Rzeczy, których obecnie nie widać

Rzeczy, które nauka wie i widzi, to tylko niewielka część tego, co prawdopodobnie istnieje. Oczywiście nauka i technologia nie powinny dosłownie rozumieć „wizji”. Chociaż nasze oczy ich nie widzą, nauka od dawna jest w stanie „widzieć” takie rzeczy, jak powietrze i zawarty w nim tlen, fale radiowe, światło ultrafioletowe, promieniowanie podczerwone i atomy.

W pewnym sensie też widzimy antymateriakiedy gwałtownie oddziałuje ze zwykłą materią, a to generalnie jest trudniejszy problem, bo chociaż widzieliśmy to w skutkach interakcji, w bardziej holistycznym sensie, jako wibracje, to do 2015 roku było to dla nas nieuchwytne.

Wciąż jednak w pewnym sensie nie "widzimy" grawitacji, ponieważ nie odkryliśmy jeszcze ani jednego nośnika tego oddziaływania (tj. np. hipotetycznej cząstki zwanej grawiton). Warto w tym miejscu wspomnieć, że istnieje pewna analogia między historią grawitacji a .

Widzimy działanie tego ostatniego, ale nie obserwujemy go bezpośrednio, nie wiemy, z czego się składa. Istnieje jednak zasadnicza różnica między tymi „niewidzialnymi” zjawiskami. Nikt nigdy nie kwestionował grawitacji. Ale z ciemną materią (1) jest inaczej.

jak g ciemna energiao którym mówi się, że zawiera więcej niż tylko ciemną materię. Jego istnienie zostało wywnioskowane jako hipoteza oparta na zachowaniu wszechświata jako całości. „Zobaczyć” ją będzie zapewne jeszcze trudniej niż ciemną materię, choćby dlatego, że nasze wspólne doświadczenie uczy, że energia ze swej natury pozostaje czymś mniej dostępnym zmysłom (i instrumentom obserwacji) niż materia.

Według współczesnych założeń oba ciemne powinny stanowić 96% jego zawartości.

Tak więc właściwie nawet sam wszechświat jest dla nas w dużej mierze niewidoczny, nie mówiąc już o tym, że jeśli chodzi o jego granice, to znamy tylko te, które wyznaczają ludzkie obserwacje, a nie te, które byłyby jego prawdziwymi skrajnościami – o ile istnieją w ogóle.

Coś ciągnie nas razem z całą galaktyką

Niewidzialność niektórych rzeczy w kosmosie może być wstrząsająca, na przykład fakt, że 100 sąsiednich galaktyk nieustannie porusza się w kierunku tajemniczego punktu we wszechświecie znanego jako Świetny atraktor. Region ten znajduje się około 220 milionów lat świetlnych stąd i naukowcy nazywają go anomalią grawitacyjną. Uważa się, że Wielki Atraktor ma masę biliardów słońc.

Zacznijmy od tego, że się rozwija. Dzieje się tak od Wielkiego Wybuchu, a obecną prędkość tego procesu szacuje się na 2,2 miliona kilometrów na godzinę. Oznacza to, że nasza galaktyka i sąsiednia galaktyka Andromedy również muszą poruszać się z taką prędkością, prawda? Nie bardzo.

W latach 70. tworzyliśmy szczegółowe mapy kosmosu. Tło mikrofalowe (CMB) Wszechświata i zauważyliśmy, że jedna strona Drogi Mlecznej jest cieplejsza od drugiej. Różnica wynosiła mniej niż jedną setną stopnia Celsjusza, ale wystarczyła, abyśmy zrozumieli, że poruszamy się z prędkością 600 km na sekundę w stronę gwiazdozbioru Centaura.

Kilka lat później odkryliśmy, że nie tylko my, ale wszyscy w promieniu stu milionów lat świetlnych od nas poruszamy się w tym samym kierunku. Jest tylko jedna rzecz, która może oprzeć się ekspansji na tak ogromne odległości, a jest nią grawitacja.

Na przykład Andromeda musi się od nas oddalić, ale za 4 miliardy lat będziemy musieli… się z nią zderzyć. Wystarczająca masa może wytrzymać ekspansję. Początkowo naukowcy sądzili, że prędkość ta wynika z naszego położenia na obrzeżach tzw. Supergromady Lokalnej.

Dlaczego tak trudno nam dostrzec tego tajemniczego Wielkiego Atraktora? Niestety jest to nasza własna galaktyka, która blokuje nam widok. Przez pas Drogi Mlecznej nie widzimy około 20% wszechświata. Tak się składa, że ​​trafia dokładnie tam, gdzie jest Wielki Atraktor. Teoretycznie możliwe jest spenetrowanie tej zasłony za pomocą obserwacji rentgenowskich i podczerwonych, ale nie daje to jasnego obrazu.

Mimo tych trudności stwierdzono, że w jednym rejonie Wielkiego Atraktora, w odległości 150 milionów lat świetlnych, znajduje się galaktyczny Klaster Norma. Za nią znajduje się jeszcze masywniejsza supergromada, odległa o 650 milionów lat świetlnych, zawierająca masę 10 XNUMX. galaktyka, jeden z największych znanych nam obiektów we wszechświecie.

Naukowcy sugerują więc, że Wielki Atraktor środek ciężkości wiele supergromad galaktyk, w tym nasza - w sumie około 100 obiektów, takich jak Droga Mleczna. Istnieją również teorie, że jest to ogromny zbiór ciemnej energii lub obszar o dużej gęstości z ogromnym przyciąganiem grawitacyjnym.

Niektórzy badacze uważają, że to tylko przedsmak ostatecznego… końca wszechświata. Wielki Kryzys oznacza, że ​​wszechświat zgęstnieje za kilka bilionów lat, kiedy ekspansja zwolni i zacznie się odwracać. Z czasem doprowadziłoby to do powstania supermasywnego obiektu, który zjadłby wszystko, w tym samego siebie.

Jednak, jak zauważają naukowcy, ekspansja Wszechświata ostatecznie pokona moc Wielkiego Atraktora. Nasza prędkość w tym kierunku wynosi tylko jedną piątą prędkości, z jaką wszystko się rozszerza. Ogromna lokalna struktura Laniakea (2), której jesteśmy częścią, pewnego dnia będzie musiała się rozproszyć, podobnie jak wiele innych kosmicznych bytów.

Piąta siła natury

Coś, czego nie możemy zobaczyć, ale co ostatnio poważnie podejrzewano, to tak zwane piąte uderzenie.

Odkrycie tego, o czym donoszą media, wiąże się ze spekulacjami na temat hipotetycznej nowej cząstki o intrygującej nazwie. X17może pomóc w wyjaśnieniu tajemnicy ciemnej materii i ciemnej energii.

Znane są cztery oddziaływania: grawitacja, elektromagnetyzm, silne i słabe oddziaływania atomowe. Wpływ czterech znanych sił na materię, od mikrokrólestwa atomów po kolosalną skalę galaktyk, jest dobrze udokumentowany iw większości przypadków zrozumiały. Jednak biorąc pod uwagę, że około 96% masy naszego wszechświata składa się z niejasnych, niewytłumaczalnych rzeczy zwanych ciemną materią i ciemną energią, nie jest niespodzianką, że naukowcy od dawna podejrzewali, że te cztery siły nie reprezentują wszystkiego w kosmosie . trwa.

Próba opisania nowej siły, której autorem jest zespół kierowany przez Attyla Krasnagorskaja (3), fizyka w Instytucie Badań Jądrowych (ATOMKI) Węgierskiej Akademii Nauk, o której słyszeliśmy zeszłej jesieni, nie była pierwszą oznaką istnienia tajemniczych sił.

Ci sami naukowcy po raz pierwszy napisali o „piątej sile” w 2016 roku, po przeprowadzeniu eksperymentu przekształcania protonów w izotopy, które są wariantami pierwiastków chemicznych. Naukowcy obserwowali, jak protony zamieniają izotop znany jako lit-7 w niestabilny typ atomu zwany berylem-8.

3. Prof. Attila Krasnahorkay (po prawej)

Gdy beryl-8 rozpadał się, tworzyły się pary elektronów i pozytonów, które odpychały się nawzajem, powodując wyrzucanie cząstek pod kątem. Zespół spodziewał się zaobserwować korelację między energią światła emitowaną podczas procesu rozpadu a kątami, pod którymi cząstki rozlatują się. Zamiast tego elektrony i pozytony były odchylane o 140 stopni prawie siedem razy częściej niż przewidywały ich modele, co jest nieoczekiwanym wynikiem.

„Całą naszą wiedzę o widzialnym świecie można opisać za pomocą tak zwanego standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych” — pisze Krasnagorkay. „Nie przewiduje jednak żadnych cząstek cięższych od elektronu i lżejszych od mionu, który jest 207 razy cięższy od elektronu. Jeśli znajdziemy nową cząstkę w powyższym oknie masowym, będzie to oznaczać jakąś nową interakcję nieuwzględnioną w Modelu Standardowym”.

Tajemniczy obiekt został nazwany X17 ze względu na jego szacowaną masę 17 megaelektronowoltów (MeV), około 34 razy większą od masy elektronu. Naukowcy obserwowali rozpad trytu na hel-4 i po raz kolejny zaobserwowali dziwne ukośne wyładowanie, wskazujące na cząstkę o masie około 17 MeV.

„Foton pośredniczy w oddziaływaniu elektromagnetycznym, gluon w oddziaływaniu silnym, a bozony W i Z w oddziaływaniu słabym” – wyjaśnił Krasnahorkai.

„Nasza cząstka X17 musi pośredniczyć w nowej interakcji, piątej. Nowy wynik zmniejsza prawdopodobieństwo, że pierwszy eksperyment był tylko zbiegiem okoliczności lub że wyniki spowodowały błąd systemu”.

Ciemna materia pod stopami

Z wielkiego Wszechświata, z niejasnego królestwa zagadek i tajemnic wielkiej fizyki, wróćmy na Ziemię. Mamy tu do czynienia z dość zaskakującym problemem... z dostrzeżeniem i dokładnym zobrazowaniem wszystkiego, co znajduje się w środku (4).

Kilka lat temu pisaliśmy w MT o tajemnica jądra ziemiże paradoks związany jest z jego powstaniem i nie wiadomo dokładnie, jaka jest jego natura i struktura. Mamy metody, takie jak testowanie z fale sejsmiczne, udało się również opracować model wewnętrznej struktury Ziemi, co do którego istnieje naukowa zgoda.

jednak na przykład w porównaniu z odległymi gwiazdami i galaktykami nasze zrozumienie tego, co znajduje się pod naszymi stopami, jest słabe. Obiekty kosmiczne, nawet bardzo odległe, po prostu widzimy. Tego samego nie można powiedzieć o jądrze, warstwach płaszcza czy nawet głębszych warstwach skorupy ziemskiej..

Dostępne są tylko najbardziej bezpośrednie badania. Górskie doliny odsłaniają skały o głębokości do kilku kilometrów. Najgłębsze studnie poszukiwawcze sięgają do głębokości nieco ponad 12 km.

Informacji o skałach i minerałach budujących głębsze dostarczają ksenolity, tj. fragmenty skał wyrwane i wyniesione z trzewi Ziemi w wyniku procesów wulkanicznych. Na ich podstawie petrolodzy mogą określić skład minerałów do głębokości kilkuset kilometrów.

Promień Ziemi wynosi 6371 km, co nie jest łatwą drogą dla wszystkich naszych „infiltratorów”. Ze względu na ogromne ciśnienie i temperaturę sięgającą około 5 stopni Celsjusza, trudno oczekiwać, że najgłębsze wnętrze będzie dostępne do bezpośredniej obserwacji w dającej się przewidzieć przyszłości.

Skąd więc wiemy to, co wiemy o budowie wnętrza Ziemi? Takich informacji dostarczają fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi, tj. fale sprężyste rozchodzące się w ośrodku sprężystym.

Swoją nazwę zawdzięczają temu, że są generowane przez uderzenia. W ośrodku sprężystym (górskim) mogą rozchodzić się dwa rodzaje fal sprężystych (sejsmicznych): szybsze – podłużne i wolniejsze – poprzeczne. Te pierwsze to oscylacje ośrodka przebiegające wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, natomiast w oscylacjach poprzecznych ośrodka występują one prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

Fale podłużne są rejestrowane jako pierwsze (łac. primae), a fale poprzeczne są rejestrowane jako drugie (łac. secundae), stąd ich tradycyjne oznaczenie w sejsmologii - fale podłużne p i poprzeczne s. Fale P są około 1,73 razy szybsze niż fale s.

Informacje dostarczane przez fale sejsmiczne umożliwiają zbudowanie modelu wnętrza Ziemi w oparciu o właściwości sprężyste. Możemy zdefiniować inne właściwości fizyczne na podstawie pole grawitacyjne (gęstość, ciśnienie), obserwacja prądy magnetotelluryczne generowane w płaszczu Ziemi (rozkład przewodnictwa elektrycznego) lub rozkład przepływu ciepła Ziemi.

Skład petrologiczny można określić na podstawie porównań z laboratoryjnymi badaniami właściwości minerałów i skał w warunkach wysokich ciśnień i temperatur.

Ziemia emituje ciepło i nie wiadomo, skąd ono pochodzi. Niedawno pojawiła się nowa teoria związana z najbardziej nieuchwytnymi cząstkami elementarnymi. Uważa się, że natura może dostarczyć ważnych wskazówek do tajemnicy ciepła emitowanego z wnętrza naszej planety. neutrina - cząstki o skrajnie małej masie - emitowane przez procesy radioaktywne zachodzące w trzewiach Ziemi.

Głównymi znanymi źródłami radioaktywności są niestabilny tor i potas, jak wiemy z próbek skał do 200 km pod powierzchnią ziemi. To, co leży głębiej, jest już nieznane.

Wiemy to geoneutrina te emitowane podczas rozpadu uranu mają więcej energii niż te emitowane podczas rozpadu potasu. Tak więc, mierząc energię geoneutrin, możemy dowiedzieć się, z jakiego materiału radioaktywnego pochodzą.

Niestety geoneutrina są bardzo trudne do wykrycia. Dlatego ich pierwsza obserwacja w 2003 roku wymagała ogromnego podziemnego detektora wypełnionego ok. ton cieczy. Te detektory mierzą neutrina, wykrywając zderzenia z atomami w cieczy.

Od tego czasu geoneutrina zaobserwowano tylko w jednym eksperymencie z wykorzystaniem tej technologii (5). Świadczą o tym oba pomiary Około połowy ciepła Ziemi pochodzącego z promieniotwórczości (20 terawatów) można wytłumaczyć rozpadem uranu i toru. Źródło pozostałych 50%... nie wiadomo jeszcze jakie.

5. Modelowa mapa intensywności emisji geoneutrin na Ziemi - prognozy

W lipcu 2017 roku rozpoczęto budowę budynku, tzw WYDMAplanowane zakończenie około 2024 roku. Obiekt będzie zlokalizowany prawie 1,5 km pod ziemią w dawnym Homestack w Południowej Dakocie.

Naukowcy planują wykorzystać DUNE, aby odpowiedzieć na najważniejsze pytania współczesnej fizyki, dokładnie badając neutrina, jedną z najmniej poznanych cząstek elementarnych.

W sierpniu 2017 roku międzynarodowy zespół naukowców opublikował artykuł w czasopiśmie „Physical Review D” proponujący dość nowatorskie wykorzystanie DUNE jako skanera do badania wnętrza Ziemi. Do fal sejsmicznych i odwiertów doszłaby nowa metoda badania wnętrza planety, która być może pokazałaby nam zupełnie nowy jej obraz. Jednak na razie to tylko pomysł.

Z kosmicznej ciemnej materii dotarliśmy do wnętrza naszej planety, nie mniej dla nas ciemnej. a nieprzenikalność tych rzeczy jest niepokojąca, ale nie tak bardzo, jak niepokój, że nie widzimy wszystkich obiektów, które są stosunkowo blisko Ziemi, zwłaszcza tych, które znajdują się na ścieżce zderzenia z nią.

Jest to jednak nieco inny temat, który ostatnio szczegółowo omawialiśmy w MT. Nasze pragnienie rozwijania metod obserwacji jest w pełni uzasadnione we wszystkich kontekstach.