수년 동안 암흑 물질은 심하게 행동 해 왔습니다. 이 용어는 거의 80 년 전 천문학 자 프리츠 즈위키 (Fritz Zwicky)가 처음으로 불러 왔으며, 그는 개별 은하가 거대한 은하계 클러스터를 탈출하는 것을 막기 위해 보이지 않는 중력력이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 나중에 Vera Rubin과 Kent Ford는 보이지 않는 암흑 물질을 사용하여 은하가 왜 날아 가지 않는지 설명했습니다.
그러나 우리는이 두 가지 상황을 설명하기 위해“암흑 물질”이라는 용어를 사용하지만 같은 종류의 일이 작동한다는 것은 분명하지 않습니다. 가장 단순하고 가장 인기있는 모델은 암흑 물질이 중력의 힘으로 천천히 움직이는 약하게 상호 작용하는 입자로 만들어 졌다고 주장합니다. 이 소위 "차가운"암흑 물질은 은하 클러스터와 같은 대규모 구조를 정확하게 설명합니다. 그러나 개별 은하의 회전 곡선을 예측하는 데 큰 도움이되지 않습니다. 암흑 물질은이 규모에서 다르게 행동하는 것 같습니다.
이 수수께끼를 해결하려는 최근의 노력에서, 두 물리학 자들은 암흑 물질이 다른 크기 척도에서 단계를 바꿀 수 있다고 제안했다. 펜실베이니아 대학교의 물리학자인 저스틴 코우리 (Justin Khoury)와 현재 프린스턴 대학 (Princeton University)에있는 그의 전 박사 후 Lasha Berezhiani는 갤럭트 후광의 차갑고 조밀 한 환경에서 암흑 물질은 초기에 대한 이국적인 양자 상태로 응축된다고 말합니다. 암흑 물질이 은하계에서 초 유체를 형성하면 차가운 암흑 물질 모델에 맞지 않는 관찰을 설명하는 새로운 힘을 일으킬 수 있습니다. 그러나 은하 클러스터의 규모에서, 초 유체 상태가 형성되는 데 필요한 특수 조건은 존재하지 않습니다. 여기서 암흑 물질은 기존의 차가운 암흑 물질처럼 행동합니다.
어바인 캘리포니아 대학교의 입자 물리학자인 팀 테이트 (Tim Tait)는“이것은 깔끔한 아이디어입니다. "당신은 한 가지에 의해 묘사 된 두 가지 종류의 암흑 물질을 가지고 있습니다." 그리고 그 깔끔한 아이디어는 곧 테스트 가능할 수 있습니다. 다른 물리학 자들은 비슷한 아이디어를 가지고 놀았지만 Khoury와 Berezhiani는 천문학 자들이 우리의 은하계가 초강력 바다에서 수영을하고 있는지 여부를 탐색 할 수있는 테스트 가능한 예측을 추출 할 수있는 지점에 가깝습니다.
.불가능한 초 유체
지구상에서는 초고대가 평범하지 않습니다. 그러나 물리학 자들은 1938 년 이래로 실험실에서 그들을 요리 해 왔습니다. 입자를 충분히 낮은 온도로 냉각 시키면 양자 특성이 나타나기 시작할 것입니다. 그들의 물질 파는 서로 겹치고 겹치게 될 것이며, 결국 하나의 큰“초 고양”인 것처럼 행동하기 위해 스스로를 조화시킬 것입니다. 그들은 레이저의 가벼운 입자와 매우 흡사하고 동일한 에너지를 가지며 하나와 진동합니다. 요즘 학부생들조차도 실험실에서 소위 보스-유인슈타인 응축수 (BECS)를 만듭니다. 그 중 다수는 슈퍼 플루드로 분류 될 수 있습니다.
.일상 세계에는 슈퍼 플루이드가 존재하지 않습니다. 필요한 양자 효과가 흔들리기에는 너무 따뜻합니다. Tait은“아마도 10 년 전 사람들은이 아이디어를 쫓아 내고 방금‘불가능하다’고 말했을 것입니다. 그러나 최근에, 더 많은 물리학 자들은 우주의 극한 조건에서 자연스럽게 형성 될 가능성에 따른 것입니다. 중성자 별에는 슈퍼 플루이드가 존재할 수 있으며 일부 연구자들은 시공간 자체가 유체 일 수 있다고 추측했습니다. 그렇다면 왜 암흑 물질이 유체 단계도 없어야합니까?
입자 모음에서 초 유체를 만들려면 두 가지 작업을 수행해야합니다. 입자를 매우 높은 밀도로 함께 포장하여 매우 저온으로 식 으십시오. 실험실에서 물리학 자 (또는 학부생)는 전자기 트랩에 입자를 제한 한 다음 레이저로 zap하여 운동 에너지를 제거하고 온도를 절대 0 위로 낮 춥니 다.
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은하 내에서 전자기 트랩의 역할은 은하의 중력 풀에 의해 연주 될 것이며, 이는 밀도 요구 사항을 충족시키기에 충분한 암흑 물질을 함께 짜낼 수 있습니다. 온도 요구 사항이 더 쉽습니다. 결국 공간은 자연스럽게 춥습니다.
은하 바로 근처에서 발견되는 "후광"외에는 중력의 당김이 약하며 어두운 물질은 유체 상태로 갈 수있을 정도로 단단히 포장되지 않습니다. 그것은 천문학 자들이 더 큰 규모로 보는 것을 설명하면서 일반적으로 암흑 물질처럼 행동 할 것입니다.
그러나 암흑 물질을 초자연적으로하는 것이 특별한 점은 무엇입니까? 이 특별한 상태는 어떻게 암흑 물질이 행동하는 것처럼 보이는 방식을 변화시킬 수 있습니까? 수년 동안 많은 연구자들이 비슷한 아이디어를 가지고 연주했습니다. 그러나 Khoury의 접근 방식은 수퍼 플루이드가 어떻게 추가 힘을 야기 할 수 있는지 보여주기 때문에 독특합니다.
물리학에서는 필드를 방해하면 종종 파도를 만듭니다. 예를 들어, 안테나로 일부 전자를 흔들면 전기장을 방해하고 무선 파도를 얻게됩니다. 두 개의 충돌 블랙홀로 중력장을 흔들면 중력파가 생성됩니다. 마찬가지로, 슈퍼 플루이드를 찌르면 포논을 생산할 수 있습니다. 이 포논은 하전 입자 사이의 정전기력과 유사한 중력 외에 추가 힘을 발생시킵니다. Khoury는“중력 위에 추가적인 힘이 있기 때문에 좋습니다. 그러나 실제로는 암흑 물질과 본질적으로 연결되어 있습니다. "이 힘을 일으키는 암흑 물질 매체의 재산입니다." 여분의 힘은 은하 후광 내부의 암흑 물질의 수수께끼의 행동을 설명하기에 충분할 것입니다.
다른 암흑 물질 입자
암흑 물질 사냥꾼들은 오랫동안 일하고 있습니다. 그들의 노력은 소위 약하게 상호 작용하는 거대한 입자 또는 WIMP에 초점을 맞추었다. WIMP는 입자가 천체 물리적 관찰의 대부분을 설명 할뿐만 아니라 입자 물리학의 표준 모델의 가정 된 확장에서 자연스럽게 튀어 나오기 때문에 인기가 있습니다.
.그러나 아무도 wimp를 본 적이 없으며 표준 모델의 가설 된 확장은 실험에서 물리학 자들의 실망에 크게 나타나지 않았습니다. 각각의 새로운 null 결과에 따라 전망은 훨씬 더 어둡고 물리학 자들은 점점 더 다른 암흑 물질 후보를 고려하고 있습니다. "우리는 어느 시점에서 우리가 잘못된 나무를 짖고 있다고 결정합니까?" Case Western Reserve University의 천문학자인 Stacy McGaugh가 말했다.
Khoury와 Berezhiani의 아이디어 작품을 만드는 암흑 물질 입자는 강조적으로 겁쟁이와 비슷하지 않습니다. 기본 입자가 진행됨에 따라 Wimps는 100 개의 양성자만큼이나 거대한 입자가 주거나 가져 가면서 상당히 거대해야합니다. Khoury의 시나리오가 작동하기 위해서는 암흑 물질 입자가 10 억 배 덜 거대해야합니다. 결과적으로, 우주를 통과하는 수십억 배가 있어야합니다. 이는 암흑 물질의 관찰 된 효과를 설명하고 초 유체가 형성하는 데 필요한 조밀 한 포장을 달성하기에 충분합니다. 또한 일반적인 WIMP는 서로 상호 작용하지 않습니다. 암흑 물질 초 유체 입자는 강하게 상호 작용하는 입자가 필요합니다.
가장 가까운 후보자는 Axion, 전자 질량보다 작은 10,000 조 2 조의 시간이 될 수있는 질량을 가진 가상의 초경중 입자 인 Axion입니다. 워싱턴 대학교의 이론 물리학자인 찬다 프레스 코드-웨인 슈타인 (Chanda Prescod-Weinstein)에 따르면, axions는 이론적으로 Bose-einstein 응축수와 같은 것에 압축 될 수 있습니다.
그러나 표준 축은 Khoury와 Berezhiani의 요구에 맞지 않습니다. 그들의 모델에서, 입자는 서로 강력하고 반발하는 상호 작용을 경험해야 할 것이다. 전형적인 Axion 모델에는 약하고 매력적인 상호 작용이 있습니다. Tait은“모든 사람들이 암흑 물질이 아마도 어느 정도는 스스로 상호 작용한다고 생각합니다. 그것은 그 상호 작용이 약한 지 또는 강한 지 여부를 결정하는 것입니다.
우주 초 유체 검색
Khoury와 Berezhiani의 다음 단계는 모델을 테스트하는 방법을 알아내는 것입니다.이 초 유체 개념을 일반적인 콜드 암흑 물질과 구별 할 수있는 Telltale 서명을 찾는 것입니다. 한 가지 가능성 :암흑 물질 와류. 실험실에서 회전하는 슈퍼 플루드는 에너지를 잃지 않고 계속 진행하는 소용돌이 치는 소용돌이를 일으킨다. 은하계의 초 유성 암흑 물질 후광은 충분히 빠르게 회전하여 소용돌이의 배열을 생산해야합니다. 소용돌이가 충분히 방대하다면 직접 감지 할 수 있습니다.
불행히도, 이것은 사실이 아닐 것 같지 않습니다. Khoury의 가장 최근의 컴퓨터 시뮬레이션은 암흑 물질의 소용돌이가“매우 어렴풋이”될 것이라고 제안했으며, 연구원들이 존재한다는 증거를 분명하게 자른 증거를 제공하지는 않을 것이라고 그는 말했다. 그는 중력 렌즈 현상을 이용하여 결정이 X- 선 빛을 흩어지는 것과 유사하게 산란 효과가 있는지 확인할 수 있다고 추측합니다.
.천문학 자들은 또한 암흑 물질이 초 유체처럼 행동한다는 간접적 인 증거를 찾을 수 있습니다. 여기에서 그들은 은하계 합병을 보았습니다.
은하가 서로 충돌하는 속도는 동적 마찰에 의해 영향을받습니다. 입자의 바다를 통과하는 거대한 몸을 상상해보십시오. 많은 작은 입자들이 거대한 몸에 의해 잡아 당겨 질 것입니다. 그리고 시스템의 총 운동량은 변할 수 없으므로 거대한 몸체는 보상하기 위해 약간 속도를 늦춰야합니다.
그것이 두 은하가 합병되기 시작할 때 일어나는 일입니다. 충분히 가까워지면 암흑 물질 후광이 서로 통과되기 시작하고 독립적으로 움직이는 입자의 재 배열로 인해 역동적 인 마찰이 발생하여 후광이 더욱 가까워집니다. 이 효과는 은하가 합병하는 데 도움이되며 우주를 가로 지르는 은하계 합병 속도를 높이기 위해 노력합니다.
그러나 암흑 물질 후광이 초 유체 단계 인 경우 입자가 동기화됩니다. 은하를 모으는 마찰이 없을 것이므로 합병하기가 더 어려울 것입니다. 이것은 텔레 타일 패턴을 남겨 두어야합니다. 은하에 문제가 어떻게 분포되는지에 대한 간섭 패턴.
완벽하게 합리적인 기적
McGaugh는 수퍼 플루이드 암흑 물질의 개념에 대해 대부분 긍정적이지만, 그는 두 세계의 최고를 결합하기 위해 열심히 노력할 때 물리학 자들이“Tycho Brahe Solution”이라는 용어를 만들 수 있다는 끔찍한 걱정에 고백합니다. 16 세기 덴마크 천문학자는 지구가 우주의 중심에 있었지만 다른 모든 행성들이 태양을 공전시키는 하이브리드 우주론을 발명했습니다. 그것은 고대 프톨레마이오스 시스템과 코페르니 카 우주론 사이의 차이를 분할하여 결국 그것을 대체 할 것을 시도했다. McGaugh는“이런 종류의 노력이 그 정맥에 있다고 걱정하고 있습니다. "하지만 여전히 우리는이 아이디어를 탐구해야한다고 생각합니다."
Tait 은이 새로운 초강력 모델을 지적으로 존경하지만, 그는 이론이 미세한 수준에서 더 많은 이론을 더 많이보고 싶어하며,“우리는 모든 것을 실제로 계산하고 왜 모든 것이 그것이 예상되는 방식으로 작동하는지 보여줄 수 있습니다. 어느 정도는 우리가 지금하고있는 일은 몇 가지 기적을 불러 일으키는 것입니다. "어쩌면 그들은 완벽하게 합리적인 기적 일지 모르지만 아직 완전히 확신하지는 못합니다."
.잠재적 고정점 중 하나는 Khoury와 Berezhiani의 개념은 모델에서 생성 된 추가 힘의 종류가 초 유체의 특정 특성에 의존하기 때문에 올바른 체제에서 초 유체처럼 작용하는 매우 특정한 종류의 입자가 필요하다는 것입니다. 그들은 실험실에서 생성 된 기존의 초 유체를 찾고 있습니다. Khoury는“자연에서 그러한 시스템을 찾을 수 있다면 놀랍습니다. "원칙적으로 실험실에서 차가운 원자를 사용하여 은하의 특성을 시뮬레이션하여 수퍼 플루드 암흑 물질이 어떻게 행동하는지 모방 할 수 있습니다."
.연구원들이 수십 년 동안 초 유체를 가지고 노는 반면, 입자 물리학 자들은 단지 요약 물리학과 같은 주제로부터 나오는 아이디어의 유용성을 인식하기 시작했습니다. 그러한 분야의 도구를 결합하고 중력 물리학에 적용하면 암흑 물질에 대한 오랜 분쟁을 해결할 수 있습니다. 다른 혁신이 무엇을 기다릴 수 있는지 누가 알 수 있습니까?
“초 유체 모델이 필요합니까? Prescod-Weinstein은 물리학이 실제로 필요한 것이 아닙니다.”라고 말했습니다. “우주가하는 일에 관한 것입니다. 오리온 성운에서 자연스럽게 형성되는 것처럼 자연스럽게 Bose-Einstein 응축수를 형성 할 수 있습니다. 우주에 레이저가 필요합니까? 아니요,하지만 꽤 시원합니다.”
