Dræbte mørkt stof dinosaurerne?

Dræbte mørkt stof dinosaurerne?

En kunstners skildring viser en komet, der rammer Yucatán-kysten og forårsager udryddelsen af ​​ikke-fugle dinosaurer. (Billede udlånt af Don Davis/NASA)

Dinosaurerne så det aldrig komme. Da en gigantisk rumsten smadrede ind på Yucatán-halvøen for omkring 65 millioner år siden, endte deres globale regeringstid i katastrofal vold. Men den rumklippe - måske en komet flere kilometer bred - kunne have haft en snigende medskyldig: mørkt stof.

Mørkt stof er selvfølgelig det usynlige stof, der udgør en fjerdedel af universet og 85 procent af alt stof. Og Harvard-fysikeren Lisa Randall mener, at det kan være det, der slyngede den dino-ødelæggende komet mod Jorden. Ifølge hende teori , Mælkevejens mørke stof eksisterer i form af en tynd skive indlejret i det galaktiske plan - hvad Randall refererer til som 'dobbelt disk mørkt stof.' Mens det kredser om det galaktiske center, passerer solsystemet gennem denne skive, hvis tyngdekraft trækker på kometer i solsystemet - og i tilfælde af dinosaurens død trak den en af ​​dem lige nok til at sende den jordbundet.



Det er en tankevækkende idé, der forbinder et af de største kosmiske mysterier med alles foretrukne uddøde dyr. Selvfølgelig er det spekulativt. Men Randalls hypotese involverer en ny karakterisering af mørkt stof, der har vundet indpas i de senere år - en hvor mørkt stof er mere nuanceret og komplekst end tidligere antaget.

Denne nye klasse af mørkt stof indebærer det, der kaldes selv-interagerende mørkt stof. Teoretisk set kan det kollidere eller på anden måde interagere med sig selv, muligvis gennem en zoologisk have af partikler analogt med dem, der udgør regulært stof, såsom protoner, elektroner og kvarker. Et helt mørkt univers kan endda eksistere derude, med mørke atomer og endda mørke stjerner og planeter. 'Der er mange forskellige muligheder for, hvordan stof kan interagere,' siger Randall. 'Det samme gælder for mørkt stof.' Og hvis mørkt stof interagerer selv, betyder det, at videnskabsmænd, der har forsøgt at opdage de skyggefulde ting i omkring 30 år, har jagtet efter den forkerte type partikel.

Denne partikel er en svagt interagerende massiv partikel, eller WIMP, og stadig den mest populære mørkstofkandidatpartikel i dag. Ingen ved præcis, hvilken slags partikel det kan være, og fysikere har mange teorier. Generelt er en WIMP dog en partikel, der næsten ikke interagerer med noget på anden måde end via tyngdekraften - hvilket gør den til et godt valg for mørkt stof, fordi, så vidt nogen kan se, interagerer mørkt stof kun gravitationelt.

Fysikere foretrækker en WIMP, fordi den passer så godt ind i teorier om kosmologi. Som historien siger, kort efter Big Bang, ville disse partikler konstant have kørt ind i hinanden og udslettet i et udbrud af energi. Med tiden ville deres antal være faldet, og efterhånden som universet udvidede sig og afkølede, ville det være blevet sværere for dem at finde og udslette hinanden. Det viser sig, at mængden af ​​tilbageværende WIMP'er ville være lige nok til at tage højde for det mørke stof i universet.

'Folk på min alder bliver undervist i, at den mest rimelige og velmotiverede model for mørkt stof er WIMP-modellen - WIMP-miraklet,' siger James Bullock, en astrofysiker ved University of California, Irvine. 'Det forklarer så mange ting, at mange astronomer tager det som et evangelium.'

Relateret artikel

Ser på lys for tegn på mørkt stof

Så forskere har forsøgt at jage partiklen ned. De har brugt en satellit til at søge efter gammastrålesignaler, der kan skyldes, at WIMP'er udsletter hinanden i rummet. De håber at skabe en af ​​partiklerne ved Large Hadron Collider i Schweiz ved at smække protoner sammen med næsten lyshastighed. Og de har bygget underjordiske detektorer på steder rundt om i verden for at fange en, såsom Large Underground Xenon-eksperimentet en kilometer under overfladen i Black Hills i South Dakota. (Forskere antager, at WIMP'er også interagerer via den svage kraft, som kommer i spil på ekstremt korte afstande på subatomare niveau. I tilfældet med LUX håber forskerne at opdage WIMP'er, der interagerer gennem den svage kraft med flydende xenonatomer. Se mere for mere videoen nedenfor.)

Disse eksperimenter har kørt i et par år, hvilket er længe nok til, at forskere nu kunne have forestillet sig en WIMP. Alligevel har ingen fundet noget. 'Vi har søgt efter det på en række forskellige måder,' siger Yonit Hochberg, fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory. 'Hvis vi finder det, er det vidunderligt. Men hvis vi ikke gør det, er det måske på tide at tænke over andre muligheder.'

En mulighed: selv-interagerende mørkt stof, en samlebetegnelse for en mere kompleks form for mørkt stof. Mens WIMP'er næsten ikke bemærker hinanden, kan partikler af selv-interagerende mørkt stof teoretisk kollidere og spredes og opleve ikke-gravitationskræfter - ja, Star Wars-fans, de er mørke kræfter. Og i modsætning til WIMP mørkt stof involverer selv-interagerende mørkt stof mere end én type partikel.

Selv-interagerende mørkt stof kan forklare nogle uoverensstemmelser mellem WIMP-teorien og virkelige observationer af galakser. For eksempel viser computersimuleringer, at et univers af WIMP'er producerer galakser, hvis centre er tættere end det, der er observeret. Men hvis mørkt stof var selv-interagerende, ville dets bestanddele prelle af hinanden som bordtennisbolde. Som et resultat ville mindre mørkt stof hobe sig op i galaktiske kerner, hvilket resulterede i den mørke stoftæthed, som astronomer faktisk måler.

For nylig foreslog Hochberg en teori om selv-interagerende mørkt stof, hvor mørkt stof hovedsageligt består af en slags stærkt interagerende massiv partikel - en SIMP. Ligesom WIMP'er ville SIMP'er udslette hinanden tidligt i universets historie. I modsætning til WIMP'er ville det dog tage tre af dem at udslette, og to SIMP'er ville blive tilbage. Denne proces ville producere den rigtige mængde af resterende SIMP'er til at tage højde for alt det mørke stof i universet - men i dette tilfælde ville det være et 'SIMP-mirakel.'

Der kan være flere typer SIMP'er. Som et eksempel har Hochberg foreslået, at SIMP er en mørk version af en partikel kaldet en pion . Generelt set er SIMP'er dog mindst 1.000 gange lettere end en typisk WIMP, så for at opdage dem er fysikere nødt til at ændre deres søgestrategier (nogle eksperimenter i de tidlige stadier er allerede i gang).

I mellemtiden forsøger astronomer at finde ud af, om mørkt stof er selv-interagerende i første omgang. Specifikt studerer de fusioner mellem enorme klynger af galakser, som er indlejret i enorme klatter af mørkt stof kaldet mørkt stof-haloer. Hvis mørkt stof interagerer, ville sammensmeltende glorier bremse hinanden - hvilket astronomer kan opdage ved at måle, hvor meget deres tyngdekraft fordrejer lyset fra baggrundsgalakser.

EN USA-baseret hold har netop undersøgt 25 galaktiske fusioner, og de håber, at de inden for få år vil vide med sikkerhed, om mørkt stof interagerer eller ej. 'Dette vil være nok til at fremsætte en endelig påstand på den ene eller anden måde,' siger Will Dawson, en astronom ved Lawrence Livermore National Laboratory, som sammen med Bullock er et teammedlem.

For nylig studerede en anden gruppe en galakse, der falder ind i en galaksehob kaldet Abell 3827. Deres indledende analyse tyder på, at det mørke stof faktisk interagerer, selvom nogle forskere sår tvivl på fundene.

Men mørkt stof er måske ikke blot enten stærkt eller svagt interagerende. Det kunne være en kombination af begge - hvilket bringer os tilbage til dinosaurerne.

Ifølge Randalls teori er størstedelen af ​​mørkt stof meget svagt interagerende. Men en lille komponent kunne interagere med sig selv gennem en kraft svarende til den elektromagnetiske kraft. I Mælkevejen ville denne selv-interagerende komponent tegne sig for omkring fem procent af galaksens samlede masse. Denne form for mørkt stof ville være sammensat af positivt og negativt ladede partikler, såvel som mørke fotoner (det vil sige mørkt lys), der interagerer på en måde, der spreder energi. Takket være dette energitab ville mørkt stof-partikler sænke farten, kombineres for at danne mørke atomer og til sidst flade ud til en enorm skive på linje med galaksen.

Randall og hendes team viste at hvis denne mørk-stof-skive eksisterede, kunne den forklare de geologiske beviser for, at Jorden har oplevet periodiske nedslag fra kometer hvert 35. million år eller deromkring. Forskere har tidligere foreslået, at når solsystemet kredser om Mælkevejens centrum, svæver det op og ned gennem det galaktiske plan med omtrent samme frekvens. Når det sker, foreslår Randalls team, passerer solsystemet også gennem mørkstofskiven, hvis tyngdekraft udløser en tilstrømning af kometer til at kaste det indre solsystem. Det var en af ​​de kometer, der dræbte dinosaurerne.

For at afgøre, om der eksisterer en mørk-stof-skive, kunne astronomer bruge den europæiske Gaia-satellit, en mission, der blev opsendt i 2013, og som måler placeringen og banerne for omkring en milliard stjerner i Mælkevejen. Hvis der er en skive, ville astronomer være i stand til at opdage dens gravitationspåvirkning på disse stjerners bevægelser.

Indtil nok beviser peger på den ene eller anden måde om, hvorvidt mørkt stof interagerer, forbliver videnskabsmænd som Dawson dog agnostiske. 'Jeg er lige så glad for at udelukke selv-interagerende mørkt stof, som jeg er for at opdage det,' siger han. Alligevel, i betragtning af menageriet af partikler og kræfter involveret i regulært stof, er det ikke langt ude at tro, at mørkt stof kan være lige så komplekst. Faktisk, siger han, kunne det være mere overraskende, hvis det ikke var.

'Der er alle disse muligheder derude,' siger Bullock. »Måske kan vi i sidste ende udelukke de muligheder. Men lige nu kan vi ikke.'