Co nám řeklo pozorování antiprotonů pomocí zařízení AMS o temné hmotě?  
Koncem dubna byly publikovány dlouho očekávané výsledky pozorování antiprotonů v kosmickém záření pomocí spektrometru AMS na vesmírné kosmické stanici ISS.

Očekávalo se, že studium antiprotonů by mohlo přispět k vyjasnění neznámého zdroje pozitronů, který způsobuje jejich neočekávaný přebytek u vysokých energií pozorovaný stejným spektrometrem. Tímto neznámým zdrojem vysokoenergetických pozitronů s vysokou energií by mohly být i rozpady částic temné hmoty. Tyto výsledky jsou tak velice zajímavé i v kontextu obnovení experimentování na urychlovači LHC.

 

Spektrometr AMS umístěný a vesmírné stanici ISS (zdroj NASA).
Spektrometr AMS umístěný a vesmírné stanici ISS (zdroj NASA).

Vysvětlení podstaty temné hmoty je pravděpodobně jednou z největších výzev současné kosmologie. Této hmoty, která se pozoruje jen prostřednictvím svého gravitačního vlivu, by mělo být v našem vesmíru více než pětkrát více než normální nám dobře známé hmoty. Přesto dodnes nevíme, co se za ní skrývá. Velmi dlouho byla otevřena možnost, že vysvětlením temné hmoty může být i modifikace gravitačních teorií, která na velké vzdálenosti neklesá s jejím kvadrátem, ale pomaleji. Pro její vysvětlení se objevovaly jak modifikace Newtonovy teorie, tak modifikace Einsteinovy obecné teorie relativity. V roce 2006 se však podařilo pozorovat výsledek srážky dvou kup galaxií. Různé komponenty kupy interagují různým způsobem a dochází tak k výraznému oddělení jednotlivých složek její hmoty. Jakým způsobem se toto oddělení projeví, závisí i na tom, zda je temná hmota složena z reálných částic nebo jde jen o výsledek našeho nesprávného popisu gravitační síly. Nejen první pozorovaná srážka kup galaxií, ale další, které se podařilo během posledních téměř deseti let analyzovat, se zdají být tím kruciálním důkazem, že temná hmota je reálná a složena z částic. To naznačují ještě další, byť ne tak přímé, důkazy. Velice podrobně jsou současné znalosti o temné hmotě a hlavně důkazy o její částicové povaze popsány v článku z minulého roku.

 

 

 

Jak prokázat a identifikovat částice temné hmoty?

Existují tři typy experimentů, které se snaží o detekci a identifikaci částic temné hmoty. Prvním je jejich přímé detekování slabou interakcí v podobě jejich rozptylu na částicích klasické hmoty. Na tom pracují podzemní experimenty, které musí mít extrémně vysokou citlivost a navíc musí být co nejvíce odstíněny od všech daleko pravděpodobnějších reakcí, které je mohou překrýt.

 

Druhou možností je produkce a identifikace těchto částic při srážkách protonů urychlených na extrémně vysoké energie, třeba právě na urychlovači LHC. Prozatím se žádné takové částice na tomto urychlovači pozorovat nepodařilo. Podrobněji jsou výsledky experimentu LHC a jeho příprava na další období urychlování rozebrány v nedávném článku.

Třetí možností je pak pozorování produktů rozpadu nebo anihilace částice temné hmoty v kosmickém záření. A právě v této oblasti mohou přispět pozorování spektrometru AMS. Toto zařízení je již od roku 2011 umístěno na vesmírné stanici ISS. Velice přesně měří zastoupení a energetická spektra různých částic a jader v kosmickém záření. Kromě elektronů, protonů, deuteronů, jader hélia i těžších prvků, se detekují i antičástice, zatím pouze pozitrony a antiprotony. Za čtyři roky, které je na orbitě, zaznamenal spektrometr okolo 60 miliard částic. A právě detekce pozitronů a antiprotonů by mohla přinést důkazy o existenci částic temné hmoty a identifikovat je. Částice temné hmoty by se měly rozpadat nebo vzájemně anihilovat za vzniku nám známých částic normální hmoty, i když s extrémně malou pravděpodobností. Protože je však temné hmoty ve vesmíru velké množství, mohly by být produkty těchto rozpadů či anihilací v kosmickém záření identifikovatelné. Jednou z možností je rozpad na pár pozitron a elektron. Nebo anihilace na částice, které k produkci elektronu a pozitronu vedou. V podobných procesech mohou vznikat i vysokoenergetické fotony záření gama, i když ty jsou většinou sekundárními produkty až následných procesů spojených s částicemi vzniklými v rozpadech či anihilaci částic temné hmoty. Další možností je produkce částic a antičástic interagujících silnou interakcí. Ty nakonec velmi často vedou ke vzniku protonu a antiprotonu.

 

Sonda FERMI zkoumá záření gama již od roku 2008 (zdroj NASA).
Sonda FERMI zkoumá záření gama již od roku 2008 (zdroj NASA).

 

 

Pozorování přebytku pozitronů s vysokou energií v kosmickém záření.

Elektrony v našem světě z hmoty dominují nad pozitrony i v kosmickém záření. Případné vysokoenergetické elektrony vznikající v rozpadu částic temné hmoty budou překryty intenzivním pozadím elektronů produkovaných v celé řadě jiných procesů v našem hmotném světě. Šance o identifikaci případných produktů rozpadu částic temné hmoty je tak vyšší u pozorování pozitronů. Velice zajímavé tak bylo pozorování, že pro energie větší než 10 GeV se spektrum pozitronů z kosmického záření začíná chovat jinak (má jiný tvar), než spektrum elektronů. Přebytek pozitronů studovala již sonda PAMELA, ale AMS umožnil měřit spektrum pozitronů s velmi vysokou přesností a protáhl je až po energie 400 GeV. Jeho výsledky byly publikovány v září roku 2014 (originální práce zde a zde). Jasně se ukazuje, že existuje zdroj vysokoenergetických pozitronů, jehož původ neznáme. Může jít o některý astrofyzikální zdroj, například pulsary, v případě, že některé procesy produkující pozitrony s vysokou energií v nich nedokážeme správně popsat. Druhou možností jsou právě rozpady či anihilace částic temné hmoty. Bohužel není statistika a přesnost měření spektrometru AMS zatím dostatečná k tomu, aby mezi těmito dvěma možnostmi mohl rozhodnout. Podíl pozitronů a elektronů od energie 10 GeV roste a zhruba u 200 GeV se růst zastavuje a až po zmíněných 400 GeV pozorujeme saturaci. Kritické pro identifikaci zdroje bude chování podílu pozitronů vůči elektronům pro ještě vyšší energie. Pokud bude pomalu klesat, mělo by jít o astrofyzikální zdroje. Avšak v případě, že velice rychle spadne na původní hodnoty, jde s největší pravděpodobností o produkty rozpadů či anihilace částic temné hmoty s hmotností (klidovou energií) ukázanou energií zmíněného propadu tohoto poměru.

 

Záření gama pozorované sondou FERMI. Nalevo jsou experimentální data a napravo situace po odečtení známých zdrojů záření gama (zdroj T. Daylan et al., FERMI, NASA)
Záření gama pozorované sondou FERMI. Nalevo jsou experimentální data a napravo situace po odečtení známých zdrojů záření gama (zdroj T. Daylan et al., FERMI, NASA)

 

 

Přebytek vysokoenergetického záření gama z jádra naší Galaxie

Než se podíváme na výsledky studia spektra antiprotonů v kosmickém záření, připomeňme, že v minulých letech byl pozorován tak přebytek vysokoenergetického záření gama ve směru jádra naší Galaxie. Intenzivně se tento přebytek studoval na datech ze sondy FERMI, která se na studium kosmického záření gama zaměřuje. Její gama teleskop zachytil ve směru ke galaktickému jádru daleko více záření gama, než mohou vysvětlit simulace využívající známé zdroje. Temná hmota vytváří galaktické halo, ale vlivem gravitace by se také měla koncentrovat v galaktickém středu, je atraktivním kandidátem na vysvětlení tohoto přebytku. Sonda FERMI pozorovala přebytek až do vzdálenosti nejméně 5000 světelných let od centra Galaxie. Jistou nevýhodou tohoto vysvětlení v souladu s pozorovaným přebytkem pozitronů je skutečnost, že nadbytek gama pozorujeme pro nižší energie, zhruba mezi 1 až 3 GeV.

Poměr mezi antiprotony a protony v závislosti na energii. Červené body jsou výsledky měření AMS. Světle fialový pás je předpověď simulací produkce sekundárních antiprotonů ve srážkách kosmického záření s jádry v mezihvězdném a meziplanetárním prostředí. Je třeba poznamenat, že se jedná o simulace před započtením vlivu nejnovějších měření protonů a heliových jader s využitím spektrometru AMS. (Zdroj AMS).
Poměr mezi antiprotony a protony v závislosti na energii. Červené body jsou výsledky měření AMS. Světle fialový pás je předpověď simulací produkce sekundárních antiprotonů ve srážkách kosmického záření s jádry v mezihvězdném a meziplanetárním prostředí. Je třeba poznamenat, že se jedná o simulace před započtením vlivu nejnovějších měření protonů a heliových jader s využitím spektrometru AMS. (Zdroj AMS).

Záření gama vzniká až v dalších procesech částic vznikajících v rozpadech či anihilaci částic temné hmoty. Přebytek ve zmíněné energetické oblasti by způsobovaly částice temné hmoty s hmotností 30 až 40 GeV/c2. I tato hmotnost je však příliš nízká. Navíc jsou v popisu procesů vzniku záření gama v klasických zdrojích, například pulsarech, stále velké nejistoty.

 

 

 

Pozorování antiprotonů z kosmického záření

Pozorování, které by mohlo doplnit pozorování pozitronů, je pozorování antiprotonů. V tomto případě je situace zjednodušena tím, že antiprotony jsou téměř výhradně produkovány ve srážkách protonů a jader kosmického záření s velmi vysokými energiemi. Tedy úplně stejným způsobem, jakým se produkují třeba při srážkách na urychlovači LHC. Tyto procesy tedy velice dobře známe z experimentů na urychlovačích, a pokud budeme znát velice dobře i složení a spektrum kosmického záření velmi vysokých energií a rozložení i složení hmoty v mezihvězdném prostoru, můžeme předpovědět s odpovídající přesností i spektrum antiprotonů z kosmického záření.

 

Spektrometr AMS přispěl v této oblasti hned v několika směrech. Velice přesně změřil spektra vysokoenergetických protonů (AMS jich zachytil 600 milionů) a částic alfa (zachyceno bylo 50 milionů) v kosmickém záření (originální články zde). Významně se tak zlepšila naše znalost toho, jaké protony a heliová jádra, která v kosmickém záření dominují, se srážejí s jádry hmoty v mezihvězdném prostředí. Lze tak daleko přesněji namodelovat i vlastnosti antiprotonů, které při těchto srážkách vznikají. Nová přesnější data ze spektrometru AMS ukázala, že pro velmi vysoké energie se charakter poklesu počtu protonů i heliových jader mění. Pokles se zpomaluje. To naznačuje, že se tam objevuje nový zdroj těchto částic. Znamená to také, že vysokoenergetických antiprotonů vznikajících ve srážkách těchto jader bude také více, než se čekalo. Bylo tak potřeba získat nové simulace produkce antiprotonů ve srážkách jader kosmického záření s jádry mezihvězdné hmoty. Toto modelování provedli Gaëlle Giesen s kolegy z Francie a Německa (originální článek zde). Velice důležité je, že v práci pečlivě analyzovali všechny nejistoty, které vznikají při odhadech spekter protonů, heliových i těžších jader, pravděpodobností reakcí s produkcí antiprotonů (jejich účinných průřezů), rozložení hmoty a jejího složení v mezihvězdném i meziplanetárním prostoru.

 

Spektrometr AMS také změřil velice přesně spektrum antiprotonů s vysokými energiemi v kosmickém záření. Spektrum se podařilo nejen zpřesnit, ale také protáhnout. Stejně jako u pozitronů až po energii 400 GeV. Velice pozitivní je, že nová měření jsou v mezích experimentálních nejistot v dobré shodě s výsledky předchozího kosmického zařízení PAMELA. Podívejme se, jak vypadá srovnání výsledků simulací produkce antiprotonů ve srážkách kosmického záření s experimentálními daty.

 

Pokud se srovnání provádělo s původními simulacemi získanými před publikacemi spekter protonů a heliových jader z AMS, ukazoval se výrazný přebytek antiprotonů v oblasti energií nad 20 GeV. Výsledek nových simulací G. Giesena využívající spektra protonů a helií z AMS se výrazně přiblížil k experimentálním hodnotám a ty teď leží v rozsahu nejistot modelových simulací. Prostor pro případné antiprotony pocházející z rozpadů či anihilací temné hmoty se tak výrazně zmenšil. V rámci nejistot je i možnost, že k vysvětlení experimentálních spekter postačí i jen sekundární antiprotony vznikající ve srážkách kosmického záření s mezihvězdnou hmotou.

 

 

Poměr mezi počtem antiprotonů a protonů v závislosti na energii antiprotonů a protonů. Body jsou ukázány nové experimentální výsledky AMS (černé) a předchozího družicového experimentu PAMELA (modré). Hnědou linkou je ukázán výsledek simulací předpokládající jako zdroj antiprotonů pouze srážky jader kosmického záření s mezihvězdnou a meziplanetární hmotou. Různě barevnými pásy jsou zobrazeny nejistoty různého původu: červeně – nejistoty hodnot účinných průřezů, žlutě - nejistoty v popisu průchodu částic mezihvězdným a meziplanetárním prostředí, modře – popis spekter primárních částic kosmického záření, zeleně – nejistota v popisu vlivu sluneční činnosti, která svým magnetickým polem vytlačuje vysokoenergetické mezihvězdné kosmické záření. (Zdroj G. Giesen et al: arXiv:1504276v2).
Poměr mezi počtem antiprotonů a protonů v závislosti na energii antiprotonů a protonů. Body jsou ukázány nové experimentální výsledky AMS (černé) a předchozího družicového experimentu PAMELA (modré). Hnědou linkou je ukázán výsledek simulací předpokládající jako zdroj antiprotonů pouze srážky jader kosmického záření s mezihvězdnou a meziplanetární hmotou. Různě barevnými pásy jsou zobrazeny nejistoty různého původu: červeně – nejistoty hodnot účinných průřezů, žlutě - nejistoty v popisu průchodu částic mezihvězdným a meziplanetárním prostředí, modře – popis spekter primárních částic kosmického záření, zeleně – nejistota v popisu vlivu sluneční činnosti, která svým magnetickým polem vytlačuje vysokoenergetické mezihvězdné kosmické záření. (Zdroj G. Giesen et al: arXiv:1504276v2).

 

Jak vysvětlit přebytek pozitronů a případný přebytek antiprotonů?

Jednou z možností, jak vysvětlit případné přebytky vysokoenergetických částic, nejen pozitronů a antiprotonů, ale také gama, je možnost nedokonalého popisu procesů spojených s klasickými zdroji, jako jsou třeba pulsary nebo supernovy. Právě srovnání dat o různých částicích kosmického záření může přispět k identifikaci jejich zdrojů. Například nedokonalý popis procesů souvisejících s pulsary může vysvětlit pozorování přebytku pro gama a pozitrony, přebytek vysokoenergetických antiprotonů však vysvětlit nemůže. Antiprotony se v pulsarech produkují v zanedbatelné míře. Ty by mohly vysvětlit třeba supernovy a interakce jimi urychlených částic v prostředí s vysokou hustotou plynu v okolí. V supernově existují procesy, které urychlují jádra na velmi vysoké energie, podobné jako známe na LHC. Ve srážkách těchto jader se pak produkují i antiprotony. V těchto procesech se také produkují elektrony a pozitrony. Supernovy by tak byly jednou z možností současně vysvětlit přebytek pozitronů i antiprotonů. Pozorování či nepozorování přebytku různých částic v různých oblastech energií se zvyšující se přesností umožňuje některé zdroje vyloučit a jiné zařadit mezi nadějné kandidáty.

 

Další možností jsou částice temné hmoty. Společný rozbor stále přesněji měřených spekter různého typu záření, gama, elektronů, pozitronů a antiprotonů, dává stále větší omezení na možné modely vysvětlující tato pozorování pomocí specifických hypotetických částic temné hmoty. Pozorování silně omezují možné rozsahy jejich vlastností. Tedy hmotnosti, pravděpodobnosti anihilace či doby jejich života, a také jejich rozložení a hustoty těchto částic v naší Galaxii. Nová, velice přesná, pozorování pozitronů a antiprotonů pomocí spektrometru AMS na vesmírné stanici ISS se tak stala velice silným impulsem pro řadu prací o možných kandidátech na částice temné hmoty, které by je dokázaly vysvětlit. Stejně tak nám umožňují omezovat možné hypotetické kandidáty pozorování na urychlovači LHC. Jak vesmírná, tak pozemská pozorování musí být v případě, že mají být vysvětlena stejnou částicí nebo rodinou částic, v souladu. Další, ještě přesnější měření a důkladnější komplexní analýzy, zaměřené zvláště na pochopení všech zdrojů nejistot v měření i simulacích různých zdrojů by v budoucnu mohly být tím správným sítem, které zachytí tu správnou částici a identifikují ji. Tedy, pokud existuje. Otázku, zda za pozorovaným přebytkem pozitronů s vysokou energií jsou částice temné hmoty se tak s pomocí dat AMS o antiprotonech bohužel vyřešit nepodařilo. Stále tak nevíme, zda je produkce případných částic temné hmoty v dosahu současných urychlovacích technologií.

Datum: 13.07.2015
Tisk článku

?????? ??????? / Temná historie - ???????? ?????????, Mamoshina Anastasia
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 80 Kč
cena: 71 Kč
?????? ??????? / Temná historie
???????? ?????????, Mamoshina Anastasia
Související články:

Co všechno již víme o temné hmotě?     Autor: Vladimír Wagner (20.01.2014)
Jak se vyznat v přehršli různých částic     Autor: Vladimír Wagner (31.08.2014)



Diskuze:

Bude to bezesporu zajímavé sledovat

Pavel Brož,2015-07-13 23:24:16

Bohužel všechny dosavadní výsledky hledání temné hmoty vycházejí prozatím dosti nejednoznačně - nejde jenom o výsledky AMS popsané v článku, ale také o experimenty DAMA/NaI:

https://en.wikipedia.org/wiki/DAMA/NaI

jeho nástupce DAMA/LIBRA:

https://en.wikipedia.org/wiki/DAMA/LIBRA

jim víceméně protiřečícího experimentu XENON:

https://en.wikipedia.org/wiki/XENON

a jsou zde samozřejmě i další pokusy o vysvětlení temné hmoty a prověření příslušných hypotéz, např. ADMX:

https://en.wikipedia.org/wiki/Axion_Dark_Matter_Experiment

Zjednodušeně řečeno, souhrnné vlastnosti temné hmoty vycházející z těchto a dalších experimentů připomínají trochu požadavky na chytrou horákyni, která také nesměla přijít oblečená ani nahá, ani pěšky ani na koni, přinést dar a nic nedarovat ... Co se dnes jeví jako víceméně potvrzené (či v pohledu opačnou optikou vyvrácené), je to, co temná hmota není: s velkou určitostí nemůže být vysvětlena neutriny (vyjma hypotetické možnosti tzv. sterilního neutrina, což je právě to dnes chybějící pravotočivé neutrino či levotočivé antineutrino, které se ale od svých detekovaných sourozenců mají lišit právě tím, že nereagují ani slabou interakcí), dále zcela určitě nemůže být vysvětlena temnou baryonickou hmotou, ať už ve formě neutronových hvězd, nebo třeba hnědých trpaslíků, také na černé díry to moc nevypadá, passé jsou už dnes také různé modifikace teorie gravitace i Newtonovy mechaniky, jak zmíněno ve článku.

Pro to, co temná hmota naopak je, zůstává stále otevřeno docela dost možností, pátrání je v tomto směru opravdu stále ještě na svém úplném počátku. Situace je v něčem analogická detekování gravitačních vln - gravitační vlny jsou predikovány všemi teoriemi gravitace (tedy nejenom současnou stále perfektně vyhovující obecnou teorií relativity, ale také všemi jí konkurujícími teoriemi), a jsou nepřímo pozorovány prostřednictvím zkracování oběžných dob binárních pulsarů, nicméně pozemské experimenty ani po půlstoletí snah nepřinesly jediný nezpochybnitelný výsledek. V současné době se věří, že další generace přístrojů, včetně těch instalovaných v kosmu, už gravitační vlny konečně detekovat bude - pokud ale ne, tak je možné, že si na jejich detekci počkáme klidně i několik dalších desítek let. S temnou hmotou to může být podobné - momentálně věříme tomu, že odhalení její podstaty máme už na dosah ruky a je jen otázkou několika blízkých let, kdy budeme mít jasno. Ve skutečnosti to ale nemusíme vědět ještě hodně dlouho.

Odpovědět


Re: Bude to bezesporu zajímavé sledovat

Radek Havel,2015-07-14 23:18:33

Dobrý den pane Broži,
mohu se zeptat čím je vyloučena hypotéza temné baryonové hmoty ? Připadá mi to jako poměrně smysluplné vysvětlení.
Děkuji,
RH

Odpovědět


Re: Re: Bude to bezesporu zajímavé sledovat

Vladimír Wagner,2015-07-15 00:02:26

Temná baryonová hmota (tedy normální hmota, která září tak málo a je tak vzdálena, že ji nevidíme) je obsažena v objektech, které známé: slabě svítící hvězdy, planety, plynná a prachová oblaka, černé díry ... Dnes už různými metodami pozorování, které jsou stále dokonalejší, máme oceněny hustoty výskytu nebo limity na ně u všech možných typů objektů z této hmoty a je jasné, že prostě nemohou za temnou hmotou být (podrobněji viz v tom mém rozboru stavu výzkumu temné hmoty na Oslovi).

Odpovědět


Re: Re: Bude to bezesporu zajímavé sledovat

Pavel Brož,2015-07-15 01:51:54

Ahoj Vladimíre :-) Než jsem to dopsal, tak jsi odpověděl taky, tak už to tady vložím :-)

Ohledně limitů na množství potenciální baryonické nezářící hmoty ve vesmíru, které plynou z pozorování, tak tam jsou v podstatě tři, dva z nich jsou podmíněné nějakou podkladovou teorií, což vyplyne z dalšího textu. Začněme tím jedním, který je téměř nezávislý na předpokládaných teoriích, a tím je gravitační mikročočkování.

Gravitační mikročočkování je pozorovací technika mimořádně úspěšně používaná např. při hledání exoplanet (viz např. https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_microlensing a https://en.wikipedia.org/wiki/Exoplanet#Indirect_methods ). Na rozdíl od jiných metod umí lépe odhalovat exoplanety vzdálenější od mateřské hvězdy, optimálně ve vzdálenostech 1-10 AU od hvězdy velikosti Slunce. Podstatou je dočasné zjasnění hvězdy právě v důsledku efektu gravitační (mikro)čočky, typicky jak je to vyobrazeno na grafu zde: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Gravitational.Microlensing.Light.Curve.OGLE-2005-BLG-006.png , nebo na obrázcích zde: http://eros.in2p3.fr . Gravitační mikročočkování bylo velkoplošným pozorováním v naší Galaxii využíváno mj. právě za účelem odhalení tzv. masivní astrofyzikálních kompaktních halo objektů (MACHO, viz https://en.wikipedia.org/wiki/Massive_compact_halo_object ) a robustních asociací masivních baryonických objektů (RAMBO, viz https://en.wikipedia.org/wiki/Robust_associations_of_massive_baryonic_objects . Výsledek všech těchto velkoplošných mikročočkových pozorování, ať už v rámci projektů OGLE (https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_Gravitational_Lensing_Experiment či http://ogle.astrouw.edu.pl ), EROS (http://eros.in2p3.fr ) či MACHO (http://wwwmacho.anu.edu.au ) však vedly k nízkému maximálnímu zastoupení těchto objektů v celkové temné hmotě, maximální hranice byla tuším jedna pětina z dnes odhadovaného množství temné hmoty, pravděpodobněji však ještě méně).

Je nutné říct, že gravitační mikročočkování nemůže principiálně odhalit všechnu baryonickou hmotu, ale pouze tu, která je zkondenzována do dostatečně kompaktních objektů, jako jsou třeba neutronové hvězdy (nebo i hypotetické bludné planety), hnědí trpaslíci nebo černé díry. Na druhou stranu nám tak nějak chybí jakákoliv experimentální evidence i teoretická motivace pro nějaké výrazně méně kompaktní objekty. Prach to být nemůže, po čase by začal zářit a v nějaké části spektra bychom ho viděli. Primordiální černé díry o hmotnosti typických meteoritů? Hodně exotický scénář, navíc hodně na štíru se současnými kosmologickými scénáři, které se snaží být ve shodě s mnoha parametry, zastoupením chemických prvků ve vesmíru počínaje a limity na reliktní gravitační vlny konče. Že by objekty velikosti meteoritů? Musely by být složeny z těžších prvků než helium, a ty se musely upéct v supernovách, těch by muselo být mnohem více a nechaly by po sobě mnohem více hvězd pozdějších generací. Pokud bychom za každou cenu chtěli držet vysvětlení temné hmoty jakožto dominantně tvořené baryony, museli bychom přijmout docela dost předpokladů, abychom udrželi souhlas s pozorováním.

V tento moment přicházejí na řadu další dva limity na baryonickou temnou hmotu, ty už jsou jak jsem zmínil teoreticky podmíněné. První z nich je předpověď plynoucí z teorie prvotní nukleosyntézy při velkém třesku. Při prvotní nukleosyntéze byl stvořen chemický základ našeho vesmíru (jedná se o slavné Weinbergovy „první tři minuty“ od začátku velkého třesku – současní kosmologové tuto dobu stanovují flexibilněji, někteří na prvních deset sekund, jiní až na prvních 20 minut)). Během této doby se upeklo prakticky veškeré helium ve vesmíru slučováním z protonů a neutronů (neutrony se v té době ještě nestihly rozpadnout). Výsledkem byly tři hmotnostní čtvrtiny vodíku a jedna hmotnostní čtvrtina helia, plus malilinko lithia. Sice poněkud primitivní chemická skladba, nicméně jako základ pro pozdější procesy pečení vyšších prvků v nitrech hvězd to bohatě postačovalo. Jak toto souvisí s limitem na množství baryonů ve vesmíru, tedy i na potenciální vysvětlení temné hmoty pomocí baryonů? Ukazuje se, že poměrné chemické zastoupení prakticky všech pozorovaných prvků ve vesmíru dost hodně závisí na jednom poměru, a tím je poměr baryonů k fotonům v raném vesmíru. Tento poměr určuje mj. i to, jaké bude poměrné množství vodíku k heliu 3 a heliu 4 na konci prvotní nukleosyntézy, a určuje dokonce i poměr lithia (poměry dalších prvků už jsou určeny spíše jenom těmito uvedenými poměry, protože vyšší prvky vznikají až mnohem později). Docela dobrá shoda pro poměr vodíku k množství helia 3 a 4 se dostává pro takový poměr baryonů k fotonům, pro který vychází zhruba jenom 4-5 procent současné hmoty vesmíru – a to je to co dnes pozorujeme, 4-5 procent je nejlepší odhad množství baryonické hmoty z jiných pozorování, dalších 23 procent má být temná hmota, a zbytek temná energie.

Je patrné, že právě zmíněný limit je teoreticky podmíněný, předpokládáme totiž platnost teorie velkého třesku a současných představ o průběhu prvotní nukleosyntézy, a lze samozřejmě namítat, že něco v těch počátcích vesmíru mohlo být jinak, něco, co dnes ještě nevíme. Je tedy na čase přijít s další podobnou berličkou, a tou je teorie baryonických oscilací plynoucí z pozorování anizotropií reliktního mikrovlnného pozadí, známý experiment WMAP. Ukazuje se zajímavá věc – zatímco v teorii prvotní nukleosyntézy figuroval poměr baryonů k fotonům jako volný parametr, který jsme si mohli nafitovat tak, abychom ve výsledku dostali hmotnostně ony tři čtvrtiny vodíku a jednu čtvrtinu helia, přičemž jsme pouze museli strpět, že po tomto nafitování nám vyjde limit na celkové množství všech baryonů ve vesmíru, tak data z WMAP dávají nezávislé měření tohoto poměru baryonů k fotonům. A kupodivu, tento změřený poměr docela dobře souhlasí právě s tím číslem, které předtím bylo nafitováno chemickým složením vesmíru. Tzn. že vlastně můžeme říct, že z WMAP plyne poměr baryonů k fotonům, a z něj pak jednak chemické složení vesmíru, které je kupodivu ve velmi dobré shodě s pozorováním (ne však absolutně, lithium trochu trucuje), a navíc z něj plyne celkové množství baryonů ve vesmíru, které v tom dnešním opět vychází na těch 4 až 5 procent (slůvko „dnešním“ je podstatné, protože to zastoupení se mění s časem během vývoje vesmíru, ve kterém vzrůstá podíl temné energie na úkor temné i normální hmoty).

Tuto nirvánu harmonických shod je opět záhodno trochu pokazit připomínkou, že se opět jedná o teoreticky podmíněný výsledek, opět předpokládáme, že velký třesk jednak vůbec proběhl (což je dnes celkem velice dobře experimentálně podloženo), plus navíc že proběhl jistým „standardním“ způsobem (což je už podloženo zdaleka ne tak skálopevně).

Odpovědět


Re: Re: Re: Bude to bezesporu zajímavé sledovat

Radek Havel,2015-07-15 21:08:26

Dobrý večer,
pánové velmi děkuji za podrobné vysvětlení. Konečně jsem dostal ucelenou informaci proč situace není dle mých představ :)

Odpovědět

Kde jsou temne hvezdy a planety?

Vladimir Fedak,2015-07-13 14:30:24

Dobrý den,
Při čtení článků o temné hmotě mne vždy napadá pár zásadních otázek, které se obvykle nemám koho zeptat, tak to zkusím alespoň tady:
Jak to že "nepozorujeme" temné hvězdy a temné planety? Když je temné hmoty několikanásobně víc než viditelné, měly by existovat hvězdy a planety tvořeny z temné hmoty, respektive každá hvězda a planeta by měla mít v příslušném poměru (myslím že je to cca pětinásobek) větší hmotnost než je hmotnost její viditelné hmoty. Jak to že tuto nadbytečnou hmotu nevidíme v měřítku hvězd a planet a vlastně i v rámci naší vlastní planety? Pořád všichni mluví o tom, že temná hmota reaguje jenom na gravitaci, tak proč se tedy v rámci této reakce neshlukuje jako viditelná hmota i např. v rámci naší vlastní soustavy? Mělo by ji být přeci pětkrát více a její působení by mělo být vidět jako gravitační gradient v místech, kde dle ostatních přístrojů nic není. A ještě jednou, vzhledem k pětinásobku by těchto míst mělo být spousta.

Děkuji za odpověď.

Odpovědět


Re: Kde jsou temne hvezdy a planety?

Václav Čermák,2015-07-13 15:59:44

Nejsem odborník, ale zkusím částečně odpovědět.

Hvězda z temné hmoty nevznikne. Aby fungovala jako hvězda, potřebuje, aby její materiál interagoval i jinak než gravitačně. Případná "planeta" nemusí být 5x hmotnější, zatím se pouze tvrdí, že té temné hmoty je více než viditelné, ne že má větší hustotu.

A je-li kolem nás všude rozprostřena řídce a rovnoměrně, tak se její gravitační vliv v místním měřítku vyruší. Jinak to ale vypadá, že se právě shlukuje a definuje strukturu Vesmíru ve velkém měřítku. Tady ať mne někdo znalý doplní nebo opraví ...

Odpovědět


Re: Kde jsou temne hvezdy a planety?

Vladimír Wagner,2015-07-13 16:29:19

Částečně už odpověděl velmi správně pan Čermák. Temné hvězdy a planety se nemohou vytvářet proto, že kromě gravitace interaguje temná hmota jen velmi slabě. Možnost zachycení částice je dána její rychlostí vůči nějakému gravitačnímu centru a velikosti jiné interakce než gravitace s hmotou v místě tohoto centra. Představte si, že máte částici, která interaguje pouze gravitačně a nachází se třeba i uvnitř hvězdy. Pokud je její rychlost úniková, tak odletí pryč. Pokud je menší, tak obíhá téměř nekonečně dlouho na oběžné dráze okolo hmotného centra ve hvězdě. Velikost interakcí a rychlostí (daných tepelným pohybem) u částic temné hmoty je taková, že shlukování je možné až u velkoškálových struktur.
Když na Zemi dopadne meteorit z normální hmoty, tak se vypaří v atmosféře a někdy jeho části dopadnou na zemský povrch. V každém případě zvětší hmotnost Země. Objekt z temné hmoty by proletěl bez interakce Zemí a putoval by prostorem dále.

Odpovědět


Re: Kde jsou temne hvezdy a planety?

Juraj Chovan,2015-07-14 13:52:02

Dobry den pan Fedak,

napriek tomu ze pani Cermak a Wagner Vam odpovedali absolutne spravne dovolim si svojou odpovedou vec este lepsie ozrejmit:

Vo Vasej otazke vychadzate z predpokladu ze za formovanim hviezd a planet stoji gravitacna interakcia.
Avsak presne tento predpoklad je silne nespravny, lebo spustacom formovania kompaktnych vesmirnych telies (malych aj velkych) nie je gravitacia ale elektromagneticka interakcia. Atomy hmoty, povodne letiace vysokou rychlostou, v dosledku vzajomnych zrazok svoju rychlost stracaju. Je to dosledok vzajomnej elektromagnetickej interakcie elektronovych obalov atomov, pricom pri zrazke su emitovane fotony takze uhrna kineticka energia (a teda aj rychlost) atomov klesne. V makroskopickom meritku tomu hovorime trenie.
Obcas sa niektore atomy zrazia tak malou vzajomnou rychlostou ze ich elektronove obaly dokazu vytvorit viazany stav - vznikne molekula. To je vsak znovu doprevadzane emitovanim fotonu takze rychlost zasa poklesne. A takto podobne sa to nabaluje az nam vzajomnymi zrazkami vzniknu zrnka prachovych castic, ktorych rychlost je vsak uz podstatne mensia kedze vznikli zrazkou velkeho mnozstva atomov a molekul letiacich s roznych smerov takze ich rychlosti sa vyrusili.

Gravitacia je velmi slaba sila a preto vstupuje na scenu az vo chvili ked su jednotlive ciastocky dostatocne pomale. Vytvaraju sa lokalne zhustenia hmoty, vdaka vyssej hustote je vyssia frekvencia zrazok a teda ucinnejsie trenie (to je uz ale znovu elektromagneticka interakcia), s ucinnejsim trenim este vasci pokles rychlosti a nasledne zborenie do kompaktnych vesmirnych objektov.

Takze ano, gravitacia tomu celemu procesu napomaha, avsak primarnym spustacom je elektromagnetizmus. Kedze tmava hmota elektromagneticky neinteraguje tak sa na tomto procese nezucastnuje.

Odpoved na otazku, ze tak teda ako je mozne ze sa tmava hmota zucastnuje na tvorbe velkych objektov ako su galaxie je jednoducha: gravitacia sice slabne s druhou mocninou vzdialenosti, ale zaroven silnie s tretou mocninou vzdialenosti kedze s tretou mocninou rastie objem a teda aj uhrna hmotnost hmoty ktora gravitacne posobi. Gravitacia je sice slaba, avsak na dostatocne velkych rozmeroch (radu galaxii) je uz odrazu dostatocne silna aby gravitacne naviazala aj rychlo letiace castice tmavej hmoty. Tie sa vsak (na rozdiel od beznej hmoty) navzajom nezrazaju a ako pise v odpovedi pan Wagner kazda jednotliva castica obieha okolo galaxie. Vsetky uhrnom vytvaraju galakticke halo ktoreho gravitacne ucinky nasledne pozorujeme.

Odpovědět

Kde sa stratila časť antihmoty po Bing-Bangu?

Anton Matejov,2015-07-13 09:57:12

Dobre prijmime predpoklad Štandartného modelu a Bin-Bankgu.
Stále sa zabúda zakomponovať v teoriach kde sa stratila časť anti-hmoty.
Náš vesmír vznikol výbuchom s extremne malého bodu o extremnej energie.
Vznikali častice a antičastice. Vznikol ale nejaký nadbytok častic nad antičasticami,
lebo by náš vesmír tvorili asi fotóny po anihiláciach hmoty a antihmoty.
Nejaký proces to zariadil, že sa časť antihmoty niekde pretransformovala.
Asi do nejakých neutrálnych častíc. Sem tam sa publikuje niečo o danom probléme ale nijaký podstatný posun som nezachytil v danom probléme.
Antigalaxie a antihviezdy sme doposiaľ nenašli v našom vesmíre. Taký stret antigalaxii a antihviezd by sa prejavil v obrovskom žiarení a to by sme už asi s prehliadok aj spomínaných v článkov zachytili.
Iné možnosti sú, že chýbajuca antihmota po veľkom tresku sa pretransformovala do neutrálnej látky, ktorá neaninhiluje teda nevyžiaruje.
Zatiaľ nemám poznatky že by sme vedeli v čom sa odlišuje hmota a antihmota okrem opačného náboja. Kde je ešte ďalšie narušenie symetrie. Posun zatiaľ v tom nedosiahli ani v CERNU, alebo o ňom neviem.
Takže je možné že s takýchto prehliadok môžeme zistiť skôr kde sa nachádza deficit antihmote po veľkom tresku ako zloženie čiernej hmoty. A to ich môže dobre zvavádzať v ich teoriach a modelovaní.
2. Časť tmavej energie a tajomstvo gravitácie by vedel vysvetliť aj inak. V našom vesmíre je stále proces syntézy a štiepenia. Pri tom vznika energia. Je to neustály proces vo hviezdach a podobne. Vznikajú pri tom napríklad stále záhadne neutrína. Neutrína ale už ďalej neintegrujú riadne s hmotou.
Čo ak je gravitácia celkove prejav súčtu interackii častíc a antičastíc. Hmotnosť sa predsa transformuje na energiu a naopak.Gravitácia je vlastne prejav syntézy a štiepenia hmoty.
Ale napríklad tie nepodarené neutrína, a možno aj iné slabointeragujúce častice sa už pramálo podieľaju na ďalších interakciach hmoty, čiže aj na hmotnosti nášho vesmíru. Hviezdy a iné procesy, interákcie, ale stále produkujú nové a nové neutrína. To sa celkove prejavuje na našom vesmíre tak, že stráca na hmotnosti. Strata hmotnosti sa prejavuje zrýchlenou expanziou nášho vesmíru.
Inak tiež vyjadrené cez kvantovu teóriu. Niekde existuje najmenší možný účinok - kvanta. Časť hmoty sa dostáva pri štiepeni, delení pod takzvanu možnu hranicu možnú hranicu účinku na väčšinu ostatnej hmoty. Zamrzaju v čase. Reliktívne žierenie je tiež zoslablo. Dá sa teda predpokladať že časť hmoty sa tak vyparuje s nášho vesmíru.Teda sa už nepodieľa na gravitácie nášho vesmíru. Tak ako sa vyparujú aj čierné diery.
Okrem toho náš vesmír aj expanduje, to sa musí tiež prejavovať na interakciach hmoty najmä ďalekého dosahu ako gravitácia. Interakcie by mali teda meniť svoje konštanty - hodnoty v čase a expanzii vesmíru.

Odpovědět


Re: Kde sa stratila časť antihmoty po Bing-Bangu?

May Sider,2015-07-13 10:55:36

"“The disc’s reactor uses a fuel which does not occur naturally on Earth. This fuel is a super-heavy, stable, element with an atomic number of 115 and does not appear on our periodic chart. Element 115 has a two-fold purpose: First, it is the source of a gravity wave that is unknown to Earth’s scientists, the “Gravity A” wave. Second, it is the source of the anti-matter radiation which is reacted to provide power.

The Gravity A wave emanates from the nucleus of element 115 and actually extends past the perimeter of the atom. The propulsion system of the disc amplifies and focuses this Gravity A wave to cause space/time to bend, much like space/time bends in the intense gravitational field of a black hole. The ability to direct gravity to cause space/time distortions allows the disc to cross vast expanses of space/time without traveling in a linear mode at a high rate of speed."

Odpovědět


Re: Kde sa stratila časť antihmoty po Bing-Bangu?

Vladimír Wagner,2015-07-13 16:49:18

Nevím, jestli správně chápu Váš problém. Takže se pokusím odpovědět šířeji. Pozůstatkem anihilace hmoty a antihmoty, která ve vesmíru vznikla, je reliktní záření. Poměr mezi hustotou fotonů reliktního záření a hustotou baryonů ve vesmíru (zhruba 10^9) ukazuje na to, jak velký se vytvořil ten přebytek hmoty nad antihmotou. Částice hmoty a antihmoty se liší v řadě jiných parametrů než jen znaménkem náboje. Liší se ve znaménku magnetického dipólového momentu, v leptonovém, baryonovém čísle, podivnosti a dalších některých kvantových veličinách. Asymetrie mezi částicemi a antičásticemi je pozorovatelná v řadě případů (například jsou jen levotočivá neutrina a pravotočivá antineutrina). Na LHC je pozorována hlavně experimentem LHCb řada procesů, kde se částice chovají jinak než antičástice (ta asymetrie je obsažena už ve Standardním modelu). Problém je, že pozorovaná asymetrie ze Standardního modelu k vysvětlení přebytku hmoty nad antihmotou v našem vesmíru nestačí. Proč říkám asi, je ukázáno zde:
http://www.osel.cz/6618-jak-vznikl-prebytek-hmoty-nad-antihmotou.html

Odpovědět

podvod = temná hmota

May Sider,2015-07-13 06:44:06

každému malému dítěti už musí být jasné, že temná hmota nemá v podstatě žádný logický důvod či základ existence
jde o výmysl pomýlených fyziků typu Hawking

Odpovědět


Re: podvod = temná hmota

Milan K,2015-07-13 07:33:42

Hlavně nechápu, jak můžeme něco pozorovat a pak počítat v astronomickém měřítku, kdy existuje hromada teoretických možností, jak Vesmír "funguje", a každá z nich by vyžadovala jiné interpretace.
Tématické video s RNDr. Křížkem
https://www.youtube.com/watch?v=MgTLQVQ_Aww

Odpovědět


Re: Re: podvod = temná hmota

Vladimír Wagner,2015-07-13 17:22:51

Temná hmota i temná energie jsou dosud hypotézy (hypotéza není podvod). Pochopitelně, dokud nebude tato hypotéza experimentálně prokázána, lze zkoumat i jiné hypotézy. Hypotéza temné hmoty je zatím tou nejjednodušší, která dokáže v současnosti vysvětlit komplexní soubor pozorování. Ovšem pořád to není experimentálně prokázaná teorie.
Takže je pochopitelně možné seriozně diskutovat jiné varianty a možné slabiny této hypotézy. Tedy to, co dělá Michal Křížek, je přesně, to co je užitečné. Se znalostmi fyziky se snaží hledat slabiny. Velice dobře se známe a jeho názorů si velmi cením.
Je jasné, že každá extrapolace (tedy i uplatnění gravitačních teorii) je extrapolací, která nemusí fungovat až na libovolné vzdálenosti.
Je také jasné, že předpoklady kosmologických modelů a jejich použitá zjednodušení jsou ověřena a zkontrolována jen na jisté úrovni a s jistou přesností. A pochopitelně se dá pochybovat o extrapolaci do větších vzdáleností. Konečné ověření a rozhodnutí, jestli jsou tyto extrapolace oprávněné a jestli je současný kosmologický model správný, lze učinit pouze na základě stále přesnějších pozorování na všech úrovních.
Zatím není v nabídce lepší kosmologický model, který by lépe a přesněji pozorování popsal, a opravdu jim nejsou výroky o "pomýlených fyzicích jako je Hawking".

Odpovědět


Re: Re: Re: podvod = temná hmota

Milan K,2015-07-14 07:52:07

No, osobně to jako podvod nevidím, ovšem z jiného úhlu vzato - jak se to vezme. Zkoumání hypotéz bez znalosti jakýchkoli základních faktů je na vodě. Pak se to nijak neliší od prvků umělé zaměstnanosti, a ve svém odůvodnění je to tedy na hraně podvodu. "A komu tím prospějete?". Ale jak říkám, jak se to vezme.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: podvod = temná hmota

Anton Matejov,2015-07-14 11:02:14

Sú aj názory skupiny fyzikov že tmava hmota je iluzia. Ich hypotezy nie sú tak popularne a neobjavujú sa tak často v mediach. Napríklad teorie MOND. No to by sme museli aj prijať, že neplati Všeobecna teoria relativity všeobecne, ale iba lokalne. Lebo je veľa krát experimentálne testovaná. Ale VTR sa tiež nepodarilo sklbiť s kvantovou teoriou, ktorá je tiež nespočet krát experimentálne potvrdzovaná.Kvantová teoria univerzalnejšie vysvetľuje náš vesmír.Niektorí matematici hovoria o tom že nejde sklbiť kvantovu teoriu s VTR. Veľmi dobre popisuje tento rozpor na blogoch Martin Scholtz teoretický fyzik a učiteľ v Prahe: http://scholtz.blog.sme.sk/c/256182/VI-Teoria-relativity-vs-kvantova-mechanika.html

Tmava hmota vyplynula s astronomických potrieb vysvetliť problém gravitácie. Napríklad rýchlosť hviezd na okrajov galaxii.
Hľadajú sa spôsoby ako to sklbiť, alebo vysvetliť s kvantovou teoriou. Takže tmava hmota a tmava energia je problem astronomicky a problem Veľkeho tresku, Bing-Bangu.
Teda tmava hmota je problem zástancov VTR a zástancov Veľkého tresku. A to by bol riadný pracovný problém, ak by sa spochybnili ich teorie.
Veľmi zaujímava a priťažliva je popri teoriach MOND aj teoria Holografického vesmíru, napríklad linku: http://invivomagazin.sk/holograficky-vesmir_124.htm
...Prichádzame k zaujímavej predpovedi M-teórie, ktorej zatiaľ nerozumieme, ale ktorá môže mať závažné fyzikálne a filozofické dôsledky. Núti nás položiť si otázku: Je vesmír hologramom? Existuje snáď „tieňový vesmír“, v ktorom sú naše telá stlačené do dvojrozmernej podoby?
Vzniká tým ďalšia, rovnako znepokojivá otázka: Je náš vesmír počítačovým programom? Je možné nahrať ho na CD a pre potešenie ho prehrať?

Hologramy sa dnes bežne používajú na kreditných kartách, vo vedecko–technických múzeách a zábavných parkoch. Sú pozoruhodné tým, že na dvojrozmernom povrchu dokážu zachytiť úplný trojrozmerný obraz objektu...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: podvod = temná hmota

Martin Plec,2015-07-14 12:19:12

Podle mě je ta analogie s hologramem špatná. Hologram není schopen zachytit objekt včetně jeho vnitřního uspořádání, ale jen vnější povrch. Takže hologram pouze kódovaně převádí dvourozměrnou plochu na dvourozměrnou plochu. Opravdu tohle tvrdí ta teorie o holografickém vesmíru?

Odpovědět


hologram nemá hmotnost, energii, setrvačnost, gravitaci, ... jako vzor, je jen povrchní obraz.

Josef Hrncirik,2015-07-15 07:22:40

Odpovědět


MOND už je dávno z kola ven

Pavel Brož,2015-07-14 12:31:44

Teorie MOND je co se týče potenciálního vysvětlení projevů připisovaných temné hmotě už dávno mimo hru, především díky pozorování srážek kup galaxií, která dodala spoustu experimentálních dat o těžišti těchto systémů, a tato data jsou v rozporu s předpověďmi MOND. Teorie MOND vznikla v době, kdy tato pozorování nebyla k dispozici, v té době se proto MOND opravdu jevila jako jedno z nadějných vysvětlení záhady temné hmoty. Dnes to ale právě vzhledem k těm pozorováním už neplatí. Jedná se mimochodem o ukázku toho, že i když stále ještě hodně tápeme v otázce podstaty temné hmoty, tak experimentální technika svým neustálým vývojem postupně eliminuje některé z teoretických scénářů, a to je beze sporu pozitivní zpráva, protože to svědčí o tom, že se naše znalosti vesmíru posunují i tehdy, když získané výsledky nejsou natolik dramatické, aby plnily titulní zprávy médií.

Mimochodem, MOND je modifikací Newtonovy dynamiky, jak ostatně ukazuje i její název (písmena N a D ve zkratce jejího názvu), nejedná se tedy o modifikaci obecné teorie relativity. Modifikace OTR samozřejmě jakožto potenciální vysvětlení temné hmoty vznikaly také, potkal je ale stejný osud, jako MOND - neuměly si poradit s daty z pozorování srážek kup galaxií, a proto byly opuštěny.

Odpovědět


Re: MOND už je dávno z kola ven

Milan K,2015-07-14 12:46:35

Pozorování srážek galaxií zatím nikdo neprovedl. Pouze zdánlivě pozorujeme nějaké děje (nikoli v reálném čase), které takto vyhodnocujeme.
A dále nevíme, jak získaná data interpretovat
Takže jsou to jen teorie, nikoli dramatické výsledky.

Odpovědět


Re: Re: MOND už je dávno z kola ven

Pavel Brož,2015-07-14 20:59:54

Srážky galaxií s temnou hmotou nijak nesouvisí, řeč je o srážkách kup galaxií, při kterých se mimochodem samotné galaxie nesráží.

Odpovědět


Re: MOND už je dávno z kola ven

Martin Plec,2015-07-14 12:53:57

Jsou ta pozorování srážek galaktických kup, resp. naše interpretace těchto pozorování, natolik nezpochybnitelné, že MOND a další lze opravdu vyřadit ze hry? Těch pozorování přeci nebylo tolik a přesnosti měření také nebudou vzhledem ke vzdálenosti bůhví jaké. Navíc asi dokážeme změřit skalární rychlost směrem k nám nebo od nás, ale dokážeme změřit i vektor rychlosti? Rovněž naše interpretace pozorování stojí na celé řadě předpokladů (např. že pozorujeme statickou kupu galaxií, která se zrovna nerozpadá, aj.) a na obecně přijímaném modelu vesmíru - co když některý z těchto předpokladů se ukáže jako nepravdivý?

Odpovědět


Re: Re: MOND už je dávno z kola ven

Martin Plec,2015-07-14 12:55:07

Vidím, že jsem uvažoval podobně jako Milan K.

Odpovědět


Re: Re: Re: MOND už je dávno z kola ven

Pavel Brož,2015-07-14 21:02:56

Co se týče počtu pozorování srážek galaktických kup ve vztahu k analýze množství temné hmoty ve srážce participující, tak ta situace je dnes už zaplaťpánbu výrazně lepší, než před dejme tomu osmi lety, kdy počet takovýchto pozorování bylo velice málo. Dnes je jich už proměřeno nejméně 72, soudě dle studie publikované 13. dubna 2015:

http://arxiv.org/pdf/1503.07675.pdf

Ohledně zpochybnitelnosti či nezpochybnitelnosti závěrů z pozorování srážek galaktických kup, tak jenom letmo přiblížím, o co se tato měření opírají. Na vyvozování přítomnosti či nepřítomnosti temné hmoty je zapotřebí provést následující kroky:

a) nalézt (identifikovat) srážku kup galaxií
b) změřit intenzitu gravitačního pole v oblasti srážky a jejím blízkém okolí
c) určit rozložení galaxií ve srážejících se kupách, a rozložení mezigalaktického plynu detekovatelného pomocí rentgenového záření

První úkol se opírá o dostatečně přesné měření rudého posuvu. Nejedná se o nic nového, přesně na základě tohoto měření už ostatně mnohem dříve byly ve vesmíru identifikovány struktury, jako jsou kupy a nadkupy galaxií, filamenty a doménové stěny. Díky tomu bylo možné vypracovat trojrozměrnou mapu pozorovatelného vesmíru – ne že by byla nějak úchvatně přesná, tak např. každá korekce v naměřené hodnotě Hubbleovy konstanty znamená, že se celý náš vesmír jakoby nafoukne či naopak smrskne, a možná připomíná spíše mapy světa z osmnáctého století, které měly co se týče přesnosti také své mouchy. Nicméně i tyto mapy většinou respektovaly, že na nich sousedící státy a útvary byly v reálu také sousedící, byť proporce byly místy zkreslené. O nic jiného nejde ostatně ani při hledání srážek kup galaxií – jde o to, aby v trojrozměrné mapě vesmíru, byť není úplně přesná, byly kupy galaxií, které na mapě sousedí, v reálu také blízké, přesněji řečeno, aby těch falešných blízkostí bylo statisticky jen zanedbatelně málo. Úplně ideální je nalézt v blízkosti takových kup odpovídající oblast horkého mezigalaktického plynu – vzhledem k relativně velkým vzájemným rychlostem kup galaxií se totiž při jejich srážce mezigalaktický plyn zahřeje až na teploty několika desítek miliónů Kelvinů, a prozradí se tedy intenzivním rentgenovým zářením. Oproti tomu samotné galaxie při srážce projdou v dostatečných vzdálenostech od sebe, pravděpodobnost srážky dvou galaxií je při srážkách kup galaxií zanedbatelná.

Druhý úkol je ukázkou aplikace techniky slabého gravitačního čočkování, která byla vybroušena ještě dříve při pozorováních nesouvisejících s temnou hmotou. Už dříve bylo pozorováno, že velké agregace hmot, jako jsou např. kupy galaxií, deformují obraz pozadí za nimi, podobně, jako např. silná lupa položená na vrstvu rozsypaného obilí. Tento jev vyplývá z obecné teorie relativity, a byl pozorován ještě předtím v případě silného gravitačního čočkování, kdy ty deformace byly tak silné, že dokázaly dokonce z jednoho obrazu galaxie v pozadí udělat obrazů několik, často zkroucených do soustředných oblouků. Slabé gravitační čočkování se od toho silného liší v tom, že nepozorujete jeden objekt v pozadí, jehož obraz je silně deformován, ale mnoho objektů, jejichž obraz je sice slabě deformován, ale souhrnně je tato deformace dobře pozorovatelná podobně jako u té lupy položené na obilí.

Třetí úkol pak souvisí jednak se zmapováním viditelných galaxií v kupách, což je záležitost pozorování ve viditelném spektru pomocí Hubbleova dalekohledu či velkých pozemských dalekohledů, a jednak zmapování horkého mezigalaktického plynu, což je záležitost pozorování v rentgenové oblasti – zde bychom měli zvolat třikrát sláva sondě Chandra, která v tomto směru odvedla olbřímí kus práce.

Nebudu vás dále napínat, výsledky měření kroků b) a c) odpovídají úplně jiným prostorovým distribucím. Jinými slovy, nejsilnější gravitační pole je úplně v jiných oblastech, než tam, kde je podle kroku c nejvíce hmoty viditelné ať už v rentgenovém nebo viditelném spektru. Tak např. na obrázku zde:

https://en.wikipedia.org/wiki/MACS_J0025.4-1222

jsou oblasti s nejsilnějším gravitačním polem vyobrazeny modře, zatímco oblast s největší koncentrací zářící hmoty je vyobrazena červeně. Přitom úhrnná hmotnost viditelných galaxií nalézajících se v modré oblasti je naprosto nedostačující k vysvětlení velikosti pozorovaného gravitačního čočkování.

A v tom je právě skryto to jádro pudla, tj. proč modifikace Newtonovy dynamiky (MOND) ani modifikace obecné teorie relativity nedokáží vysvětlit tato pozorování. Žádná modifikace teorie gravitace totiž nepředpokládá, že by nejsilnější gravitace působená hmotou byla tam, kde se tato hmota prakticky nenachází (navíc by každá takováto hypotetická modifikace gravitace čelila problému, jak vysvětlit existenci menších struktur, jako jsou třeba galaxie).

Velice pěkné články na toto téma napsal Vladimír Wagner, např. zde:

http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/temna/Temna_Abell.htm
http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/temna/Temna_hmota_2014_oprava.htm

Odpovědět


Re: MOND už je dávno z kola ven

Martin Plec,2015-07-15 11:13:45

To Pavel Brož:
Děkuji za obsáhlé vysvětlení. Body a) a c) chápu, ale klíčový bod b) mi jasný není. Jak se pozná, že je obraz deformovaný čočkováním, když nevím, jak má vypadat správně? To jsou obrazy jednotlivých galaxií na pozadí prohnuté (protože kdyby byly jen protažené, tak to nejspíš nepoznám)?
Když se podívám na vámi odkazovaný obrázek https://en.wikipedia.org/wiki/MACS_J0025.4-1222, tak jestli jsou obrazy v jednom modrém poli ohnuté na jednu stranu (okem tedy žádné deformace nevidím), v druhém na druhou, tak uprostřed v červeném poli se to vyruší a ohnutí tam nebude vidět žádné. Jak pak můžu poznat, že uprostřed je gravitační působení menší než na krajích?

A druhá otázka - vychází vůbec takováhle srážka kup jako možná vzhledem k předpokládanému stáří vesmíru? Podle obrázku je průměr klastru aspoň 1.5 Mly. Při vzájemné rychlosti např. 1/1000 rychlosti světla (což mi připadá extrémně rychlé, ale na Wikipedii píší milióny mil za hodinu) by se galaktické kupy k sobě blížily několik miliard let, a před tím by se ještě musely stihnout vůbec vytvořit. Dá se všechno tohle stihnout za 13 mld let?

Odpovědět


Re: Re: MOND už je dávno z kola ven

Martin Plec,2015-07-15 11:16:35

Ve skutrčnosti ne za 13 mld ly, ale už za 7 mld ly. Cluster je vzdálený 6 mdl ly.

Odpovědět


gravitační čočkování a kdy se lupy srazily

Pavel Brož,2015-07-15 22:53:18

Co se týče odvození intenzity toho gravitačního čočkování v okolí té srážky, tak pohledem na tu fotografii byť v sebelepším rozlišení opravdu nic poznat nemůžete, protože na fotografii není přítomna ta nejdůležitější informace, se kterou astrofyzika pracuje – a tou je spektrum každého jednotlivého zdroje v tom pozorovaném poli. Právě pomocí spektra dokážete spolehlivě identifikovat, že např. dvě zdánlivě odlišné galaxie jsou ve skutečnosti pouze zdvojeným obrazem jedné jediné galaxie. Princip je naprosto stejný, jako u daktyloskopie, tak jako dva různí lidé nemohou mít stejné otisky prsty (přesněji řečeno, pravděpodobnost této shody je tak malá, že ji v praxi lze vyloučit), tak stejně tak dvě různé galaxie nemají identické spektrum (i zde samozřejmě platí, že teoreticky mít mohou, ale i zde je pravděpodobnost takové shody prakticky nulová). Spektrum je také klíčová informace pro to, aby se na základě velikosti rudého posunu daly identifikovat galaxie v popředí, potom vlastní galaxie toho pozorovaného klastru, a nakonec galaxie v pozadí , všechny se totiž promítají tak, že pouhým okem nelze rozpoznat která kam patří. Přitom právě tato informace je klíčová, protože nemůžete do gravitačního čočkování započítávat galaxie v klastru a galaxie v popředí, kterých se logicky ta deformace obrazu prakticky netýká, musíte si umět vybrat ty galaxie, jejichž rudý posuv je natolik velký, že u nich můžete bezpečně říct, že jsou to galaxie třeba až dvojnásobně vzdálené než ty z toho klastru.

Pojďme se ale raději podívat na článek publikovaný právě k zde diskutované srážce kup galaxií MACS J0025.4-1222. Připomínám odkaz na wikipedii https://en.wikipedia.org/wiki/MACS_J0025.4-1222, zmíněný článek pak je veřejně dostupný např. zde http://arxiv.org/pdf/0806.2320v2.pdf . Upozorňuji, že součástí článku NEJSOU veškerá naměřená data, což jak určitě víte je naprosto normální, protože by to kolikrát ani nebylo technicky možné (surová data jsou uložena digitálně v různých formátech a zabírají nezřídka gigabyty až terabyty). Místo toho je zažitým zvykem popisovat použité metodiky a postupy, a tak je tomu i ve zmíněném článku.

U této srážky se kombinovala data jak ze slabého, tak ze silného gravitačního čočkování. Pro silné gravitační čočkování byly na základě spektra identifikovány celkem čtyři objekty, jejichž obraz byl silným gravitačním čočkováním znásoben, tyto objekty jsou označeny A, B, C a D, a můžete je vidět na obrázku 3 na stránce 5 toho článku. Na prvním řádku toho obrázku je celkový pohled na celý klastr, na druhém a třetím řádku jsou detaily ve dvou různých barevných filtrech. Objekt C má zdvojený obraz, a nachází se v prvním sloupci druhého a třetího řádku, objekt D má ztrojený obraz (vyobrazen ve druhém sloupci), objekty A a B jsou velmi blízko sebe a mají oba ztrojený obraz (třetí sloupec). Opět připomínám, že pro identifikaci násobných obrazů je důležité jejich spektrum, nikoliv tvarová podobnost viditelná okem – pro obrazy objektů AB jsou tato spektra porovnána na obr. 2 na straně 3.

Důležitá je samozřejmě pro tyto objekty i již zmíněná velikost rudého posuvu (právě na jejím základě byly vybrány jakožto reprezentativní galaxie v pozadí, ovšem mezi všemi dostatečně vzdálenými se musely najít takové, které měly znásobené obrazy, takových zbyly finálně zmíněné čtyři). Rudý posuv je pro jednotlivé násobné obrazy každého z objektů A až D vynesen v tabulce 1 na straně 4.

Zatím jsme se bavili pouze o datech ze silného gravitačního čočkování, těch jak vidno tolik není, máme k dispozici čtyři znásobené objekty. To je na jednu stranu strašně málo, na druhou stranu to ale výrazně pomáhá určit jakýsi základní fit pro data ze slabého gravitačního čočkování, protože známe-li na základě rudého posuvu vzdálenost těch čtyř základních galaxií, a známe-li úhlovou vzdálenost jejich obrazů, tak už to samo nám dává netriviální limit na množství čočkující hmoty v příslušné oblasti se nalézající (jednoduše z toho důvodu, že kdyby tam té hmoty bylo výrazně méně, pak by ty násobné obrazy nemohly být tak daleko od sebe, jak je vidíme).

Zpracování dat ze slabého gravitačního čočkování už je bohužel jen těžká statistika, která byla podrobně rozpracována ve článcích referovaných v paragrafu 4.2 Weak lensing data na stránce 4. Zjednodušeně jde o to, že se celkový získaný obraz adaptuje takovým způsobem, aby statisticky to velké množství galaxií v pozadí co nejlépe odpovídalo jejich původně eliptickému tvaru (tzn. že se identifikují různá dílčí zakřivení, a výsledná deformace vzniklá čočkováním se odhaduje na základě požadavku,. aby po jejím simulovaném odstranění byly obrazy pozaďovým galaxií statisticky eliptické). Přitom se využívá hrubého přiblížení získaného ze silného gravitačního čočkování jakožto jakéhosi „nosného signálu“, který se dále zpřesní optimálním statistickým fitem z toho slabého gravitačního čočkování.

Vlastní rekonstrukce gravitačního potenciálu celého klastru se pak provede standardně jakožto řešení Poissonovy rovnice, která popisuje Newtonovskou gravitaci (připomínám, že gravitační pole na škále kup galaxií lze stále ještě v dostatečné přesnosti považovat za Newtonovské, odchylky plynoucí z obecné teorie relativity se projeví až na škálách nadkup galaxií, a samozřejmě pak u kompaktních objektů s lokálně extrémně silným gravitačním polem, jako jsou neutronové hvězdy a černé díry, a pak samozřejmě u gravitačních vln, které v Newtonovské gravitaci neexistují). Výsledek této rekonstrukce je na obrázku 4 na straně 7.

Od stránky 8 dále by se dalo říci pomalu klesá numerické a statistické zpracování hlavních naměřených dat, a narůstá spíše jejich interpretace a kontemplace do výsledných závěrů, následuje poděkování a seznam zdrojů, toť zhruba vše :-)

Co se týče Vaší druhé otázky, týkající se toho, zda se kupy vůbec stihly srazit, tak stihly. Vzájemná rychlost kup je v článku z měření odhadnuta na 2000 km/s (na straně 3 vlevo dole), z čehož a ze vzdálenosti kup plyne, že ke srážce došlo relativně nedávno, několik málo set miliónů let před okamžikem, který nyní vidíme (tj. celkově před nějakými šesti miliardami plus těch několik set miliónů let.

Odpovědět


Re: gravitační čočkování a kdy se kupy srazily

Pavel Brož,2015-07-15 22:54:01

Odpovědět


Re: gravitační čočkování a kdy se lupy srazily

Martin Plec,2015-07-16 14:59:08

Děkuji za obsáhlého průvodce článkem, bez vás bych byl ztracen. Např. ze začátku klíčové kap. 4.2: "Our weak lensing analysis of the HST/ACS data uses the RRG (Rhodes et al. 2000) galaxy shape measurement method, and the pipeline developed for the HST COSMOS survey (Massey et al. 2007)." mi neříká vůbec nic, jen že měřili deformace tvarů, jak jsem předpokládal, zbytku nerozumím.

Tomu, jak funguje gravitační čočkování a i slabé čočkování popsané ve Wikipedii, jsem rozumněl už před tím, ale zde se pod slabým čočkováním myslí něco jiného. Klíčová je kapitola 4.2. Z těch pár procent textu bez (mně) nesrozumitelných zkratek a (mně) nic neříkajících odkazů jsem pochopil, že srovnávali deformace pozorovaných galaxií na pozadí vůči nějakému průměru z katalogu, argumentaci nejsem schopen sledovat. Už jen z tohoto popisu metody mi však připadá, že vycházeli z předpokladu, že deformace obrazu způsobuje rozprostřené gravitační pole, ne např. méně hmotné mračno kompaktních objektů (kde tedy gravitační působení bude lokalizované). Tento předpoklad nezmínili v kap. 4.4, možná je zřejmý. Za druhé, pozorované pozadí nemusí odpovídat katalogovému průměru. V kapitole 4.4. autoři zmiňují spíš kvantitativní nejistoty než kvalitativní, takže je otázkou, jak moc je jejich výsledek závislý na výchozím očekávání.

Vašim počtům ohledně trvání srážky nerozumím. 2000 km/s je o něco méně než 1/1000 rychlosti světla. Pokud má kupa průměr 1.5 Mly, tak bude trvat 1.5 Gly, než se obě kupy prolnou, ne jen stovky miliónů let. A než se kupy k sobě začaly přibližovat, mohly být od sebe několik Mly.

Nerad bych, aby to vyznělo, že se s vámi chci hádat, jen tomu chci rozumět. Jsem velice rád, že nám laikům svými obsáhlými komentáři pomáháte tyto věci pochopit. Díky.

Odpovědět


Re: Re: gravitační čočkování a kdy se lupy srazily

Pavel Brož,2015-07-16 15:51:35

Takhle, co se týče detailů těch metod použitých při tom slabém gravitačním čočkování, tak mohu Vás ubezpečit, že je také neznám, zkusím se na ně zeptat svého kamaráda, bývalého úspěšného astronoma, třeba bude vědět plus bude mít čas mi to přiblížit. Z informací z článku pouze předpokládám, že aplikovali nějakou statistickou metodu, kterou sami nevymysleli, ale která byla vypilována jinými už léta před nimi. A samozřejmě, jelikož jak už jsem zmínil, my tady nemáme možnost porovnávat jejich surová data, tak nám nezbývá než věřit, že to ti autoři nějak nezašvindlovali - i tady na oslu byly publikovány případy falšování dat, takže něco takového je samozřejmě vždycky v principu možné, na druhou stranu je dobré si přiznat, že takovýchto negativních případů je ve vědě opravdu výrazně méně, než těch příkladných.

Co se týče té rychlosti, tak tam jste se maličko přehlídl, 2000 km/s není méně než tisícina rychlosti světla, je to dvacet třetin = 6,67 tisícin rychlosti světla, proto vzdálenost 1,5 Mly jde touto rychlostí urazit za 225 miliónů let.

Odpovědět


Re: Re: Re: gravitační čočkování a kdy se lupy srazily

Martin Plec,2015-07-16 17:10:03

Že by to záměrně švindlovali, si samozřejmě nemyslím. Ale spousta předpokladů se bere za automatické ne proto, že by byly dokázané, ale prostě proto, že jsou tu už dlouho. Nebo: "použili jsme stejnou metodu jako ti před námi, a když to napadlo i je, tak to asi musí být dobře". K tomu nemusí být člověk hlupák, aby tuhle metodickou chybu udělal.

Rovněž: ve vědě se sází na opakovatelnost experimentů i výpočtů, ale zajímalo by mě, kolik lidí to po nich zkontrolovalo. Na totéž se lze ptát i u jiných náročných datových analýz, např. nad daty z urychlovačů - kolik týmů nezávisle ta data zanalyzovalo a došlo ke stejným závěrům? Zde bych řekl, že se sází na to, že analýzu prováděl velký tým, kde se jeho členové navzájem kontrolovali. To má do nezávislosti ale dost daleko. Dnes podle mě ve vědě vyhrává kvantita nad kvalitou, a to nahrává všemožným pochybovačům.

Co týče rychlosti srážky, máte samozřejmě pravdu, bohužel neumím počítat :-(.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: podvod = temná hmota

Vít Kopecký,2015-07-14 14:14:10

Já si tedy myslím, že se OTR a STR bude používat přesně do okamžiku kdy se objeví důkaz o tom, že je neplatná (což asi nenastane když dává smysluplné výsledky alespoň nějaké) nebo ji nahradí obecnější teorie. Stejně jako se stalo s MOND.
Jinými slovy se jedná o vývoj v poznání a zaplaťpánbůh ( :-) ) stále se postupuje systémem hypotéza - předpoklad - experiment/pozorování - zjištěné výsledky - porovnání s předpokladem - revize / potvrzení hypotézy.
O co tedy jde? I kdyby temná hmota / energie byla prokazatelně iluze nebo jsme byli na CD - co by se stalo? Byli bychom zase o kousek dál v poznání - což se mně jeví jako skvělé!

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: podvod = temná hmota

May Sider,2015-07-15 14:15:01

"There is an error in the equations. We know what it is. We now have the capability to travel to the stars. First, you have to understand that we will not get to the stars using chemical propulsion. Second, we have to devise a new propulsion technology. What we have to do is find out where Einstein went wrong.”

When Rich was asked how propulsion worked, he said, “Let me ask you. How does ESP work?” The questioner responded with, “All points in time and space are connected?” Rich then said, “That’s how it works!”

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: podvod = temná hmota

Anton Matejov,2015-07-14 15:00:05

Matematické dôkazy stoja na správnych predpokladoch. Z nesprávneho, alebo aj neuplného predpokladu môžeme vypočítať hocičo. Napríklad aj predpoklad veľkého tresku ide nečakane rozšíriť, napríklad na linku:http://www.topky.sk/cl/13/1455667/Ohromujuce-odhalenie-vedcov--Kvantovy-experiment-dokazal--ze-vieme-zmenit-minulost-
...Vo svete kvantovej mechaniky beží čas dopredu aj dozadu, kým v klasickom svete iba dopredu. Podľa profesora Murcha je to tak, ako keď doma zabudnete kľúče a neviete si spomenúť, kde. V kvantovom svete by však kľúče mohli byť zabudnuté v každej miestnosti domu súčasne. Minulosť totiž mení budúcnosť a naopak. „Zatiaľ však nie je jasné, prečo v našom reálnom svete, ktorý sa skladá z mnohých častíc, ide čas iba dopredu a entropia sa zvyšuje,“ povedal Murch.

Vedci uskutočnili podobné závery už v decembri 2014, keď vyslovili hypotézu, že počas Veľkého tresku vznikli dva vesmíry súčasne. Ten druhý je niečo ako zrkadlovým svetom prvého, ale v čase sa pohybuje späť. Oba časy sa vlastne pohybujú vpred, len v opačnom smere. Hoci zrkadlový vesmír by mal byť rovnaký ako ten náš, mení sa svojím vlastným spôsobom, ale podlieha rovnakým fyzikálnym zákonom. Informáciu priniesol Daily Mail...

A už by šlo všelijaké nezrovnalosti lepšie vysvetliť, interpretovať, možno len stačí predpoklad veľkého tresku lepšie zadefinovať,alebo rozšíriť.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace