON1T. Спробы, якія мы рабілі, каб знайсці цёмную матэрыю, абапіраліся на пэўны набор здагадак пра прыроду цёмнай матэрыі, але межы ў яе сячэнні добра абмежаваныя. (Этан Браўн з RPI)

Цёмная матэрыя, наколькі нам вядома, знаходзіцца там ва ўсіх напрамках. Гэта можа быць нябачным для нашых вачэй, але мы можам адчуць яго гравітацыйную сілу. Яна праходзіць праз усю матэрыю ў Сусвеце, у тым ліку і чалавека, як быццам яе зусім не было. Наколькі нам вядома, няма сутыкненняў і ўзаемадзеянняў, акрамя яго ўплыву на крывую прастору і час. Ён не згушчвае, кластар, не ўтварае структуры, як цёмныя атамы ці малекулы.

І ўсё ж, калі ў яго ёсць нават самы малюсенькі намёк на здольнасць сутыкнуцца альбо з звычайнай матэрыяй, альбо з выпраменьваннем, мы зможам яе выявіць. На працягу жыцця ў вашым целе прайшло каля міліграма цёмнай матэрыі. Калі нават адна часціца цёмнай матэрыі ўзаемадзейнічае з адным пратонам ці электронам у вашым целе, у нас будзе шанец. Калі казаць пра цёмную матэрыю - адну з самых глыбокіх таямніц Сусвету - цяжка папрасіць што-небудзь яшчэ.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".