Co łączy polaryzację z ciemnością
6 listopad 2009
Kontynent umiejscowiony wokół mroźnego Bieguna Południowego zwany Antarktydą wywołuje z pewnością automatycznie sporo utartych skojarzeń – a to wyobrażamy sobie śnieżną i lodowatą pustynię, po której hasają gromadki niezniszczalnych pingwinów, to znów myślimy o topniejących lodowcach zagrażających nadmorskim kurortom, pierwszym jednak przymiotnikiem, który nasuwa się na myśl, jest: „zimny”. Rzeczywiście, to na Antarktydzie właśnie notowano swego czasu rekordowo niskie w skali Ziemi temperatury, jest to jednak tylko jeden z kilku decydujących powodów, dla których naukowcy nie raz i nie dwa wybierali ten mroźny kontynent jako placówkę badawczą. Poza niskimi temperaturami niebagatelną rolę – dla naszych ulubionych astronomów – odgrywa również oczywisty brak tzw. „light pollution”, czyli zanieczyszczenia nieba światłami cywilizacji (chyba że akurat co bystrzejsze grupy pingwinów wpadły na pomysł rozpalania gigantycznych ognisk, co jednak wydaje się, trzeba szczerze przyznać, mało prawdopodobne), jak i klarowność i czystość powietrza skutego mocarnym mrozem. Sporo eksperymentów astrofizycznych przewinęło się już przez Antarktydę; tym razem chciałbym wspomnieć o jednym, który – umiejscowionym w pobliżu samego Bieguna Południowego – może mieć całkiem duże znaczenie dla naszej wiedzy o zawartości Wszechświata.
O mikrofalowym promieniowaniu tła (cosmic microwave background, CMB) wspominałem już wcześniej tyle razy, że aby nie powtarzać do znudzenia tej samej litanii po raz n-ty, nie pozostaje mi nic innego, jak poprosić Was o sięgnięcie do wyszukiwarki z prawej u góry strony lub choćby do Wikipedii, jeśli jeszcze nie wiecie, co to takiego. Promieniowanie to ma ogromne znaczenie dla naszej współczesnej wiedzy o Wszechświecie, wszyscy jednak, którzy mogliby uważać, że swoją oświeceniową misję spełniło już jakiś czas temu ukazując nam mapę fluktuacji młodziutkiego Wszechświata, są w błędzie – CMB kryje przed nami jeszcze wiele cennych informacji, przy czym te najbardziej pożądane są dla nas ciągle jeszcze nieosiągalne ze względu na niedoskonałości aparatury badawczej (rzucę tylko mimochodem tajemniczym pojęciem „mod B”, wytrzymałych zapraszam do samodzielnych poszukiwań, podaję tylko przykładowy link). Jednym z fundamentalnych zagadnień, w przypadku których CMB wydaje się służyć naukowcom w najlepsze, jest kwestia rzeczywistego składu Wszechświata, inaczej mówiąc tego, ile tak naprawdę „zwykłej” materii w nim się znajduje.
Nie od dziś naukowcy w przeważającej mierze zakładają, że „zwykła” materia (z której składamy się my sami, gwiazdy i planety oraz wszystko, co jesteśmy w stanie zobaczyć) niespodziewanie stanowi niewielki ułamek całkowitej „zawartości” Wszechświata. Jakkolwiek może się to wydawać dziwne, wiele poszlak wskazuje na to, że ogromna większość „energii-materii” Wszechświata skoncentrowana jest w egzotycznych formach, zwanych odpowiednio „ciemną energią” i „ciemną materią”. I choć nie ma naprawdę niezbitych dowodów na istnienie obu tych dziwactw, to tzw. Standardowy Model Kosmologiczny, czyli współczesna najpopularniejsza wśród naukowców wykładnia dotycząca struktury, składu i historii Wszechświata, zakłada, iż „zwykła” materia stanowi zaledwie 5% całości. Niewiele, prawda?
Kłótnie wokół „ciemnych” składników Wszechświata trwają w najlepsze, w ostatnich dniach jednak pojawiła się niepostrzeżenie praca naukowa, która dorzuca swój całkiem spory kamyczek do tej dyskusji – tym razem przedstawiając wyniki sugerujące poprawność Standardowego Modelu, inaczej mówiąc – wspierając hipotezę o istnieniu „ciemnych” złoczyńców. Pierwszego listopada na łamach „Astrophysical Journal” ukazała się bowiem praca zespołu naukowców, kierowanego przez panią profesor Sarah Church z Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC, Stanford University, Palo Alto, USA) oraz Waltera Gear z School of Physics and Astronomy przy Cardiff University (Cardiff, UK). który w oparciu o wnikliwą analizę promieniowania CMB potwierdza dość jednoznacznie, że Model Standardowy wydaje się być bardzo bliski temu, z czym mamy do czynienia w naszym Wszechświecie.
Na Biegunie Południowym znajduje się teleskop przynależący do tzw. kolaboracji QUaD (QUEST and DASI), teleskop o średnicy 2,6 metra, który w sumie jest w uproszczeniu tzw. bolometrem, inaczej mówiąc termometrem, który mierzy w jaki sposób określone rodzaje promieniowania nagrzewają metalowe czujniki detektora. Miejsce dla eksperymentu wybrano nieprzypadkowo – wspomniana na początku niska temperatura ma swoje znaczenie, choć i tak jest nieporównywalnie wyższa od temperatury urządzenia – aby zakłócenia otoczenia nie mogły zafałszować wyników obserwacji, urządzenie schładzane jest do temperatury bardzo bliskiej zera absolutnego. Na co jednak teleskop rzuca okiem, zapytacie – już odpowiadam.
CMB to promieniowanie elektromagnetyczne a te może być (lub nie) spolaryzowane. Posiadacze aparatów fotograficznych próbujący trochę poważniej podejść do fotografii z pewnością wiedzą, jak zmienia się rejestrowany obraz po założeniu na obiektyw polaryzatora i przekręceniu go o 90 stopni (w przypadku kołowego), ten sam mechanizm dotyczy jednak generalnie fal (z pewnymi wyjątkami) – światło spolaryzowane to inaczej mówiąc (w dużym uproszczeniu) światło takie, w przypadku którego oscylacje fali elektromagnetycznej następują tylko w kierunku prostopadłym do kierunku przemieszczania się fali – niewiele co prawda mi to mówi jako wybitnemu laikowi, jednak różnicę na wykonywanych zdjęciach widzę i to mi wystarcza, mniejsza zresztą o mechanizm za tym stojący. Co prawda większość promieniowania, z którym mamy styczność, nie jest zasadniczo spolaryzowana, jednak nie jest to cecha, z którą światło musi się „rodzić” i która nie może zostać nabyta – poprzez kontakt z materią światło może zostać spolaryzowane. I taką cechę – polaryzację – wykazuje również kosmiczne promieniowanie tła.
Mimo że promieniowanie CMB ochłodziło się niewspółmiernie od czasów, kiedy zostało wyemitowane, to zachowało jednak wzorzec polaryzacji z epoki, która miała miejsce niespełna 400 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, kiedy to Wszechświat stał się w końcu przeźroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego. Co jednak ważne, polaryzacja CMB wydaje się mieć ścisły związek z dystrybucją materii w tak wczesnym Wszechświecie – w związku z tym naukowcy, którzy są w stanie precyzyjnie zbadać polaryzację CMB, są również w stanie tworzyć szczegółowe mapy rozkładu materii we wczesnym Wszechświecie. Tego właśnie dokonali naukowcy z obu wspomnianych wyżej uczelni – wykonali oni, korzystając z teleskopu eksperymentu QUaD mapy rozkładu (i – co ważne – również prędkość przemieszczania się!) materii w niemowlęcym wieku Wszechświata o niespotykanej dotąd precyzji.
W pracy zaprezentowanej na łamach „Astrophysical Journal” zespół Church i Geara przedstawia takowe mapy, wysnuwając również na ich podstawie dość znaczące wnioski – wszystko wskazuje na to, że charakterystyka polaryzacji CMB zgadza się zaskakująco dobrze z przewidywaniami Modelu Standardowego, wedle którego Wszechświat składa się w 5% ze „zwykłej” materii i pozostałych 95% „ciemnych” składników. Więcej nawet – Wszechświat, który byłby złożony tylko ze „zwykłej” materii, nie mógłby, opierając się na tych mapach, wyglądać tak, jak wygląda obecnie. „Zwykła” oraz „ciemna” materia w różny sposób wpływają na szczegóły (o których wolę się nie wypowiadać w swej niewiedzy) związane z charakterem polaryzacji CMB, z tego względu promieniowanie to stanowi klucz do tego, by w pośredni sposób potwierdzić istnienie „ciemnych” treści we Wszechświecie.
Jak sądzę jest to dość znaczące stwierdzenie – alternatywne modele, które posyłają w diabły „ciemne” składniki, tracą w pewnym sensie grunt pod nogami, Standardowy Model, dopieszczający „ciemną” materię i energię, zyskuje na sile. Można oczywiście tutaj dyskutować zawzięcie (choć do tego potrzebna jest odpowiednia wiedza, którą nie dysponuję) i zarzucać naukowcom to i owo, jednak sam, mimo sceptycznej postawy wobec „ciemnych” składników, muszę przyznać, że trudno mi w jakiś sensowny sposób zarzucić naukowcom błędy – co prawda nikt nie pokazał nam bezpośrednio „grudki” ciemnej materii, jednak związek między polaryzacją CMB a zawartością Wszechświata z jakiegoś powodu wskazuje na niewygodną dla wielu strukturę. Pozostaje tylko czekać na kolejne próby obalenia lub umocnienia hipotez „ciemnych” składników.
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Zdjęcie: Teleskop QuAD
Źródło zdjęcia
Credit: Rfriedman81/Wikipedia
Kosmologiczny ruch oporu
5 maj 2009
Nie raz i nie dwa pisałem już o “ciemnej materii” – tym niezwykłym (ciągle hipotetycznym!) składniku Wszechświata, który stanowić ma zgodnie z mniemaniem niemałego grona teoretyków znakomitą większość jego masy, i, jak na złość, być czymś niewidzialnym, wymykającym się stale obserwacjom. Nie będzie więc zapewne niespodzianką, że ten wpis również zostanie poświęcony temu zagadnieniu, inaczej jednak niż poprzednio, ku zadowoleniu, jak sądzę, niektórych czytelników, stawiając “ciemną materię” w dość krytycznym świetle, ba, opisując pewien interesujący trend, objawiający się jak dotąd wyraźnie tylko w Europie.
“Ciemna materia” to zaprawdę trudny orzech do zgryzienia – parafrazując banalne powiedzenie można stwierdzić, że albo się ją kocha albo nienawidzi. Zwolennicy hipotezy na niej opartej wspierają się między innymi zagadkowym zachowaniem gromad galaktyk, w których ruchy pojedynczych jej składników nie do końca wyglądają tak, jak wynikałoby to ze standardowych modeli kosmologicznych, podobnie ma się sprawa z pojedynczymi galaktykami, które bez “ciemnej materii” musiałyby się dawno rozlecieć. Ponieważ badacze ci nie mają zamiaru grzebać przy fundamentach tychże modeli siłą rzeczy zmuszeni są do “wyprodukowania” nowego czynnika, który pozwala dopasować obserwacje do istniejących teorii. Nie wszyscy jednak się z tym muszą zgadzać (choć w USA, kraju wyznaczającym przecież kierunki w naukach ścisłych nie od dziś, jak się zdaje “ciemna materia” dalej niepodzielnie niemal rządzi), wiele wskazuje na to, że od jakiegoś czasu taki “ruch oporu” się nasila – pod tym względem, jakżeby inaczej, przodują naukowcy europejscy.
Problem z “ciemną materią” jest oczywisty i widoczny na pierwszy rzut oka – w konsekwencji niewytłumaczalnych w inny sposób obserwacji naukowcy lekką ręką wprowadzili do naszej rzeczywistości nowy jej składnik, który – cóż za niespodzianka – nie oddziałuje ze “zwykłą” materią, tym samym nie można go w zasadzie zaobserwować ani nawet zdefiniować, z czego miałby się składać. Nic dziwnego w tym, że spora część świata fizyków nie chce się z tym pogodzić (podobnie jak wiele osób postronnych, interesujących się tematem), zagrywka taka ma bowiem wyraźne znamiona, nie przymierzając, “szachrajstwa”, polegającego na swobodnym tworzeniu nowych czynników, byle dane obserwacyjne jakoś do modeli pasowały. Sytuacji wcale nie poprawia fakt, że od wielu lat nie ustają usilne wysiłki, by w jakikolwiek sposób istnienie “ciemnej materii” udowodnić eksperymentalnie, które jak dotąd prowadziły donikąd. Szczerze mówiąc, jeśli mogę powiedzieć słowo o moim własnym zdaniu – nie byłem nigdy jakimś zagorzałym fanem “ciemnej materii”, jednak nigdy też nie upierałem się, że istnieć ona MUSI.
Zdaniem rosnącej liczby fizyków “ciemna materia” istnieć NIE MUSI, więcej nawet, NIE MA po prostu takiego prawa. Do przedstawicieli takiego nurtu przynależą między innymi naukowcy z Niemiec, Austrii i Australii, którzy pracują pod kierownictwem profesora Pavla Kroupy, pracującego obecnie w Argelander-Institut für Astronomie (AlfA) przy Universität Bonn (Niemcy). Sprawa tutaj się jednak komplikuje, bo nie można “wyrzucić” z obiegu jednej hipotezy, nie dając w zamian innej – w jakiś sposób niecodzienne efekty grawitacyjne musimy przecież objaśnić. Kroupa i koledzy nie obawiają się jednak awantury – ich zdaniem fizycy miłujący “ciemną materię” zaczęli podgryzać problem od złej strony, trzeba dać spokój mnożeniu składników Wszechświata, zamiast tego rewidując fundamentalne prawa fizyki.
Brzmi groźnie i bałwochwalczo? Swego czasu pewnie tak brzmieć mogło, jednak w końcu tylko w taki sposób dokonywał się zwykle każdy znaczący przełom w naukach fizycznych. Bez podważania “świętych prawd” bylibyśmy obecnie w zupełnie innym miejscu, kto wie, jaki byłby nasz stan wiedzy. Dlatego Kroupa i jego zespół bez ogródek sugerują, iż może zaistnieć konieczność pogrzebania przy prawie grawitacji Newtona.
Prawo to od setek lat spisuje się doskonale w przypadku opisu “codziennych” sytuacji obserwowanych przez nas na przykład na Ziemi, jednak byłoby nieprawdą stwierdzenie, że jest doskonałe. Wręcz odwrotnie – dotąd modyfikowaliśmy prawo Newtona już kilkakrotnie, zawsze wtedy gdy okazywało się, iż w warunkach “ekstremalnych” niespecjalnie sobie radzi. Kiedy Einstein zachodził w głowę nad tym, jak na teorię wpływają ogromne prędkości, wykluła się Szczególna Teoria Względności, kiedy natomiast zerknął na sytuację w pobliżu olbrzymich mas, stworzył Ogólną Teorię Względności. Nie koniec na tym – okazało się również, że w skali subatomowej (cząstek elementarnych) prawo to również musi zostać zmodyfikowane – tutaj mamy znaną skądinąd mechanikę kwantową. Spoglądając w przeszłość trudno więc zagwarantować, że nie czeka nas kolejna rewizja teorii Newtona, może już w całkiem bliskiej przyszłości.
Jak Kroupa i koledzy doszli do takich wniosków? Zajęli się badaniami nad tzw. galaktykami satelickimi, czyli względnie malutkimi zbiorowiskami gwiazd (liczonych w tysiącach czy dziesiątkach tysięcy), okrążającymi każdą dużą galaktykę, w tym oczywiście i również naszą Drogę Mleczną. Dotąd takich galaktyk (najczęściej są to galaktyki karłowate, rzadziej nieregularne) wokół Galaktyki odkryto ok. 30, co już stanowi pewien problem – najlepsze obecnie modele kosmologiczne podpowiadają, że galaktyk takich wokół każdej większej galaktyki powinno być nawet setki. Jednak w tym miejscu problem można od biedy przeskoczyć – zakładamy, że światło większości z tych galaktyk jest tak słabe, iż po prostu ich nie potrafimy zaobserwować. Uff, udało się, możemy więc przejść dalej. Tym razem kolejny kłopot wpędza nas w prawdziwy galimatias – dokładne badania danych zebranych na temat galaktyk satelickich Drogi Mlecznej wykazały bowiem, że jest w nich coś niezwykłego: po pierwsze rozkład satelit wokół galaktyki macierzystej, który powinien być dość równomierny, wcale takim nie jest – wszystkie “klasycznie” znane galaktyki satelickie Drogi Mlecznej – jedenaście najjaśniejszych – leżą mniej więcej w tej samej płaszczyźnie, tworząc coś jakby dysk wokół Galaktyki. Nie koniec na tym – większość z nich obraca się wokół Drogi Mlecznej w tym samym kierunku, co również nie powinno mieć miejsca, gdyż ruchy te musiałyby być raczej przypadkowe.
Ciągle jednak nic nie mówi nam to o “ciemnej materii” i prawie Newtona. Ale po kolei – wspomniane nietypowe zachowanie satelit możliwe jest do wytłumaczenia, zgodnie z obecnie istniejącymi teoriami, tylko jako konsekwencja teorii “zderzenia”, która wyprowadza ich istnienie z dawnych czasów, kiedy to młode galaktyki zderzały się ze sobą i w ten sposób z “resztek” pozostałych na pobojowisku powstawały galaktyki satelickie. Jednak te same teorie podpowiadają, że galaktyki powstałe w ten sposób NIE MOGĄ zawierać “ciemnej materii”. Co innego mówią jednak obserwacje – gwiazdy w takich galaktykach poruszają się znacznie szybciej, niż podpowiada prawo grawitacji. Teraz to tutaj coś zupełnie już nie gra.
Jeśli fizyka “klasyczna” jest poprawna, MUSI istnieć ciemna materia, w inny sposób nie potrafimy obecnie wyjaśnić takiego fenomenu. Jeśli jednak niechętnie spoglądamy na “ciemną materię”, nie pozostaje nic innego, jak zakwestionowanie poprawności tejże fizyki. Profesor Kroupa wraz z zespołem twierdzi, że tak właśnie jest - świat, w którym żyjemy, jest w jeszcze mniejszym stopniu “newtonowski”, niż dotąd przypuszczaliśmy. Dziwne zachowanie galaktyk satelickich wspiera hipotezę, konieczne jest więc poważne rozważenie tej alternatywy. Warto tutaj też pamiętać o tym, iż wcale nie mówimy o zjawisku zupełnie nowym – od wielu lat istnieje coś takiego jak “zmodyfikowana dynamika Newtonowska” (MOND), hipoteza postawiona na początku lat osiemdziesiątych XX wieku przez izraelskiego fizyka Mordehai Milgroma, która niestety przez kilkadziesiąt lat nie zdobyła zbyt wielkiej popularności wśród naukowców i pokryła się kurzem (swoją drogą ciekawie brzmi opis MOND na Wikipedii: “Uwaga: Teoria ta nie mieści się w uznanym powszechnie paradygmacie”, brzmi to jak ostrzeżenie, aby za żadne skarby nie traktować jej poważnie).
Co ciekawe, badania zespołu Kroupy prowadzą do wniosków doskonale zgadzających się z przewidywaniami MOND, będących jednak w całkowitej opozycji do hipotezy “ciemnej materii”. Czyżby przełom w skostniałej fizyce zbliżał się nieubłaganie? I co miłe – forsowany byłby i dokonany przez naukowców na Starym Kontynencie?
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Rewelacje PAMELI
2 kwiecień 2009
Ale się zrobił ruch w światku kosmonautyki – zdaje się, że fenomenalny wręcz wzrost temperatury i wiosennie olśniewające słońce dotarły również do naszych amerykańskich sojuszników po drugiej stronie oceanu, zmuszając ich do wytężonej gimnastyki. Dopiero co niedawno po jak najbardziej pozytywnie zakończonej misji wrócił z orbity wahadłowiec “Discovery”, a już NASA pełną parą przygotowuje misję kolejną, której znaczenie jest naprawdę niebagatelne. Przedwczoraj do “launch padu” w Kennedy Space Center na Florydzie został z oszałamiającą prędkością (trochę ponad 5 km w czasie ok. 7 godzin) przetransportowany prom kosmiczny “Atlantis”, który, zgodnie z planem, 12 maja (tego roku!) powinien wyruszyć z arcyważną misją na orbitę – w ciągu 11 dni pracy w pocie czoła kosmonauci zabiorą się za reperowanie legendarnego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, co powinno na kilka lat – mówi się tu o 2013 roku – przedłużyć jego przełomowy dla astronomów na całej planecie żywot. Miejmy nadzieję, że tym razem rzeczywiście wszystko się uda – nie można bowiem mimo wszystko zapominać o tym, iż misja faktycznie miała się odbyć już jesienią minionego roku.
Trochę jednak do samego emocjonującego momentu startu (tym razem, jak sądzę, obejdzie się bez ofiar pod postacią Bogu ducha winnych nietoperzy) jeszcze zostało, niewiele więc więcej trzeba – w tej chwili – o tym pisać. W zamian jednak oferuję historię co najmniej ciekawą, jeśli nie zakrawającą na sensację, wchodzicie w ten układ?
W 2006 roku, dokładniej 15. czerwca, na orbitę Ziemi na wysokość kilkuset kilometrów został wysłany rosyjski komercyjny satelita o nazwie Resurs-DK1. Jego zadaniem jest tworzenie wysokiej jakości obrazów powierzchni Ziemi, jednak – co tutaj istotne – częścią satelity, że tak powiem dodatkową “przystawką”, jest naukowy detektor o ładnie brzmiącej nazwie PAMELA, stworzony i operowany przez włoskich naukowców. Pod tym jakże kobieco brzmiącym skrótem kryją się pojęcia z płcią wrażliwą nie mające niestety zbyt wiele wspólnego – PAMELA to bowiem akronim od “Payload for Antimatter Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics”. I już jesteśmy w domu – materia? Antymateria? Astrofizyka? A jakże – zainteresowani niech już nadstawiają uszu.
Detektor PAMELA zbierał, w ciągu ok. 500 dni od lipca 2006 do lutego 2008 roku, dane na temat promieniowania kosmicznego, docierającego zewsząd do naszej planety. Mimo różnorakich zadań, jakie ma wykonywać detektor, nie ma co ukrywać, że tak naprawdę włoscy naukowcy stworzyli PAMELĘ w jednym celu zasadniczym celu – poszukiwania śladów ciemnej materii w Kosmosie. Niektórym z was mina już pewnie zrzedła – ciemna materia to ciągle coś, co podobno istnieje (bo musi, zgodnie z naszymi obliczeniami dotyczącymi choćby galaktyk), ale nie wiadomo czym jest i czy (w 100%) naprawdę istnieje. Zaczynamy więc tutaj wchodzić w temat ciągle mocno hipotetyczny i spekulacyjny, kto jednak spekulowania się nie obawia, niech spokojnie czyta dalej.
Ciemna materia to – jeśli istnieje – porażająco wielka część całkowitej ilości materii we Wszechświecie: jeśli obliczenia są prawidłowe, stanowi 98% tejże materii. Tym bardziej smutny jest fakt, że tak wielki składnik masy Wszechświata jest dla nas jeszcze większą tajemnicą – ani go zobaczyć nie potrafimy, ani zmierzyć, można tylko pośrednio wnioskować o jego istnieniu z różnych obliczeń, związanych przykładowo z rotacją galaktyk, wedle których masy “świecącej” (nazwijmy ją “normalną”, taką, którą znamy) jest za mało, by galaktyki się nie rozpadały w trakcie swych akrobacji. Wniosek jest prosty – coś jeszcze istnieć musi, co mimo wszystko uzupełnia ten deficyt masy i trzyma galaktykę “do kupy”. Z tego względu wiele już lat temu pojawiły się pierwsze sugestie, że istnieje składnik Wszechświata, który jest niewidzialny i tworzą go nieznane nam cząstki.
Jak to z hipotezami bywa, naukowcy przez lata opracowali sporo teorii co do tego, jak ciemna materia miałaby się zachowywać i z czego się miałaby składać. Jednym z takich przewidywań jest to, że w pewnym sensie zachowywać się musi podobnie jak “zwykła” materia – kiedy dochodzi do zderzenia cząstek materii i antymaterii, obie anihilują i emitują przy tym energię pod postacią całej gamy kolejnych cząstek. Naukowcy zakładają, że w przypadku ciemnej materii jest podobnie – anihilująca ciemna materia powinna emitować również całą kaskadę cząstek, w tym – pozytony.
Pozyton to w sumie taki elektron, tylko że o zmienionym znaku ładunku elektrycznego (na dodatni, rzecz jasna), inaczej antyelektron. I na tym podejściu opiera się praca detektora PAMELA – w ciągu wspomnianych 500 dni detektor zarejestrował około jednego miliarda zdarzeń, z tego ok. 150 tysięcy elektronów i trochę ponad 9400 pozytonów, wszystko to w interesującym poszukiwaczy ciemnej materii zakresie energii od 1,5 do 100 GeV (gigaelektronowoltów). Może nie byłoby w tym nic specjalnego, jednak – zapominając nawet na chwilę całkowicie o ciemnej materii – teoretyczne przewidywania wskazują, iż z wzrostem energii stosunek rejestrowanych elektronów do pozytronów powinien się odpowiednio zmieniać – pozytronów powinno być stopniowo względem elektronów coraz mniej. Tymczasem, i w tym cały ambaras, detektor wykazał, że jest odwrotnie – w przypadku coraz wyższych energii pozytonów w stosunku do elektronów jest coraz więcej.
Włoscy badacze nie kryją ekscytacji tym odkryciem, na szczęście nie postradali jeszcze całkiem rozsądku i przyznają, iż źródeł takiej anomalii może być sporo, a tylko jednym z nich może być ciemna materia. Przykładowo takie odchylenie może wiązać się z pulsarami, niezwykle szybko rotującymi gwiazdami-latarniami, które również (w niejasny jednak dla mnie sposób) emitują pozytony, są jeszcze inne możliwości. Nie zmienia to jednak tego, że głównym (i wymarzonym dla wielu) kandydatem jest tutaj właśnie ciemna materia. Odkrycie Włochów może więc w ostatecznym rozrachunku mieć dwie konsekwencje – albo ktoś wykaże, że anomalia dotycząca pozytronów ma zupełnie inne przyczyny (cóż, po Noblu…), albo też będzie jednym z najbardziej doniosłych odkryć w astrofizyce ostatnich kilkudziesięciu lat. Aby o tym jednak się przekonać trzeba jeszcze sporo pracy – potrzebne są niezależne eksperymenty, które potwierdzą (albo i nie) wyniki Włochów, trzeba też definitywnie wykluczyć inne możliwość. Jeśli jednak PAMELA dokonała rzeczywiście przełomowego odkrycia, wielka i chwalebna to chwila – nie dość, że zdobędziemy w końcu niezbity dowód na istnienie ciemnej materii, to jeszcze – co równie ważne – będziemy mogli w końcu określić kierunek, w jakim mamy poszukiwać jej prawdziwej istoty. Niestety, wiedza o tym, że coś istnieje jest bardzo uboga, jeśli nie wiadomo, czym to w istocie jest.
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Link 6
Link 7
Link 8
Grafika: Schemat rosyjskiego satelity Resurs-DK1 (tak tak, to odwrócone do góry dnem “wiadro” po prawej stronie w centrum to detektor PAMELA)
Źródło grafiki
Credit: PAMELA Project
Krecia robota w kopalni złota
8 maj 2008
Budowa Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w ośrodku badawczym CERN w Genewie to niezaprzeczalnie jedyny projekt związany z fizyką cząstek, który jak żaden inny z narastającą częstotliwością pojawia się w szeroko rozumianych mediach. Niestety nie wynika to z fascynacji niezwykłymi możliwościami urządzenia a ze zwykłej, niezdrowej obawy przed konsekwencjami jego uruchomienia, wszak coraz częściej trąbi się o zbliżającej się wielkimi krokami apokalipsie, którą nad nasze głowy przywołują naukowcy ze Szwajcarii. Patrząc na sprawę pod tym kątem można tylko pozazdrościć naukowcom, którzy biorą udział w znacznie mniejszym, tańszym i medialnie stanowczo nieciekawym projekcie, który może mieć jednak również niebagatelne znaczenie dla współczesnej fizyki.
Kiedy w 2000 roku zamknięta została kopalnia złota w Homestake (Południowa Dakota, USA), władze stanowe zdecydowały, by przeznaczyć podziemne czeluście kopalni na cele naukowe. W 2004 roku sama National Science Foundation (NSF), amerykańska agencja naukowa, podjęła następnie decyzję, by to właśnie w tej kopalni powstało Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL), narodowe laboratorium naukowe, w którym pierwszym eksperymentem o dużym znaczeniu będzie projekt o krótkiej, ale wiele znaczącej nazwie LUX (łac. światło).
LUX (Large Underground Xenon) to projekt, który ma w założeniach kosztować niespełna 2,5 miliona USD, co rzeczywiście w porównaniu z gigantycznym kosztem LHC, sięgającym bodajże 6 miliardów franków szwajcarskich, wydaje się drobnostką. Pieniądze te zostaną zebrane przez wspomnianą NSF, amerykański Department of Energy oraz szereg placówek naukowych z całych USA. Obecnie w kopalni wypompowuje się wodę, by udostępnić podziemne zakamarki już późnym latem lub jesienią tego roku, jak mają nadzieję naukowcy, do instalacji eksperymentu.
Ale może w końcu napiszę, czym też ten eksperyment w ogóle jest. Często, by wykryć słabo oddziaływujące z materią cząstki fizyczne (takie jak na przykład neutrina), naukowcy zmuszeni są chcąc nie chcąc zakasać rękawy i przejąć rolę pracowitych kretów. Powód jest prosty – dopiero w głębokich podziemiach, z dala wielu czynników zakłócających badania, można rzeczywiście zarejestrować poszukiwane rarytasy bez zakłóceń wywoływanych choćby przez promieniowanie kosmiczne. Nie inaczej ma się sprawa w przypadku projektu LUX – tutaj jednak poszukiwania są o tyle nowatorskie, że nie poszukujemy cząstek wyprowadzonych ze znanych nam teorii (czyli znanych pod względem własności) jako potwierdzenia ich prawidłowości, lecz szukamy tzw. WIMP’ów. Wszystko stanie się klarowniejsze, gdy napiszę, co też ten skrót znaczy: Weakly Interacting Massive Particles.
Według wielu naukowców WIMPy to właśnie najlepsi kandydaci na cząstki tajemniczej ciemnej materii, która według różnych rachunków może stanowić aż do 1/4 zawartości całego Wszechświata. Ciemna materia to ciągle teoria, wiele wskazuje na to, że istnieć powinna, jednak brak nam wiedzy choćby o tym, czy w ogóle miałaby ona być. Projekt LUX jest kolejną próbą odkrycia, czym jest właśnie ta tajemnicza forma materii.
Na głębokości prawie 1,5 kilometra pod ziemią umieszczony zostanie wielki zbiornik pełen niezwykle czystej wody o wysokości niespełna 8 metrów. W tym zbiorniku znajdzie się natomiast niecałe 300 kg ciekłego gazu szlachetnego ksenonu. Plan naukowców jest taki, iż – jeśli WIMPy oczywiście w ogóle istnieją – raz na jakiś czas taka cząstka powinna zderzyć się z jądrem ksenonu i wywołać możliwy do zarejestrowania przez detektor błysk świetlny.
Jak już wspomniałem, w podobnych projektach konieczne jest schodzenie głęboko pod ziemię, by wykorzystać ogromne masy skalne jako naturalną osłonę przed promieniowaniem na powierzchni. Zgodnie z tym, co zapowiadają naukowcy, opuszczona kopalnia złota w Południowej Dakocie będzie wkrótce jednym z najmniej radioaktywnych miejsc na Ziemi!
Źródło
Grafika: Grafika prezentująca całe planowane laboratorium DUSEL w Homestake
Źródło grafiki
Credit: NSF
Ciemna materia do kąta?
30 kwiecień 2008
Ciemna materia to dość nośny temat – nie dość, że “ciemna” (mroczna?), to nikt jej nigdy nie widział, nikt nie wie, co tak naprawdę nią jest lub miałoby być. Jest oczywiście “ciemna” w przenośni, ze względu na to, iż jej po prostu nie widać; jeśli ktoś przypuszcza, że są to czarne “kuleczki” składające się na czarne gwiazdy i galaktyki, to trochę mija się z rzeczywistością. O tym hipotetycznym składniku materii wspominałem dość często (ba, trzeba by pomyśleć nawet nad taką kategorią wpisów chyba…), więc przejdę od razu do meritum dzisiejszego wpisu.
Nie każdemu astrofizykowi “ciemna” materia, lapidarnie mówiąc, “leży”. Spora część szacownych naukowców dość niechętnie nawet podchodzi do kwestii jej istnienia, gdyż, pomijając to, że nie ma dotąd naprawdę ostatecznego i niepodważalnego dowodu na jej istnienie, generalnie mnożenie egzotycznych bytów i zjawisk jest bolączką współczesnej fizyki (moje rozważania na ten dość szeroki temat tutaj). Nie dziw więc, że równolegle z poszukiwaniem dowodów empirycznych na istnienie tej odmiany materii trwają nieustannie poszukiwania zjawisk, które wykazałyby, iż byłoby zbędnym komplikować i tak nieprzejrzysty obraz Wszechświata.
W początku lat 80.tych dwudziestego wieku teoretycy zaproponowali dość nowatorskie i zarazem kontrowersyjne rozwiązanie sprawy – tzw. zmodyfikowaną dynamikę Newtonowską (MOND). Choć brzmi to mocno podejrzanie, kryje się za tym zasadniczo dość prosty pomysł: zasady dynamiki Newtona, które tak dobrze spisują się w klasycznym opisie świata, zostały ciut zmienione: zależność siły od przyspieszenia nie jest liniowa (nie zmienia się proporcjonalnie), co znacząco zmienia nasze rozumienie wielu zjawisk w Kosmosie (dla domorosłych fizyków do których i ja się zaliczam: dodana zostaje kolejna stała do równań – (a0)). Upraszczając mocno można powiedzieć, że siła oddziaływań grawitacyjnych na duże odległości byłaby większa, niż zakłada się bez uwzględnienia takich założeń. Dla wielu zjawisk teoria MOND daje bardzo dobre wyniki, mocno zbliżone do rzeczywistych obserwacji, co jest przesłanką, by zarzucić wiarę w ciemną materię, jednak są też zjawiska, gdzie ciemna materia tłumaczy rzeczy, przy których MOND wymięka. Obecnie MOND ma niewielu zwolenników – może jednak się to wkrótce zmieni?
Wyzwanie wyznawcom ciemnej materii rzucił tym razem bliżej nieznany astronom Gary Angus z St. Andrews University (St. Andrews, Szkocja). Uważa on bowiem, że teoria MOND może mieć duże znaczenie dla zachowania się obiektów pod względem oddziaływań grawitacyjnych w gromadach galaktyk, w których przyspieszenia (a więc decydujący dla MOND czynnik) są bardzo niewielkie. Na tapetę pan Angus wziął osiem galaktyk karłowatych, okrążających naszą Galaktykę, i opierając się na MOND obliczał dwa wskaźniki: stosunek masy do ilości światła emitowanego przez gwiazdy galaktyk oraz orbity wędrujących w nich gwiazd. Pichcąc swoje obliczenia Angus tak długo przy nich dziubał, aż udało mu się uzyskać zaskakująco poprawne wyniki: sześć z ośmiu kandydatów niemal idealnie wpasowało się w przewidywania teorii MOND. Co do dwóch pozostałych niewdzięcznych galaktyk Angus wydaje się jednak być pełen optymizmu – zapowiada dalsze grzebanie w obliczeniach, by i te odpowiednio spasowały.
Jednak zbyt dobrze nikomu być nie może – Angus świadomie objął obliczeniami niewielki skrawek Wszechświata, jakim jest Droga Mleczna i jej galaktyki satelitarne. Przyznaje bowiem bez bicia, że MOND sprawdza się świetnie w bardzo małych skalach, takich jak opisana wyżej – sięgając dalej, ku dużym gromadom galaktyk i ich nadrzędnym strukturom, supergromadom, obserwacje rozłażą się coraz bardziej z danymi obserwacyjnymi. Zdaniem Angusa musi istnieć jeszcze jakiś nieznany nam czynnik, który na większych odległościach modyfikuje oddziaływania grawitacyjne – i tutaj niestety obecnie nie ma lepszego kandydata, niż właśnie ciemna materia.
