Işıkta karanlığı bulmak: Willa Rubinin keşfi evreni nasıl değiştirdi?
Willa Rubin (Resim kaynağı: Linda Davidson, @ 2010)
"Şöhret kısa ömürlü ve verilerim adımdan daha önemli. Astronomi topluluğu yıllar sonra hala verilerime atıfta bulunuyorsa, bu benim en büyük iltifatım olur."
Vera Rubin
[Vera Rubin'in Keşfi]
Belki Vera Rubin adını hiç duymadınız, ama karanlık maddeyi duymuş olmanız gerektiğine inanıyorum. Karanlık maddenin varlığına dair kesin kanıtlar bulan Vera Rubin'di.
Fritz Zwicky ve makalesi.
Aslında, 1930'ların başlarında, Fritz Zwicky geç evre gökada kümelerini incelerken, gökada kümelerindeki gökadaların son derece hızlı hareket ettiğini keşfetti. Gökada kümelerinin kütle-ışık oranının yaklaşık 500 olduğunu hesaplamak için Virial teoremini kullandı. Diğer bir deyişle, ortaya çıkan gökada kümelerinde büyük miktarda görünmez madde olması gerekir. Araştırması pek ilgi çekmese de, evrenin karanlık bir tarafı olabileceğini ilk kez fark ettik.
Willa Rubin ve gazetesi.
1960'ların sonuna kadar Vera Rubin, Andromeda Galaksisinin merkezindeki ve kenarlarındaki yıldızların hızını ölçmek için spektral analiz kullandı. Newton'un yerçekimi yasasına göre, bir yıldız Samanyolu'nun merkezinden uzaklaşıp uzaklaştığında, hızı yavaşlayacak ve yavaşlayacaktır.Örneğin, güneş sisteminde (aşağıdaki şekilde solda), Plüton'un Güneş'in etrafında dönmesi 248 Dünya yılını alır. Circle ve Mercury (Plüton'dan biraz daha büyük) sadece 88 Dünya gününe ihtiyaç duyar. Ancak galaksinin dönüş eğrisinde aynı durumu görmeyi beklediğimizde Vera Rubin'in Andromeda galaksisine ilişkin ölçümü herkesi şok etti (sağda).
Galaksinin dönüş eğrisi: soldaki güneş sistemi ve sağdaki Andromeda galaksisi.
Yıldız galaksinin merkezinden uzaklaştıkça hızın azalmadığını, ortalama bir hızı koruduğunu görüyoruz. Vera Rubin'in ölçümü doğruysa, galaksideki görünür madde yıldızları hiçbir şekilde tutamaz, bu nedenle ek bir çekim kaynağı sağlayan büyük miktarda görünmez madde olmalıdır, aksi takdirde galaksi uzun zaman önce parçalanmış olmalıydı.
Daha sonra Vera Rubin daha fazla galaksi ölçtü ve bu fenomenin yalnızca Andromeda galaksisinde değil, ölçtükleri tüm sarmal galaksilerde de var olduğunu buldu. Bilim adamları ayrıca galaksideki gazın da yıldızlarla aynı hızı koruduğunu keşfettiler. Vera Rubin'in keşfi diğer deneysel sonuçlarla destekleniyor.
Gökbilimciler, gökada kümeleri ve mikrodalga arka plan radyasyonu gözlemlerinde karanlık maddenin varlığına dair daha fazla kanıt buldular.
Evrenin bileşimi: karanlık madde yaklaşık% 26,8, karanlık enerji yaklaşık% 68,3 ve sıradan madde yalnızca% 4,9'dur (© ESA)
[Karanlık madde nedir?
Karanlık maddenin var olduğunu ve evrenin enerjisinin ve kütlesinin% 26,8'ini oluşturduğunu bilmemize rağmen, bilim adamları bunları hiçbir zaman deneylerde doğrudan tespit etmediler. Karanlık maddenin ne olduğunu bilmekten daha fazlasını biliyoruz.
Karanlık madde tam olarak nedir? (© Sandbox Studio)
Astronomik gözlemlerden şu sonuçları çıkarabiliriz: Karanlık madde ışık yaymaz, kararlıdır, elektriksel olarak nötrdür ve madde ile zayıf bir etkileşime sahiptir. . Standart Modelin bilinen tüm parçacıklarıyla karşılaştırdıktan sonra, bilim adamları parçacıkların hiçbirinin karanlık maddenin özelliklerini karşılamadığını buldular, bu nedenle Standart Modelin ötesinde yeni bir parçacık olması muhtemeldir. Bilim adamları birçok model önerdiler. İşte en güçlü karanlık madde parçacığı adaylarından bazıları:
-
Zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (WIMP) : WIMP, karanlık madde için en umut verici aday olarak kabul ediliyor, kütlesi çok büyük ve aralarında sadece zayıf etkileşim ve yerçekimi var. Erken evrende, karanlık madde tüm evreni doldurmalı ve ona karşılık gelen karşıt parçacıklar birbirlerini yok etmeliydi. Teorik hesaplamalara göre, kalan WIMP bolluğu, bugün WIMP mucizesi adı verilen kozmolojik gözlemlerle elde edilen karanlık madde yoğunluğu ile tutarlıdır.
-
Axion : 1970'lerde Helen Quinn ve Roberto Peccei, güçlü Oğlak problemini çözmek için aksonların varlığını önerdiler. WIMP'nin aksine, akson kütlesi elektronlardan yaklaşık 10 milyar kat daha hafiftir. Akson alanı, sicim teorisinde ve fiziğin temel yasalarını genişletmeye çalışan diğer teorilerde de ortaya çıkar. (Bkz. "Bir Teori, Fizikteki Beş Ana Problemi Aynı Anda Çözme".)
-
Steril nötrinolar : Kuarklar, elektronlar ve hemen hemen tüm diğer madde parçacıkları hem solak hem de sağ elini kullanır. Ancak gözlemlenen üç farklı nötrino solaktır. Birçok kuramcı, daha büyük kütleli ve nadiren etkileşime giren, keşfedilmemiş sağ elini kullanan nötrinoların olması gerektiğini öngörür Bu tür parçacıklara "inert" nötrinolar denir. Eylemsiz nötrinolar sıradan maddeyle yalnızca kütleçekimsel olarak etkileşime girer ve bilim adamları, bunun karanlık madde adaylarından biri olduğuna da inanırlar.
-
Neutralino : Süpersimetri teorisinin öngördüğü hayali bir parçacıktır. Süpersimetri teorisi, Standart Modeldeki tüm temel parçacıkların karşılık gelen süpersimetrik parçacıklara sahip olduğunu varsayar.Bu parçacıklar karanlık madde oluşturmak için yeterlidir, ancak tespit edilmeleri son derece zordur. En kolay gözlemlenenlerden biri süper nötrondur. Tarafsız trinolar bulabilirsek, iki büyük sorunu çözebiliriz: bize karanlık maddenin ne olduğunu söyleyin ve süpersimetri teorisinin varlığını kanıtlayın.
-
Kaluza-Klein karanlık maddesi (Kaluza-Klein karanlık maddesi) : 1920'lerin başlarında, Karuza ve Klein uzaya bir boyut daha eklendiği sürece yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetlerin birleştirilebileceğini keşfettiler. Ve bu boyut o kadar küçük kıvrılmış ki içinde hareket eden parçacıkları tespit edemiyoruz.Bu parçacıklara Karuza-Klein karanlık maddesi deniyor. Onaylanabilirlerse, sicim teorisi için de güçlü bir destek olacaktır.
Birçok astronomik gözlem, karanlık maddenin varlığına işaret ediyor. (© Sandbox Studio)
Bunlara ek olarak, fizikçiler ayrıca Asimetri karanlık madde (Asimetri karanlık madde), güçlü etkileşim büyük parçacıklar (SIMP), bileşik karanlık madde (Bileşik karanlık madde), ayna dünyadaki karanlık madde (Ayna Dünyası karanlık madde) Ve böylece, her parçacık karşılık gelen teorik desteğe sahiptir. Ama karanlık maddeyi oluşturan şey, sadece deneyler bize nihai cevabı verebilir.
[Algılama yöntemi]
Karanlık maddenin gerçek yüzünü ortaya çıkarmak için dünyada pek çok büyük ölçekli deney yapılıyor.Bu laboratuvarlar Antarktika'nın buzunda ve karda bile yeryüzüne gidiyor. Karanlık maddeyi tespit etmek için üç tür yöntem vardır.
Karanlık maddeyi algılamak için üç yöntem: doğrudan algılama, dolaylı algılama ve çarpışan algılama. (© HAP / A.Chantelauz)
Doğrudan algılama : Karanlık madde parçacıkları ile atom çekirdeği arasındaki çarpışmanın oluşturduğu sinyal aranıyor. Evrende büyük miktarda karanlık madde var.Her saniye vücudumuzdan geçen yüz milyonlarca karanlık madde parçacığı olabilir ama biz bunun farkında değiliz. Bilim adamları, bu karanlık madde parçacıklarının dedektördeki çekirdekle kazara çarpışabileceğini ve gözlemlenebilir sinyaller gönderebileceğini umuyor. Diğer sinyallerden (kozmik ışınlar gibi) kaynaklanan paraziti önlemek için, bu dedektörler genellikle yerin derinliklerine gömülür. Dünyada LUX ve Sichuan Jinping PandaX deneyleri gibi bu tür birçok dedektör var.Amaçları WIMP'nin izlerini bulmak. Ne yazık ki, bu yıl verilen sonuçlar hala sıfırdır.Tek sonuç, WIMP karanlık maddenin ve nükleer kesitin sınırlandırılmasıdır.
Dolaylı algılama : Karanlık madde parçacıklarının yok olduğuna dair bir sinyal arıyorum. Teorik olarak, karanlık madde parçacıkları yok edildikten sonra nötrinolar, gama ışınları veya antimadde üretilecektir. Bilim adamları, yüksek karanlık madde yoğunluğuna sahip alanlarda (Samanyolu'nun merkezi gibi) aşırı gama ışınlarını veya kaynağı bilinmeyen yüksek enerjili antimadde parçacıklarını tespit edebilirlerse, bunlar karanlık madde parçacıklarının yok edilmesinden gelebilir ve dolaylı kanıtlar sağlayabilir. Alfa Manyetik Spektrometre deneyi, Fermi gama ışını uydu deneyi ve Çin Wukong uydusu, karanlık madde yok oluşunun sinyallerini bulmayı amaçlamaktadır.
Çarpıştırıcı algılama : Çarpıştırıcıda parçacık çarpışma deneyleri yapın ve aktif olarak karanlık madde parçacıkları oluşturun. Yüksek enerjili parçacıklar çarpıştığında, küçük bir olasılıkla bir çift karanlık madde parçacığı üretilebilir. Karanlık madde parçacıkları ile sıradan madde arasındaki zayıf etkileşim nedeniyle, çevredeki dedektörler tarafından kaydedilemez. Bu nedenle, bir çarpışmada karanlık madde parçacıkları üretilirse, enerjinin o kısmının eksik olduğunu bulacağız. Avrupa Nükleer Merkezi'nin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) karanlık madde arıyor, ancak yükseltilmiş LHC bu yıl daha fazla veri topladıktan sonra herhangi bir şüpheli sinyal görmedi.
Meydan Okuma ve Rekabet
Karanlık madde, evrendeki birçok olguyu açıklamada çok başarılı olmasına rağmen, bilim adamları on yıllardır karanlık maddenin tespitinde hiçbir şey bulamadılar. Bu, başka bir bilim adamını heyecanlandırıyor. Çünkü karanlık maddenin var olmadığına inanıyorlar, ancak mevcut yerçekimi teorisinin revize edilmesi gerekiyor.
1981'de Moti Milgrom, "Modifiye Newton Dinamikleri (MOND)" önerdi. Bu modelde, bir yıldızın radyal ivmesi, Newton ve Genel Görelilik tahminlerinden biraz farklıdır. Bu fark güneş sisteminde neredeyse göz ardı edilebilir, ancak galaksiler ölçeğinde bu fark daha da artacaktır. Milgrom, ivme biraz değiştiği sürece galaksinin dönüş eğrisinin açıklanabileceğini buldu.
MOND galaksilerin dönüş eğrisini açıklamada çok başarılı olsa da, büyük ölçekli galaksi kümeleri ve çarpışan galaksilerdeki maddenin dağılımı gibi diğer etkileri açıklayamaz. Bunun nedeni, MOND'nin kendisinin tam bir teori olmaması olabilir, fenomenlerden birini açıklayan tam teorinin yalnızca bir parçası olabilir. Aslında, bu fikrin birçok takipçisi var ve şimdi birçok insan bu gözlemleri açıklamak için genişletilmiş MOND teorisi üzerinde çalışıyor. Bunlar arasında Bekenstein'ın tensör-vektör-skaler yerçekimi (TeVeS), Moffett'in modifiye edilmiş yerçekimi (MoG) ve diğerleri bulunur, ancak yerçekimi teorilerinin hiçbiri öne çıkmaz.
Bu yıla kadar, karanlık madde teorisi benzeri görülmemiş zorluklarla karşılaşmış görünüyordu ve MOND bir geri dönüş yaptı. Kısa bir süre önce, Stacy McGaugh liderliğindeki ekip, 153 farklı galaksi türünü analiz etti ve "radyal ivme ilişkisi" adı verilen yeni bir kozmik yasa keşfetti. (Ayrıntılar için bkz. "Yeni Evren Doğal Yasaları, Karşılaşılan Karanlık Madde Zorlukları") Elde edilen sonuçlar MOND'nin konumunu güçlendirdi. Kısa süre sonra karanlık maddeye tekrar saldırıldı. Margot Brouwer ve meslektaşları, karanlık maddenin varlığına ihtiyaç duymadan, galaksilerin kütleçekimsel mercekleme etkisi aracılığıyla Verlinde'nin yeni yerçekimi teorisini doğruladı (bkz. "Yeni Yerçekimi Teorisi İlk Testi Geçti" "). Ancak, karanlık maddeyi ölüm sırasına koymak için, yeni yerçekimi teorisinin daha fazlasını yapması gerekiyor.
Vera Rubin'in de MOND üyesi olduğunu belirtmekte fayda var. "Kişisel olarak, Newton'un yerçekimi yasasının büyük ölçekte revize edilmesi gerektiğini düşünüyorum, bu da bilinmeyen yeni parçacıklarla dolu evrenden daha çekici."
Vera Rubinin gözlemleri olağanüstü ve bize kesin olarak ya evrende büyük miktarda karanlık madde olduğunu ya da hangisinin devrimci bir etkiye sahip olursa olsun yerçekimi teorisinin revize edilmesi gerektiğini söylüyor. Ne yazık ki, Nobel Fizik Ödülü'nü hiçbir zaman kazanamadı. Cinsiyet ayrımcılığının basit bir nedeni olabilir: Tarihte sadece iki kadın Fizikte Nobel Ödülü'nü kazandı, biri Madame Curie (1903) ve diğeri Maria Goppert-Meyer (1963). Ödüle layık görülen iki kadın bilim adamı, pulsarı keşfeden Josephine Bell Bernell ve paritenin korunmadığını doğrulayan Wu Jianxiong. Nobel Ödülü'nü kazanmasalar da, hepsi taçsız krallar.
Vera Rubin'in başarıları sadece akademisyenlerle sınırlı değil, aynı zamanda bilim camiasında kadınlara olan hakları nedeniyle. Willa Rubin, tanınmış bir kadın üniversitesi olan Vassar Koleji'nin 1948'de astronomi dalında okuyan tek mezunudur. Princeton Üniversitesi'nden astronomi alanında yüksek lisans yapmak için başvurmak istediğinde, acımasızca astronominin kız öğrencileri kabul etmeyeceği söylendi (bu politika ancak 1975'te kaldırıldı). Bu nedenle, kadınların bilimde daha fazla fırsata ihtiyaç duyduklarını daha iyi anlayabiliyor ve kariyerinde her zaman genç kadınları astronomi alanına katılmaya ve evreni incelemeye teşvik etmiş ve yardımcı olmuştur. 1981'de Ulusal Bilimler Akademisi tarafından tanınan ikinci kadın gökbilimci oldu ve Ulusal Bilim Madalyası kazandı.
Willa Rubin (Resim kaynağı: Linda Davidson, @ 2010)
25 Aralık 2016'da Princeton'dan kötü bir haber geldi: Willa Rubin bizi sonsuza dek terk etti. Ama onun beklediği gibi verilerinin her zaman alıntılanacağına ve adını her zaman hatırlayacağımıza inanıyorum.
