Около 25 лет назад астрофизики заметили во Вселенной кое-что очень интересное. Тот факт, что он находился в состоянии расширения, был известен с 1920-х годов благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла. Но благодаря наблюдениям, которые астрономы проводили с помощью космической обсерватории, носящей его имя ( космический телескоп Хаббла ), они начали замечать, как скорость космического расширения становится все быстрее!
Это привело к теории о том, что Вселенная наполнена невидимой и загадочной силой, известной как Темная энергия (DE). Спустя десятилетия после того, как это было предложено, ученые все еще пытаются определить эту неуловимую силу, которая составляет около 70% энергетического бюджета Вселенной. Согласно недавнему исследованию международной группы исследователей, эксперимент XENON1T, возможно, уже обнаружил эту неуловимую силу, открывая новые возможности для будущих исследований DE.
Исследование проводилось доктором Санни Вагноцци, исследователем из Института космологии Кавли (KICC) Кембриджского университета, и доктором Лукой Визинелли, исследователем из программы Fellowship for Innovation (FELLINI) (которая поддерживается при поддержке Marie Склодовской-Кюри ) в Национальном институте ядерной физики (INFN) во Фраскати, Италия. К ним присоединились исследователи из Института теорий физики (IPhT), Кембриджского университета и Гавайского университета.
И DM, и DE являются частью космологической модели Lambda Cold Dark Matter (LCDM), которая утверждает, что Вселенная заполнена холодными, медленно движущимися частицами (DM), которые взаимодействуют с нормальной материей только за счет силы тяжести. Лямбда представляет собой DE, ускоряющую расширение Вселенной. Поскольку их можно различить только путем наблюдения за их влиянием на крупномасштабную структуру Вселенной, традиционное мышление гласит, что ни одна сила не взаимодействует с нормальной материей через электромагнетизм или слабое или сильное ядерное взаимодействие.
Однако некоторые теории DM утверждают, что существует определенный уровень взаимодействия с видимой материей, который исследователи активно проверяют. Однако астрофизики и космологи по-прежнему не знают, как ТЭ согласуется с физическими законами, которые управляют Вселенной. Пока что кандидатами являются модификация общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, наличие нового поля или космологической постоянной (CC). Как доктор Визинелли сказал Universe Today по электронной почте:
«По этой причине темная энергия, возможно, даже более загадочна, чем темная материя. Мы видим эффекты темной энергии в ряде наблюдений, начиная с основополагающей работы над сверхновыми 1A как стандартными свечами. Если предположить, что темная энергия действительно является полем, кванты, связанные с ней, будут очень легкими и несут очень мало энергии. Это причина того, что такому типу поиска было посвящено очень мало работы ».
Их работа основана на новом исследовании, выходящем за рамки стандартной космологической модели LCDM и предполагающем, что DE взаимодействует со светом, влияя на его свойства (например, поляризацию, цвет, направление). Однако эти взаимодействия могут быть предметом механизмов скрининга, которые не позволяют локальным экспериментам их обнаружить. В этой модели предсказывается, что на Солнце могут образовываться кванты темной энергии.
Детектор XENON1T, показанный снизу. Предоставлено: сотрудничество XENOX.
Как объяснил доктор Вагноцци, возможная связь между экранированием и темной энергией впервые пришла ему в голову, когда он однажды принимал душ:
«Я помню, что это было 20 июня, и я принимал душ и размышлял о солнечных аксионах (не), объясняющих КСЕНОН, и я понял, что очевидным выходом было экранирование, поскольку это остановило бы производство более плотных звезд. Скрининг обычно ассоциируется с моделями темной энергии и / или модифицированной гравитации, и там был щелчок. '
« Я немедленно Whatsapped Лука, и мы сразу начали работать над этим (и связались с другими нашими соавторами, которые являются экспертами по экранированным моделям темной энергии / модифицированной гравитации)».
Для своего исследования группа во главе с доктором Вагноцци и доктором Визинелли рассмотрела данные, выпущенные коллаборацией XENON , исследовательской группой DM, состоящей из 135 исследователей из 22 учреждений по всему миру. В основе их эксперимента лежит детектор сверхрадиочистого жидкого ксенона массой 3500 кг (7715 фунтов), размещенный в 10-метровом (32,8 футах) резервуаре для воды. Расположенный в INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso , XENON также является наиболее чувствительным из когда-либо проводившихся экспериментов с темной материей (DM).
В 2020 году Коллаборация опубликовала результаты своего эксперимента (с 2016 по 2018 год), которые показали неожиданную частоту событий отдачи электронов. Согласно коллаборации, это не являлось обнаружением DM, но могло быть объяснено крошечным остаточным количеством трития в эксперименте, существованием новой частицы (такой как солнечный аксион) или необъяснимым свойством нейтрино.
Верхний массив ФЭУ со всеми электрическими кабелями. Предоставлено: XENON Dark Matter Project.
Однако ради своего исследования команда во главе с Вагноцци и Визинелли предположила, что это могло быть первое прямое обнаружение DE. Сказал Вагноцци:
«В нашей модели темная энергия обладает особыми свойствами: ее массовый член связан с плотностью окружающей среды, так что более плотные материалы будут защищать эффекты темной энергии, в то время как более легкие среды, такие как межгалактическое пространство, допускают дальние расстояния. темной энергии.
«В этой модели, называемой« хамелеон », кванты темной энергии производятся в той области Солнца, в которой электромагнитное поле является самым сильным, тахоклине, которая представляет собой область, в которой перенос энергии внутри Солнца переходит от радиационного к конвективным. Высокая плотность энергии электромагнитного излучения в этом регионе обеспечивает сильную связь с полем хамелеона и его производством ».
Если это правда, это будет означать, что эксперименты по всему миру, которые в настоящее время направлены на исследование темной материи, также могут быть посвящены охоте за темной энергией. С этой целью д-р Вагноцци и д-р Визинелли надеются, что это исследование вызовет интерес к моделям частиц DE и что поиск этих неуловимых частиц может быть проведен параллельно с продолжающимся поиском DM. По крайней мере, эти эксперименты проверят теории о DE, выходящие за рамки модели LCDM, что поможет ученым сузить список кандидатов. Сказал доктор Визинелли:
«Многие другие эксперименты, разработанные для Темной Материи, также могут нести информацию об этих хамелеонах, и мы надеемся, что будет предусмотрена разработка будущих установок для этих поисков. Также потребуется независимый тест с использованием космологических данных, пересекающихся с предсказаниями модели хамелеона. Что касается нас, мы планируем уточнить вычисления в нашей статье, используя модель Солнца, изучить образование хамелеонов в массивных звездах и связаться с экспериментаторами для получения обновлений ».
Моделирование Illustris, показывающее распределение темной материи в 350 млн на 300 000 световых лет. Галактики показаны белыми точками высокой плотности (слева) и нормальной барионной материей (справа). Предоставлено: Маркус Хайдер / Illustris.
В недавней статье доктор Вагноцци и доктор Визинелли провели исследование, чтобы выяснить, может ли чистое упругое рассеяние между темной энергией и барионной (также известной как нормальная) материей оставить видимый след в космологических наблюдениях. Они определили, что это маловероятно, по крайней мере, применительно к наблюдениям, которые чувствительны к линейной эволюции космической структуры, таким как космический микроволновый фон (CMB) и кластеризация крупномасштабной структуры на линейном уровне.
Однако доктор Вагноцци также работает с доктором философии. студент из Мюнхена, чтобы расширить это исследование и предсказать последствия, которые будет иметь взаимодействие DE с нормальной материей. В частности, они хотят изучить влияние этого на нелинейную кластеризацию крупномасштабной структуры Вселенной, а также на структуру галактик и скоплений галактик. Вкупе с крупномасштабными исследованиями, которые в ближайшие годы принесут пользу телескопы следующего поколения, астрономы и космологи могут оказаться на грани сияния света в «Темной Вселенной»!