الفلك

هل من المؤكد أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات؟ (وليس مجرد مساحة منحنية)

هل من المؤكد أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات؟ (وليس مجرد مساحة منحنية)

يبدو أن الفكرة الرئيسية حول المادة المظلمة اليوم هي التناظر الفائق. أن هناك مجموعة من الجسيمات الأساسية غير المكتشفة والتي (بطريقة أكثر ملاءمة من الناحية الرياضية) تعكس الجسيمات المعروفة بالفعل.

ولكن هل ثبت أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات على الإطلاق؟ ألا يمكن أن تكون على سبيل المثال خاصية مستمرة للفضاء نفسه في بعض المناطق؟ أن بعض أجزاء الفضاء منحنية دون تأثير أي جسيمات أو موجات. هل أي شيء عدا الجسيمات مستبعد؟


سئل أيضًا على https://physics.stackexchange.com/questions/174080/how-do-we-know-dark-matter-isnt-curved-spacetime

في الأساس لا. أو على الأقل لا يمكنك الحصول على هذه الفكرة و النسبية العامة. تتطلب GR أن يكون لديك شيء ما (كثافة المادة / الطاقة) لتسبب الانحناء. الانحناء بدون سبب ليس جزءًا من النموذج. هذا لا يعني أن ما تقترحه لا يمكن أن يكون صحيحًا ، ولكن سيتعين على المرء بعد ذلك التخلي عن GR ، وهو نموذج ناجح إلى حد معقول (على الرغم من أن البعض قد يجادل بأن مشكلة المادة المظلمة هي واحدة من أكبر إخفاقاتها!).

أعتقد أن الكثير من مساحة المعلمة لديها تم استبعاده بسبب المادة المظلمة. نحن نعلم أنه لا يمكن أن يكون باريونيك من فهمنا لوفرة العناصر البدائية وأيضًا من الطريقة التي يتفاعل بها (أو لا يتفاعل) مع المادة الطبيعية في تشكيل الهياكل الأساسية في كوننا على المقاييس الزمنية الصحيحة. استبعدت مسوحات العدسة الدقيقة التي تم إجراؤها أجسام المادة المظلمة الكبيرة (بحجم كوكبي وما فوق) (والثقوب السوداء والأقزام البنية والأقزام البيضاء الباردة وما إلى ذلك) ، نظرًا لأنه لحساب الكتلة بأكملها ، فإن هذه تنتج الكثير من أحداث العدسة الدقيقة التي ببساطة لا يتم ملاحظتها.

تم إنتاج كتاب تمهيدي ممتاز حول هذه الموضوعات بواسطة Garrett & Duda (2011).


فيما يتعلق بالمادة المظلمة ، هناك مفهومان غير صحيحين. أحدها أن المادة المظلمة عبارة عن مجموعة من الأشياء التي تسافر مع المادة. والآخر هو أن المادة المظلمة لا تتفاعل مع المادة.

المادة المظلمة تملأ الفراغ "الفارغ". المادة المظلمة تزيحها المادة.

تتحرك درب التبانة خلال المادة المظلمة وتزيحها.

هالة درب التبانة هي حالة إزاحة المادة المظلمة.

تُعرف حالة إزاحة المادة المظلمة أيضًا باسم تشوه الزمكان.

هالة درب التبانة هو تشوه الزمكان.

المادة المظلمة هي المظهر المادي للزمكان.

"الأثير ونظرية النسبية لألبرت أينشتاين" http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Extras/Einstein_ether.html

"فكر في الأمواج على سطح الماء. هنا يمكننا وصف شيئين مختلفين تمامًا. إما أن نلاحظ كيف يتغير السطح المتموج الذي يشكل الحد بين الماء والهواء بمرور الوقت ؛ أو بمساعدة عوامات صغيرة ، على سبيل المثال - يمكننا أن نلاحظ كيف يتغير موضع الجسيمات المنفصلة من الماء بمرور الوقت. إذا كان وجود مثل هذه العوامات لتتبع حركة جسيمات السائل أمرًا مستحيلًا أساسيًا في الفيزياء - إذا ، في الواقع لا يوجد شيء آخر يمكن ملاحظته سوى شكل المساحة التي تشغلها المياه لأنها تختلف بمرور الوقت ، فلا ينبغي أن يكون لدينا أساس لافتراض أن الماء يتكون من جزيئات متحركة. ولكن على الرغم من ذلك ، يمكننا وصفه بأنه وسيط ".

إذا لم يكن هناك أي شيء آخر يمكن ملاحظته في الواقع سوى شكل الفضاء الذي تشغله المادة المظلمة لأنها تتغير بمرور الوقت ، فلا ينبغي أن يكون لدينا أساس لافتراض أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات متحركة. لكن على الرغم من ذلك ، يمكننا وصفه بأنه وسيط له كتلة تزيحه جسيمات المادة الموجودة فيه وتتحرك خلاله.


هل المادة المظلمة في الغالب & # 8216 ذرات داكنة & # 8217؟

يعتقد الفيزيائيون حاليًا أن معظم المادة المظلمة في الكون تتكون من جسيمات فردية ، والتحدي هو معرفة نوع هذه الجسيمات. ومع ذلك ، فإن بحثًا جديدًا يقلب هذا الافتراض ويقول إن البيانات الرصدية والتجريبية يمكن تفسيرها بشكل أفضل إذا كانت المادة المظلمة موجودة كجسيمات مركبة & # 8211 ذرات من البروتونات المظلمة والإلكترونات المظلمة التي تعمل بواسطة المادة المظلمة المكافئة للقوة الكهرومغناطيسية.

يُعتقد أن المادة المظلمة تشكل أكثر من 80٪ من المادة في الكون. كما يوحي اسمها ، لا تكشف المادة المظلمة عن نفسها بانبعاث الضوء لأنها لا تتفاعل عبر الكهرومغناطيسية. وبدلاً من ذلك ، يُستدل على وجودها من خلال تأثيرات الجاذبية على المادة العادية.

الفيزيائيون والمرشح المفضل # 8217 للمادة المظلمة هو فئة واسعة مما يسمى بالجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل ، أو WIMPs ، والتي تتفاعل عبر القوة النووية الضعيفة. تتوافق WIMPs مع الكثير من أدلة المراقبة للمادة المظلمة ، ولكن لا يزال هناك شذيان. إحداها هي حقيقة أن نماذج WIMP تتنبأ بأن المادة المظلمة يجب أن تتجمع جاذبيًا على جميع مقاييس الطول ، بدءًا من المجرات وصولاً إلى الهياكل شبه المجرية الأصغر. ومع ذلك ، لم يكن هذا هو ما لوحظ ، ولم يعثر علماء الفلك على هياكل للمادة المظلمة أصغر من حوالي 400 و 160 سنة ضوئية.

ثم هناك & # 8217s DAMA

تتعلق المشكلة الأخرى بنتائج التجارب على الأرض المصممة لاكتشاف جسيمات المادة المظلمة مباشرة من خلال اصطدامها بنوى المادة العادية. أثار أحد هذه التعاونات التجريبية ، DAMA في مختبر Gran Sasso في إيطاليا ، جدلاً من خلال الادعاء بجمع أدلة قوية للغاية على المادة المظلمة داخل كاشفها. لسوء الحظ ، لا يمكن تفسير نتائج DAMA & # 8217 على أنها تصادمات لـ WIMPs دون أن تبدو متناقضة بشدة مع عدد من التجارب الأخرى حول العالم.

الآن ، يقول ديفيد كابلان وزملاؤه في جامعة جونز هوبكنز في الولايات المتحدة أنه يمكن التغلب على هاتين المشكلتين إذا لم تكن المادة المظلمة تتكون من جسيمات أساسية فردية ، ولكنها بدلاً من ذلك تتكون إلى حد كبير من مركب & # 8220 ذرة & # 8221. تتكون هذه الذرات من المادة المظلمة المكافئة للبروتونات والإلكترونات المرتبطة ببعضها البعض بما يعادل القوة الكهرومغناطيسية ، وستكون مصحوبة بجزء معين من الذرات المتأينة & # 8211 بعبارة أخرى ، الإلكترونات الحرة والبروتونات.

يشير الباحثون إلى أن وجود هذه الجسيمات المشحونة كان من شأنه أن يغير تطور المادة المظلمة في الكون المبكر. إذا كانت WIMPs غير مشحونة ، فقد تنفصل عن الإشعاع الطبيعي بعد أقل من 1 & # 160 ثانية بعد الانفجار العظيم ، في حين أن المادة المظلمة الذرية ، بجزءها المتأين ، كانت ستبقى في حالة توازن حراري مع الإشعاع الداكن لمدة 20 و 160 دقيقة تقريبًا. لذلك كان الكون قد تمدد إلى حجم معين قبل أن يحدث التكتل الثقالي ، مما يفرض حجم أصغر بنية للمادة المظلمة نراها اليوم.

تصادمات غير مرنة

لشرح التناقض بين DAMA والتجارب الأخرى ، اعتمد كابلان وزملاؤه على فكرة طرحها نيل وينر وديفيد تاكر سميث في عام 2001. واقترح وينر وتكر سميث أن التصادمات التي اكتشفها داما غير مرنة ، وأن بعض الطاقة الحركية هي ضاع بسبب الاصطدام ، تمتص جسيمات المادة المظلمة الطاقة لتصبح أكثر ضخامة قليلاً وأن هذه الاصطدامات التي تقلل الطاقة من المرجح أن تحدث مع يوديد الصوديوم الثقيل نسبيًا في كاشف DAMA & # 8217 مقارنةً بالسيليكون والجرمانيوم ، على سبيل المثال. الذي يتكون منه كاشف CDMS في الولايات المتحدة. من ناحية أخرى ، تقول مجموعة Kaplan & # 8217s ، إن فقدان الطاقة هذا يمكن تفسيره من خلال ذرات المادة المظلمة الواردة التي تقفز إلى مستوى طاقة عندما تصطدم ، بدلاً من أن تكون ناتجة عن تكوين جسيمات جديدة تم افتراضها خصيصًا لهذا الغرض. عملية.

يعترف الباحثون بوجود & # 8220 توتر & # 8221 في نموذجهم لأن تفسير الهيكل المفقود في الكون يتطلب تأين جزء أكبر من الذرات المظلمة مما يتطلبه عدم تطابق النتائج التجريبية. لكنهم يقولون إن هذا الاختلاف يمكن حله إذا اتخذت المادة المظلمة الذرية والمتأينة أشكالًا مختلفة من الهالات داخل المجرات.

يعترف كريستوفر ويلز ، زميل كابلان & # 8217 ، أن اقتراحهما تخميني ، لكن له فائدة إضافية تتمثل في جعل المادة المظلمة أكثر انسجامًا مع المادة العادية التي نعرفها. في الواقع ، يقولون إن ذرات الهيدروجين الداكنة يمكن أن ترتبط لتكوين جزيئات الهيدروجين وأن تكوين هذه الجزيئات يمكن أن يؤدي بعد ذلك إلى تكوين & # 8220 نجوم داكنة & # 8221 أو أجسام مضغوطة أخرى. وأضافوا أن تفاعل الفوتونات المظلمة مع الفوتونات العادية يمكن أن يؤدي إلى خطوط انبعاث في أطياف أشعة جاما الكونية.

ليست حقا مشاكل؟

لا يعتقد دانيال هوبر ، عالم الفيزياء الفلكية في Fermilab في الولايات المتحدة ، أن المشكلات التي يعالجها نموذج المادة المظلمة الذرية هي في الحقيقة مشاكل على الإطلاق & # 8211 أن مشكلة تكوين البنية يتم حلها بشكل أساسي بينما نتائج DAMA & # 8220 ليست مقنعة جدا & # 8221. & # 8220 ما قيل ، & # 8221 يضيف ، & # 8220 لأولئك العلماء الذين يعتقدون أن هذه هي القضايا التي تحتاج إلى حلول ، يبدو أن فكرة & # 8216 المادة المظلمة الذرية & # 8217 المقدمة هنا لحل المشكلات بسهولة إلى حد ما. & # 8221


المادة المظلمة & # 8211 & # 8220 قد تكون جزيئات من Eon قبل الانفجار الكبير & # 8221

& # 8220 إذا كانت المادة المظلمة بالفعل من بقايا الانفجار العظيم ، ففي كثير من الحالات كان ينبغي على الباحثين أن يروا إشارة مباشرة للمادة المظلمة في تجارب مختلفة في فيزياء الجسيمات بالفعل ، & # 8221 يقول عالم الفيزياء الفلكية تومي تينكانين من جامعة جونز هوبكنز.

"نحن لا نعرف ما هي المادة المظلمة ، ولكن إذا كان لها أي علاقة بأي جسيمات عددية ، فقد تكون أقدم من الانفجار العظيم. مع السيناريو الرياضي المقترح ، لا يتعين علينا افتراض أنواع جديدة من التفاعلات بين المادة المرئية والمظلمة خارج الجاذبية ، والتي نعلم بالفعل أنها موجودة "، يضيف تينكانين.

في حين أن هذا النوع من المادة المظلمة بعيد المنال للغاية بحيث لا يمكن العثور عليه في تجارب الجسيمات ، إلا أنه يمكن أن يكشف عن وجوده في الملاحظات الفلكية. سوف نتعلم المزيد عن أصل المادة المظلمة عندما تم إطلاق القمر الصناعي ESA & # 8217s إقليدس في عام 2022 ، والذي يهدف إلى استكشاف الدهر قبل الانفجار العظيم وكذلك فهم سبب تسارع توسع الكون وما هي طبيعة المصدر المسؤول عن هذا التسارع الذي يشير إليه الفيزيائيون بالطاقة المظلمة.

تخيل الفيزيائيون أنواعًا جديدة من المادة تتراوح من جسيمات بحجم الكوكب إلى حياة المادة المظلمة شديدة التأمل ، بما يتوافق مع قوانين الكون المعروفة ، ولكن حتى الآن لم يتم اكتشاف أي منها أو تأكيد وجودها. أدى اكتشاف مصادم الهادرونات الكبير لبوزون هيغز في عام 2012 إلى اندفاع قصير جدًا من التفاؤل بشأن اكتشاف جسيمات المادة المظلمة قريبًا ، ولكن حتى الآن لم يتم رؤية أي منها ، وتم تحطيم فئات واعدة سابقًا من الجسيمات.

يقول عالم الفلك آفي لوب من CfA الذي لم يكن جزءًا من دراسة Johns Hopkins: "إن طبيعة المادة المظلمة هي واحدة من أكبر الألغاز في العلم ونحن بحاجة إلى استخدام أي بيانات جديدة ذات صلة لمعالجتها".

باستخدام إطار رياضي جديد وبسيط ، تُظهر الدراسة أن المادة المظلمة ربما تكون قد نتجت قبل الانفجار العظيم خلال حقبة تُعرف باسم التضخم الكوني عندما كان الفضاء يتوسع بسرعة كبيرة. يُعتقد أن التوسع السريع يؤدي إلى إنتاج غزير لأنواع معينة من الجسيمات تسمى سكالارس. حتى الآن ، تم اكتشاف جسيم واحد فقط ، وهو بوزون هيغز الشهير.

تقدم الدراسة الجديدة التي أجرتها جامعة جونز هوبكنز ، والتي نُشرت في 7 أغسطس في مجلة Physical Review Letters ، فكرة جديدة عن كيفية نشأة المادة المظلمة وكيفية التعرف عليها من خلال الملاحظات الفلكية.

& # 8220 كشفت الدراسة عن علاقة جديدة بين فيزياء الجسيمات وعلم الفلك. إذا كانت المادة المظلمة تتكون من جسيمات جديدة ولدت قبل الانفجار العظيم ، فإنها تؤثر على طريقة توزيع المجرات في السماء بطريقة فريدة. يمكن استخدام هذا الارتباط للكشف عن هويتهم والتوصل إلى استنتاجات حول الأوقات التي سبقت الانفجار العظيم أيضًا ، & # 8221 يقول Tenkanen ، زميل ما بعد الدكتوراه في الفيزياء وعلم الفلك ومؤلف الدراسة & # 8217s.

على الرغم من عدم معرفة الكثير عن أصولها ، فقد أظهر علماء الفلك أن المادة المظلمة تلعب دورًا مهمًا في تكوين المجرات والعناقيد المجرية. على الرغم من عدم إمكانية ملاحظتها بشكل مباشر ، يعرف العلماء أن المادة المظلمة موجودة من خلال تأثير الجاذبية على كيفية تحرك المادة المرئية وتوزيعها في الفضاء.

لفترة طويلة ، اعتقد الباحثون أن المادة المظلمة يجب أن تكون مادة متبقية من الانفجار العظيم. لطالما سعى الباحثون إلى هذا النوع من المادة المظلمة ، ولكن حتى الآن لم تنجح جميع عمليات البحث التجريبية.

باستخدام إطار رياضي جديد وبسيط ، تُظهر الدراسة أن المادة المظلمة ربما تكون قد نتجت قبل الانفجار العظيم خلال حقبة تُعرف باسم التضخم الكوني عندما كان الفضاء يتوسع بسرعة كبيرة. يُعتقد أن التوسع السريع يؤدي إلى إنتاج غزير لأنواع معينة من الجسيمات تسمى سكالارس. حتى الآن ، تم اكتشاف جسيم واحد فقط ، وهو بوزون هيغز الشهير.

في حين أن فكرة وجود المادة المظلمة قبل الانفجار العظيم ليست جديدة ، إلا أن المنظرين الآخرين لم يتمكنوا من التوصل إلى حسابات تدعم الفكرة. تظهر الدراسة الجديدة أن الباحثين دائمًا ما أغفلوا أبسط سيناريو رياضي ممكن للمادة المظلمة وأصول # 8217 ، كما يقول.

تقترح الدراسة الجديدة أيضًا طريقة لاختبار أصل المادة المظلمة من خلال ملاحظة آثار أوراق المادة المظلمة على توزيع المادة في الكون.


الإجابات والردود

دعنا نصل إلى قلب مشاركاتك ، والذي ينطبق على كيفية وصف الهندسة في علم الكونيات. يمكن اعتبار هندسة الفضاء أولًا على أنها تمثيل رياضي للعلاقات. ما هي العلاقة الرياضية بين "أ" و "ب". هل لهذه العلاقة مدى؟ اتجاه؟ ما مقدار التأثير؟ والشكل التقريبي؟
في علم الكونيات ، هذه العلاقات هي في الأساس العلاقات بين الجاذبية ، والتي تساهم في المادة غير الباريونية (المادة المظلمة) ، المادة الباريونية (المادة الطبيعية) ، الإشعاع. هذه معًا لها كثافة طاقة موجبة تتوافق مع ضغط إيجابي عبر معادلات الحالة.

الآن الثابت الكوني الذي يشار إليه غالبًا بالطاقة المظلمة هو أيضًا كثافة طاقة موجبة ولكن تأثيره هو الضغط السلبي.

لذا فإن التشوهات على مقياس علم الكونيات هي منحنى التوزيع بين الضغط الإيجابي (الجاذبية) والضغط السلبي (الثابت الكوني).
صحيح أن كل حجم من الفضاء مملوء بشكل من أشكال كثافة الطاقة ، حتى لو كان الفراغ. لكن الفضاء هو ببساطة حجم مملوء بطاقة / كتلة الكون. الفضاء في حد ذاته ليس له خصائص أخرى غير الحجم.

إذا فكرت في الأمر ، فإن الدالة الموجية للكهرباء هي أيضًا وصف رياضي لمنطقتها ، ومقدار التأثير واتجاه التأثيرات ، فإن تطبيقات علم الكونيات هي نفسها إلى حد كبير.

وهو بالضبط ما تشير إليه المقالتان الأوليان اللتان ربطتهما ليس هو الحال.

المقال الثاني يقول ، & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون. الفضاء بين المجرات مليء بالمادة المظلمة. & quot

المقالة الثالثة التي أشرت إليها بعد ذلك تمضي في الإشارة إلى & amp ؛ تشويه الوسائط المستمرة & quot.

إذا كانت هناك طريقة أخرى للإشارة إلى تشوه الوسائط المستمرة وهي حالة إزاحة المادة المظلمة التي تملأ الفضاء "الفارغ" ، فإن حالة إزاحة المادة المظلمة هي الضغط الإيجابي (الجاذبية).

لا ، سوء تفسير ما تقوله هذه المقالات. يقولون إننا لا نستطيع رؤية المادة المظلمة ، فهم يقيمون أساسًا في الفراغات بين المادة الباريونية.

إنهم يشيرون ببساطة إلى أن ما يعتقده الناس على أنه مادة هي مادة باريونية (مادة مرئية) ، ومع ذلك فإن المادة المظلمة غير مرئية ، وبالتالي فإن ما يعتقده الناس على أنه مساحة فارغة ليس كذلك. هذا كل ما يصفونه

تحتاج حقًا إلى توخي الحذر من أدب وسائل الإعلام الشعبية التي غالبًا ما تحرف المفاهيم في كتاباتها الوصفية. لقد شرحت بالفعل تشوه الفضاء

المادة المظلمة هي أكبر مساهم في الجاذبية على المقاييس الكونية.

لا ، سوء تفسير ما تقوله هذه المقالات. يقولون إننا لا نستطيع رؤية المادة المظلمة ، فهم يقيمون أساسًا في الفراغات بين المادة الباريونية.

إنهم يشيرون ببساطة إلى أن ما يعتقده الناس على أنه مادة هو مادة باريونية (مادة مرئية) ، لكن المادة المظلمة غير مرئية. هذا كل ما يصفونه

أنت تفتقد تمامًا مغزى المقالات. المقال يقول ، & quot. لا يوجد فضاء فارغ في الكون. & quot

أنت تترجم & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون & quot حيث يوجد فضاء فارغ في الكون.

أنت تفتقد تمامًا المغزى من هذا الموضوع. الهدف من هذا الموضوع هو افتراض أنك قادر على الفهم بشكل صحيح & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون & quot يعني أنه لا يوجد فضاء فارغ في الكون ، فماذا يعني ذلك من حيث تفاعل جسيمات المادة مع المادة المظلمة؟

تشير المقالة الثالثة التي نشرتها إلى تفاعل جسيمات المادة والمادة المظلمة & تشوه الوسائط المستمرة & quot.

السؤال الذي أطرحه هو & تشوه الوسائط المستمرة & quot الدليل المادي للزمكان المنحني؟

هو & تشوه الوسائط المستمرة & quot ما أشرت إليه باسم & quotthe الضغط الإيجابي (الجاذبية) & quot?

محاولة العودة إلى برامجنا المجدولة بانتظام.

بافتراض أنك شخص ما يقرأ هذا الموضوع قادر على الفهم & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون. الفضاء بين المجرات مليء بالمادة المظلمة & quot تعني بالضبط ما تقوله أي مادة مظلمة تملأ ما يمكن اعتباره مساحة "فارغة" حيث المقالة الثالثة التي ربطتها صحيحة والمادة تشوه المادة المظلمة ، هل تشوه المادة المظلمة دليل مادي على الزمكان المنحني؟

في الواقع تقول المقالات الثالثة ، تمت مناقشة النظرية النسبية للأثير عدة مرات ، انظر على سبيل المثال. [8] ، [9]. في هذا البحث ، فرضيتنا مختلفة وتعطي نظرية نسبية لتشوه الوسائط المستمرة (التي من أجلها يتم وصف الهندسة بالمجال المتري).

الآن ، إذا كنت قادرًا على الفهم & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون. الفضاء بين المجرات مليء بالمادة المظلمة & quot تعني بالضبط ما تقوله وتعني أي مادة مظلمة تملأ ما يمكن اعتباره مساحة فارغة ، ثم قد تكون قادرًا على فهم المقال الثالث ليس له علاقة بنظرية الأثير & quot [هم] فرضيتهم مختلفة & quot لأنه يشير إلى تشوه الوسائط المستمرة.

الآن ، بافتراض أنك كنت قادرًا على فهم ما يدور حوله هذا الموضوع ، فإن السؤال إذن هو ، إذا كانت الوسائط هي المادة المظلمة التي تملأ الفضاء "الفارغ" ، فهل تشوه المادة المظلمة دليل مادي على الزمكان المنحني؟

محاولة العودة إلى برامجنا المجدولة بانتظام.

بافتراض أنك شخص ما يقرأ هذا الموضوع قادر على الفهم & quot لا يوجد فضاء فارغ في الكون. الفضاء بين المجرات مليء بالمادة المظلمة & quot تعني بالضبط ما تقوله المادة المظلمة التي تملأ ما يمكن اعتباره مساحة "فارغة" حيث المقالة الثالثة التي ربطتها صحيحة والمادة تشوه المادة المظلمة ، هل تشوه المادة المظلمة دليل مادي على الزمكان المنحني؟

من الواضح أن الأشخاص الذين استجابوا يفهمون بالضبط ما تنازعونه وهم (وأنا) نختلف معه لأنه خطأ.

كما أشار موردريد ، هناك فضاء لا يحتوي على أي مادة مظلمة فيه.

"تكتلات" المادة المظلمة هي حالة إزاحة المادة المظلمة.

إن هالة درب التبانة ليست كتلة من المادة المظلمة تنتقل مع المادة التي تتكون منها مجرة ​​درب التبانة. هالة درب التبانة هي حالة إزاحة المادة المظلمة التي تتحرك خلالها المادة التي تتكون منها مجرة ​​درب التبانة وتزاح عنها.

'الإزاحة بين المادة المظلمة والمادة العادية: دليل من عينة مكونة من 38 مجموعة من المجرات العدسية'
http://arxiv.org/abs/1004.1475

& quot ؛ تدعم بياناتنا بقوة فكرة أن إمكانات الجاذبية في العناقيد ترجع أساسًا إلى سائل غير باريوني ، وأي مجال غريب في نظرية الجاذبية يجب أن يكون مشابهًا جدًا لمجالات CDM. & quot

يرجع سبب الإزاحة إلى تحرك مجموعات المجرات عبر المادة المظلمة. التشبيه هو غواصة تتحرك عبر الماء. أنت تحت الماء. على بعد ميلين منك العديد من الأضواء. تتحرك بينك وبين الأضواء على بعد ميل واحد غواصة. الغواصة تزيح الماء. تؤدي حالة إزاحة الماء إلى إزاحة مركز انعكاس الضوء المنتشر عبر الماء عن مركز الغواصة نفسها. سيظل الإزاحة بين مركز انعكاس الضوء المنتشر عبر الماء الذي نزحته الغواصة ووسط الغواصة نفسها كما هي مع تحرك الغواصة عبر الماء. تقوم الغواصة باستمرار بإزاحة مناطق مختلفة من الماء. تظل حالة المياه المتصلة بالغواصة والمجاورة لها كما هي حيث تتحرك الغواصة عبر الماء على الرغم من أنها ليست نفس المياه التي تزيحها الغواصة باستمرار. هذا ما يحدث عندما تتحرك العناقيد المجرية وتزيح المادة المظلمة.

`` هالة المادة المظلمة لمجرة درب التبانة تبدو غير متوازنة ''
http://arxiv.org/abs/0903.3802

& quot الصورة الناشئة لهالة المادة المظلمة غير المتماثلة مدعومة بهالات Lambda CDM المتكونة في محاكاة الجسم N الكوني. & quot

إن هالة المادة المظلمة في مجرة ​​درب التبانة غير متوازنة بسبب تحرك المادة في مجرة ​​درب التبانة عبر المادة المظلمة وإزاحتها.

ما يشار إليه في المقال الثالث بتشوه الوسائط المستمرة هو حالة إزاحة المادة المظلمة.

إذا كانت المقالات الثلاثة التي ربطتها صحيحة ، فهل حالة إزاحة المادة المظلمة دليل مادي على انحناء الزمكان؟

إذا كانت هالة درب التبانة هي حالة إزاحة المادة المظلمة ، فهل هالة مجرة ​​درب التبانة دليل مادي على انحناء الزمكان؟


توفر النتائج الجديدة حافزًا لتكسير لغز المادة المظلمة

تجمع هذه الصورة لـ Centaurus A ، وهي واحدة من أقرب المجرات النشطة على الأرض ، البيانات من الملاحظات في نطاقات تردد متعددة. الائتمان: ESO / WFI (بصري) ، MPIfR / ESO / APEX / A. وايس وآخرون. (مليمتر) ، NASA / CXC / CfA / R. كرافت وآخرون (الأشعة السينية)

وضع باحثون من روسيا وفنلندا والولايات المتحدة قيدًا على النموذج النظري لجسيمات المادة المظلمة من خلال تحليل البيانات المأخوذة من الملاحظات الفلكية لنوى المجرة النشطة. توفر النتائج الجديدة حافزًا إضافيًا لمجموعات البحث حول العالم التي تحاول حل لغز المادة المظلمة: لا أحد متأكد تمامًا مما تتكون منها. نُشرت الورقة في مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكية.

إن مسألة ماهية الجسيمات التي تشكل المادة المظلمة هي مسألة حاسمة لفيزياء الجسيمات الحديثة. على الرغم من التوقعات باكتشاف جسيمات المادة المظلمة في مصادم الهادرونات الكبير ، فإن هذا لم يحدث. كان لابد من رفض عدد من الفرضيات السائدة آنذاك حول طبيعة المادة المظلمة. تشير الملاحظات المتنوعة إلى وجود المادة المظلمة ، ولكن يبدو أن شيئًا آخر غير الجسيمات في النموذج القياسي يشكلها. لذلك يتعين على الفيزيائيين التفكير في خيارات أخرى أكثر تعقيدًا. النموذج القياسي يحتاج إلى تمديد. من بين المواد المرشحة للإدراج جسيمات افتراضية قد يكون لها كتل تتراوح من 10⁻²⁶ إلى 10⁺¹⁴ أضعاف كتلة الإلكترون. أي أن أثقل جسيم مضارب كتلته أكبر بـ 40 مرة من الأخف.

يتعامل أحد النماذج النظرية مع المادة المظلمة على أنها مكونة من جسيمات خفيفة للغاية. يقدم هذا تفسيرًا للعديد من الملاحظات الفلكية. ومع ذلك ، ستكون هذه الجسيمات خفيفة للغاية بحيث تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة والضوء الآخرين ، مما يجعل دراستها صعبة للغاية. يكاد يكون من المستحيل تحديد جسيم من هذا النوع في المختبر ، لذلك يلجأ الباحثون إلى الملاحظات الفلكية.

"نحن نتحدث عن جسيمات المادة المظلمة التي تكون أخف بمقدار 28 مرة من الإلكترون. هذه الفكرة مهمة للغاية بالنسبة للنموذج الذي قررنا اختباره. تفاعل الجاذبية هو ما ينم عن وجود المادة المظلمة. إذا قمنا بشرح كل كتلة المادة المظلمة المرصودة من حيث الجسيمات الخفيفة جدًا ، فهذا يعني أن هناك عددًا هائلاً منها. ولكن مع وجود جسيمات مثل هذه ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: كيف نحميها من اكتساب كتلة فعالة بسبب التصحيحات الكمومية؟ تظهر الحسابات أن إحدى الإجابات المحتملة هي أن هذه الجسيمات تتفاعل بشكل ضعيف مع الفوتونات - أي مع الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذا يوفر طريقة أسهل بكثير لدراستها: من خلال مراقبة الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفضاء ، قال سيرجي ترويتسكي ، مؤلف مشارك في البحث وكبير الباحثين في معهد الأبحاث النووية التابع لأكاديمية العلوم الروسية.

عندما يكون عدد الجسيمات مرتفعًا جدًا ، بدلاً من الجسيمات الفردية ، يمكنك معاملتها كحقل كثافة معينة يتخلل الكون. يتأرجح هذا الحقل بشكل متسق فوق المجالات التي يبلغ حجمها حوالي 100 فرسخ فلكي ، أو حوالي 325 سنة ضوئية. ما يحدد فترة التذبذب هو كتلة الجسيمات. إذا كان النموذج الذي اعتبره المؤلفون صحيحًا ، فيجب أن تكون هذه الفترة حوالي عام واحد. عندما يمر الإشعاع المستقطب عبر هذا المجال ، يتأرجح مستوى استقطاب الإشعاع مع نفس الفترة. إذا حدثت تغييرات دورية مثل هذه في الواقع ، يمكن أن تكشفها الملاحظات الفلكية. وطول الفترة - سنة أرضية واحدة - مناسب للغاية ، لأن العديد من الأجسام الفلكية يتم ملاحظتها على مدى عدة سنوات ، وهو ما يكفي لظهور التغييرات في الاستقطاب.

قرر مؤلفو الورقة استخدام البيانات من التلسكوبات الراديوية الأرضية ، لأنها تعود إلى نفس الأجسام الفلكية عدة مرات خلال دورة من الملاحظات. يمكن لمثل هذه التلسكوبات أن ترصد نوى مجرة ​​نشطة بعيدة - مناطق بلازما شديدة الحرارة قريبة من مراكز المجرات. تنبعث من هذه المناطق إشعاع شديد الاستقطاب. من خلال مراقبتهم ، يمكن للمرء أن يتتبع التغيير في زاوية الاستقطاب على مدى عدة سنوات.

"في البداية بدا أن إشارات الأجسام الفلكية الفردية كانت تظهر اهتزازات جيبية. لكن المشكلة كانت أن فترة الجيب يجب تحديدها بواسطة كتلة جسيم المادة المظلمة ، مما يعني أنه يجب أن تكون هي نفسها لكل كائن. كان هناك 30 كائنًا في عينتنا. وربما يكون بعضها متأرجحًا بسبب فيزياء داخلية خاصة بهم ، لكن على أي حال ، لم تكن الفترات هي نفسها أبدًا "، يضيف ترويتسكي. وهذا يعني أن تفاعل جسيماتنا فائقة الخفة مع الإشعاع قد يكون مقيدًا. نحن لا نقول إن مثل هذه الجسيمات غير موجودة ، لكننا أثبتنا أنها لا تتفاعل مع الفوتونات ، مما يضع قيدًا على النماذج المتاحة التي تصف تكوين المادة المظلمة ".

"فقط تخيل كم كان هذا مثيرًا! أنت تقضي سنوات في دراسة الكوازارات ، عندما يحضر علماء الفيزياء النظرية يومًا ما ، وتكون نتائج قياسات الاستقطاب عالية الدقة وعالية الدقة الزاويّة مفيدة فجأة لفهم طبيعة المادة المظلمة "، يضيف بحماس يوري كوفاليف ، المؤلف المشارك لكتاب مدير الدراسة والمختبر في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ومعهد ليبيديف الفيزيائي التابع لأكاديمية العلوم الروسية.

في المستقبل ، يخطط الفريق للبحث عن مظاهر مفترضة لجسيمات المادة المظلمة الأثقل التي اقترحتها نماذج نظرية أخرى. سيتطلب ذلك العمل في نطاقات طيفية مختلفة واستخدام تقنيات المراقبة الأخرى. وفقًا لترويتسكي ، فإن القيود المفروضة على النماذج البديلة أكثر صرامة.

"في الوقت الحالي ، ينخرط العالم كله في البحث عن جسيمات المادة المظلمة. هذا هو أحد الألغاز العظيمة لفيزياء الجسيمات. اعتبارًا من اليوم ، لم يتم قبول أي نموذج على أنه مفضل أو أفضل تطورًا أو أكثر منطقية فيما يتعلق بالبيانات التجريبية المتاحة. علينا اختبارهم جميعًا. من المثير للقلق أن المادة المظلمة "مظلمة" بمعنى أنها بالكاد تتفاعل مع أي شيء ، خاصة مع الضوء. على ما يبدو ، في بعض السيناريوهات يمكن أن يكون لها تأثير طفيف على موجات الضوء التي تمر عبرها. لكن السيناريوهات الأخرى لا تتوقع أي تفاعلات على الإطلاق بين عالمنا والمادة المظلمة ، بخلاف تلك التي تتوسطها الجاذبية. هذا من شأنه أن يجعل من الصعب للغاية العثور على جسيماتها ، "يستنتج ترويتسكي.


19 مجرة ​​مفقودة على ما يبدو مادة مظلمة. لا أحد يعرف لماذا.

يبدو أن تسعة عشر مجرة ​​قزمة تم اكتشافها حديثًا تفتقد إلى مادتها المظلمة ، ولا يعرف الفيزيائيون سبب ذلك.

MPC 755

المادة المظلمة هي مادة صلبة فائقة تملأ الفضاء "الفارغ" وتحل محلها المادة العادية.

تندفع المادة المظلمة فائقة الصلابة التي أزاحتها المجرة للخلف ، مما يتسبب في دوران النجوم الموجودة في الأذرع الخارجية للمجرة حول مركز المجرة بالمعدل الذي تدور فيه.

المادة المظلمة المشردة هي زمكان منحني. وبشكل أكثر صحة ، فإن ما يشار إليه هندسيًا باسم الزمكان المنحني موجود فعليًا باعتباره مادة مظلمة مزاحة. الزمكان المنحني هو تمثيل هندسي للجاذبية. المادة المظلمة فائقة الصلابة المُزاحة هي المظهر المادي للجاذبية.

المادة المظلمة فائقة الصلابة التي أزاحتها الكواركات التي تتكون منها الأرض ، تدفع للخلف وتضغط باتجاه الأرض ، هو الجاذبية.

تشرد المادة المظلمة فائقة الصلابة هو الجاذبية.

سبب الفكرة الخاطئة أن المجرات تفتقد المادة المظلمة هو أن المجرات منتشرة لدرجة أنها لا تحل محل المادة المظلمة فائقة الصلابة إلى الخارج وبعيدًا عنها لدرجة أن المادة المظلمة قادرة على الدفع للخلف وتسبب النجوم. بعيدًا عن مركز المجرة للإسراع. المجرات منتشرة للغاية بحيث لا يمكنها أن تحل محل المادة المظلمة فائقة الصلابة لدرجة أنها تجعل الضوء يتقلص أثناء مروره عبر المجرات.

Johnasb

ميرستر

رونسميث

هوارد جيفري بندر

هوارد جيفري بندر

هوارد جيفري بندر

مقال رائع يقترح فكرة جديدة حقًا لتفسير تشكل كل من النجوم الزرقاء الشابة حول M110 والسؤال الأكبر عن أصل كل شيء. لا أتظاهر بفهم كل ما يجب علي فعله ، لكني منزعج قليلاً من التركيز الكبير على مشاركة المادة المظلمة. وجد كايل عمان وزملاؤه ("هل فقدت المادة المظلمة في المجرات القزمة؟" ، https://arxiv.org/pdf/1601.01026.pdf) مجرات قزمة تتشكل على ما يبدو بدون مادة مظلمة. كيف تفسر ذلك؟ أيضًا ، اعتقدت أن نظرية الأوتار تقترح أن كل الجسيمات والإشعاع لها أوتار متذبذبة كأساس لها ، لكن ألا تقترح شيئًا أصغر يولد الجسيمات والطاقة؟ وكما قد تكون قد رأيت ، لدي فكرة جديدة مختلفة تعتمد على أغشية نظرية الأوتار كمراكز للمجرات بدلاً من الثقوب السوداء ، ويوضح توضيحي كيف تتشكل النجوم الزرقاء الشابة بالقرب من تلك المراكز من السلاسل المنبثقة عبر نوع من إشعاع هوكينغ. As you probably know, such young blue stars have been found by HST at the center of Andromeda and (probably) at the center of the Milky Way.

Our ideas may not be that far apart. I'll have to re-read your article at least once to try for a better understanding.


Could Particles be just distortions in Space?

Can anyone tell me if the unification of Matter and Space has been dismissed?

Since I started thinking about this I have seen another amateur Physicist publish a similar idea but despite several web searches I can’t find anyone taking it seriously. I suspect this means it has already been dismissed, but I’d like to know either way.

This is my way of putting it:

Suppose matter (including photons and other zero rest mass “particles”) is just knots or kinks in space. Further suppose that the properties of different particles are simply the result of different shapes, sizes, spins etc of these knots or kinks. The knots/kinks can propagate through space as waves on space itself.

If there are enough knots/kinks close together in space then could the combined pinching effect be responsible for General Relativistic space distortion?

If there are extra dimensions other than the 4 we experience then perhaps the knots/kinks could have an expression in some of the other dimensions as well.

An analogy commonly used for the benefit of lay people like me is “imagine these extra dimensions being flat, like the inside of a straw”.

Well, pushing this analogy a bit, if you imagine two knots/kinks moving on the inside of a bent straw. If one knot/kink is catching up with the other one then as they approach each other the local distortion of the straw would affect the path taken by the 2 knots/kinks more significantly than the over all bending of the straw.

The idea being that the bending of the straw represents gravity, and the local pinching inside the straw some other force (strong nuclear force say).


Dark matter could predate Big Bang, says new study

Dark matter is already one of the oddest and biggest mysteries in the universe. However, a new study out of Johns Hopkins University is putting an even bigger cloud over it. The study outlines a new theory that dark matter may have actually predated the Big Bang and offers methods to identify it with astronomical observations.

Credit: Wikimedia Commons.

“The study revealed a new connection between particle physics and astronomy. If dark matter consists of new particles that were born before the Big Bang, they affect the way galaxies are distributed in the sky in a unique way,” says Tommi Tenkanen, a postdoctoral fellow in Physics and Astronomy at Johns Hopkins and the study’s author. “This connection may be used to reveal their identity and make conclusions about the times before the Big Bang too,”

Previously, dark matter was thought to have arisen from the Big Bang like regular matter and that dark matter must be just leftovers. However, the paper — published in رسائل المراجعة البدنية — says maybe not so much.

While not much is known about dark matter’s origins, astronomers have shown that it plays a crucial role in the formation of galaxies and galaxy clusters. Though not directly observable, scientists know dark matter exists by its gravitation effects on how visible matter behaves and is distributed in space.

The study shows that dark matter — which is believed to make up 80 percent of the matter in the universe — might have been produced prior the Big Bang during a point in time known as the cosmic inflation when space was expanding very rapidly. The rapid expansion is believed to lead to copious production of certain types of particles called scalars. But so far, only one scalar particle has ever been found, the infamous Higgs boson.

While the idea that dark matter existed before the Big Bang is not new, other theorists have not been able to come up with calculations that support the idea.

The new study shows that researchers have always overlooked the simplest possible mathematical scenario for dark matter’s origins. The new report offers up a way to test the origin of dark matter by observing the signatures it leaves on the allocation of matter in the universe.

“While this type of dark matter is too elusive to be found in particle experiments, it can reveal its presence in astronomical observations,” said Tenkanen. “We will soon learn more about the origin of dark matter when the Euclid satellite is launched in 2022. It’s going to be very exciting to see what it will reveal about dark matter and if its findings can be used to peak into the times before the Big Bang.”

Jordan Strickler

A space nerd and self-described grammar freak (all his Twitter posts are complete sentences), he loves learning about the unknown and figures that if he isn’t smart enough to send satellites to space, he can at least write about it. Twitter: @JordanS1981

Follow ZME on social media

© 2007-2019 ZME Science - Not exactly rocket science. All Rights Reserved.

© 2007-2019 ZME Science - Not exactly rocket science. All Rights Reserved.


What We Still Don’t Know About Dark Matter

The overdense regions from the early Universe grow and grow over time, but are limited in their . [+] growth by both the initial small sizes of the overdensities and also by the presence of radiation that's still energetic, which prevents structure from growing any faster. It takes tens-to-hundreds of millions of years to form the first stars clumps of matter exist long before that, however.

When we look out at the Universe, we have two general ways to try and make sense of what’s out there. The first is by looking directly at the light emitted and absorbed by matter in the Universe: through direct astronomical observations. But the second is to use the laws of gravity — and the effect that matter and energy have on the curvature of space — to try and reconstruct how much mass must be present in a particular physical system. One of the biggest puzzles of modern astrophysics is that these two independent methods, which both measure the same Universe, don’t match up.

For some reason, everything that emits or absorbs light, from stars to black holes to planets to gas to dust to plasma and more, only adds up to about 15% of the total amount of matter that gravitation tells us must be there. On large, cosmic scales, the structures that form and bend light have a gravitational effect that’s about six times as large as all the normal matter that’s out there can provide. The rest? We call it “dark matter,” and while the evidence for it is overwhelming, there’s still an awful lot we don’t know about it at all.

According to models and simulations, all galaxies should be embedded in dark matter halos, whose . [+] densities peak at the galactic centers. On long enough timescales, of perhaps a billion years, a single dark matter particle from the outskirts of the halo will complete one orbit. The effects of gas, feedback, star formation, supernovae, and radiation all complicate this environment, making it extremely difficult to extract universal dark matter predictions, but the biggest problem may be that the cuspy centers predicted by simulations are nothing more than numerical artifacts.

NASA, ESA, AND T. BROWN AND J. TUMLINSON (STSCI)

Astrophysically, there’s an enormous suite of indirect evidence that supports the existence of dark matter. On the scales of individual galaxies, the spirals rotate faster towards the outskirts than the detectable matter in their disks would indicate. The smaller-mass galaxies have an even larger than 6-to-1 gravity-to-matter ratio, indicated that the normal matter but not the dark matter is ejected by episodes of star formation. And the gravitational effects on satellite galaxies and neighboring galaxies indicates not only the presence of additional mass, but its distribution in a large-scale halo that goes far beyond the physical extent of stars, gas, and dust.

On even larger cosmic scales, the effect of dark matter unambiguously appears in gravitational lensing: where the total amount of mass bends and distorts background starlight. It appears in galaxy clusters, and is required for galaxies to move around internally at the observed speeds without flying off. It’s required to explain the features we see in the large-scale structure of the Universe, including in the cosmic web. We see its imprint in the cosmic microwave background, and we cannot explain the physics of colliding galaxy clusters without it.

يقول العلماء إنه لا يوجد سوى كوكب آخر في مجرتنا يمكن أن يكون شبيهًا بالأرض

يقول العلماء إن 29 من الحضارات الغريبة الذكية ربما تكون قد رصدتنا بالفعل

Explained: Why This Week’s ‘Strawberry Moon’ Will Be So Low, So Late And So Luminous

These four colliding galaxy clusters are presented with optical data, as well as X-ray data (in . [+] pink) and gravitational lensing data that enables mass reconstruction (in blue). If the normal matter were responsible for the entirety of the mass, the pink and blue regions would line up if dark matter is real, these will separate during collisions.

X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left) X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al. Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right) ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left) X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)

There’s a lot we can learn about dark matter from these indirect measurements alone. We can learn that dark matter behaves as though it has mass, but doesn’t emit or absorb light it can only bend it through its gravitational effects on spacetime. It’s not actually dark it’s rather transparent, as it doesn’t have a color at all. It has no way — to the best of our knowledge — of collapsing to form compact objects, as it doesn’t appear to collide with matter or dissipate energy or lose angular momentum. As a result, it remains in a fluffy, diffuse halo at all scales, extending far beyond the typical locations of normal matter.

The necessity for the existence of a new type of matter is supported by an enormous suite of indirect measurements, which rule out the notion that “unseen” normal matter could be responsible, that any of the known particles of the Standard Model could be responsible, or that our astronomical measurements could be in error. Either something extraordinary is wrong in a very conspiratorial way with our understanding of the Universe, or the dominant form of matter in the Universe has yet to be directly discovered. And oh, are we trying.

A galaxy that was governed by normal matter alone (L) would display much lower rotational speeds in . [+] the outskirts than towards the center, similar to how planets in the Solar System move. However, observations indicate that rotational speeds are largely independent of radius (R) from the galactic center, leading to the inference that a large amount of invisible, or dark, matter must be present. What isn't greatly appreciated is that without dark matter, life as we know it would not exist.

WIKIMEDIA COMMONS USER INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL

Although the first observations suggesting the existence of dark matter were largely ignored — way back in 1933, as the speeds of individual galaxies within a cluster of galaxies were too great to be explained by the observed matter — the evidence in favor of it was substantial and compelling by the 1970s. As a result of these astronomical indicators, a number of theoretical developments ensued, putting forth proposed mechanisms that would create copious amounts of new, exotic particles that behaved as dark matter does, without conflicting with existing particle physics constraints.

A class of candidate particles called WIMPs emerged, which wouldn’t interact through the strong or electromagnetic forces, but could experience either the weak force (although at a weaker level than neutrinos) or a novel interaction that only occurred rarely: “weak” in the colloquial sense. Other candidate particles — sterile neutrinos, ultra-low-mass axions, even ultra-massive particles known as WIMPzillas — also emerged. Yet, despite an enormous suite of experiments that have followed, there are no compelling, sufficiently significant results that can be called a positive detection of any of these candidates.

Hall B of LNGS with XENON installations, with the detector installed inside the large water shield. . [+] If there's any non-zero cross section between dark matter and normal matter, not only will an experiment like this have a chance at detecting dark matter directly, but there's a chance that dark matter will eventually interact with your human body.

Despite the overwhelming evidence that:

  • some new form of matter ought to exist,
  • it must interact gravitationally,
  • it must not interact with light in any (hitherto measurable) way,
  • it must not interact with normal matter in any (thus far detectable) way,
  • and that new matter must have been moving very slow compared to the speed of light even very early on in the aftermath of the Big Bang (to explain the observations in the cosmic microwave background, for example),

the nature of what’s behind “dark matter” is still completely obscure to us.

That is to say, despite all that we’ve learned about what dark matter must do (and not do) in the Universe, and despite the enormous number of puzzles that adding one simple ingredient to the Universe (cold dark matter) solves, there are still an enormous number of properties that dark matter possesses that are unknown. In the absence of definitive knowledge, it’s important to keep our minds open as to what dark matter could possibly be. Here are some of the biggest current mysteries.

Our galaxy is thought to be embedded in an enormous, diffuse dark matter halo, indicating that there . [+] must be dark matter surrounding everything from our solar system to nearby dwarf galaxies. This halo consists of a mix of 'dark baryons,' which represent normal matter at high temperatures, as well as non-baryonic dark matter which comprises the majority (5/6ths) of the total galactic mass.

Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)

We don’t know the mass or number density of dark matter particles in the Universe. Is dark matter light, and are there an extraordinarily large number of dark matter particles? Is dark matter heavy, and are there only a comparatively small number of dark matter particles? All we know, when it comes to dark matter, is the total mass density that’s out there. We have no idea how many particles there are or what their masses are. For all we know, dark matter could even be a fluid, rather than particles like we assume.

We don’t know whether dark matter is all made of the same “stuff,” or whether there are multiple flavors of dark matter out there. Is there only one type of “species” responsible for dark matter? It’s the simplest assumption: that there’s only one new component of matter out there, and that’s what we’re missing. But there could be multiple unknowns out there in the cosmos, and multiple contributions to solving the dark matter puzzle. As it stands today, neutrinos make up a small fraction of dark matter (about 1%), and non-luminous normal matter contributes as well. Perhaps the non-normal dark matter is rich and varied as well.

The colliding galaxy cluster "El Gordo," the largest one known in the observable Universe, showing . [+] the same evidence of dark matter and normal matter as other colliding clusters. There is practically no room for antimatter, severely constraining the possibility of its presence in our Universe, while the gravitational signal is clearly misaligned with the presence of the normal matter, which is heated and emits X-rays. However, dark matter and dark antimatter can both exist, so long as they only annihilate below a certain threshold.

NASA, ESA, J. Jee (Univ. of California, Davis), J. Hughes (Rutgers Univ.), F. Menanteau (Rutgers Univ. & Univ. of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Obs.), R. Mandelbum (Carnegie Mellon Univ.), L. Barrientos (Univ. Catolica de Chile), and K. Ng (Univ. of California, Davis)

We don’t know what type of particle dark matter is, and whether there’s dark antimatter as well. All the particles we know of come in two varieties: fermions (like electrons or neutrinos, which have spins that only come in half-integer values) and bosons (which has spins that come only in integer values). If dark matter is made of bosons, then dark matter is just made of that “stuff” and those particles behave as their own antiparticles. But if it’s made of fermions, then there are antiparticle counterparts to it, and then “dark antimatter” will be a real thing. Both possibilities are still in play.

We don’t know whether dark matter interacts with itself in a non-gravitational way. Our models and simulations of dark matter are based on a simple assumption that’s consistent with all our observations: that dark matter, once it’s created, only interacts gravitationally. But it’s possible that dark matter might not only interact (albeit very weakly) with normal matter, but possibly also with itself. This could be through the weak force, but it could also be through a dark-matter-only interaction that would be evidence for a new force. Some argue that the poor fits the simplest non-interacting cold dark matter models give for actual galactic halos supports this hypothesis.

There are many experiments today that are searching for interactions between dark matter particles . [+] and normal matter particles. However, they're only sensitive to particular energies of the collision and particular cross-sections. If dark matter has interactions below these thresholds, or with itself alone and not with normal matter, these experiments will miss them.

Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube

We don’t know whether there are “dark atoms” or any other complex “dark structures” in the Universe. Imagine that we had no way of interacting with the electromagnetic force at all, and couldn’t observe light or normal matter the way we conventionally do. What would we conclude about normal matter? Would we incorrectly assume it was “all the same stuff,” like we do for dark matter? It’s just as plausible that there are many types of dark matter, with their own rich dark sector: dark forces, dark interactions, and even dark structures. Although we have constraints on what can form, they’re not particularly meaningful they only rule out structures that are collapsed and have shed large amounts of angular momentum and energy. Everything else is still in play.

We don’t know how to detect “dark signals” that can emerge from real astrophysical processes. Imagine that you have a black hole it’s not just normal matter that can fall into it, but dark matter as well. Infalling dark matter will get accelerated to relativistic speeds, will emit gravitational radiation, and could, in principle, affect both normal matter and emit other types of radiation as energy is lost. But without knowing the particle properties of dark matter, we cannot predict what they are. All we can do is look with our current detectors, which don’t yield observable signatures. There are limits, and below those, only a myriad of possibilities.

This artist's impression depicts a rapidly spinning supermassive black hole surrounded by an . [+] accretion disc. This thin disc of rotating material is composed of normal matter, which exhibits copious electromagnetic interactions. In principle, dark matter should fall into black holes as well, and gives off gravitational radiation as well as other possible signals as well. All we have today are constraints.

ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

There are some tantalizing signals that the optimists among us point to as possible hints of dark matter, but they could also arise from more mundane physical phenomena: phenomena that don’t require any novel physics at all. A few months ago, the XENON experiment announced a signal that could be due to a form of light dark matter, one of the most compelling “bumps” in the data ever extracted. But it could also be to a mundane source like contamination with tritium, which would be fascinating, but wouldn’t teach us anything about dark matter.

The Alpha Magnetic Spectrometer experiment aboard the ISS has seen an excess of positrons with a cutoff in its spectrum, which could arise from dark matter, but could also arise from astrophysical sources (like pulsars) within our galaxy.

The DAMA experiment sees an annual modulation in their data which could be attributable to dark matter, but the experiment itself engages in some very suspicious, poorly controlled practices, and has not been sufficiently reproduced.

And there is an excess of gamma-rays from the galactic center, long hoped to be a signal of annihilating dark matter. But a recent study appears to have dashed those hopes, pointing instead to high-energy astrophysical sources. Unfortunately, these “clues” that could point to dark matter could also all point to something other than dark matter just as easily.

This image of the galactic center represents high-energy (gamma-ray) radiation, as imaged by NASA's . [+] Fermi Telescope. A scenario attributing this radiation to the annihilation of weakly interacting massive particles (WIMPs) was once tantalizing, but now appears to be almost entirely ruled out.

Oscar Macias for UCI / NASA's Fermi mission

Without any additional signals beyond what its gravitational properties tell us, it’s easy to take the most conservative route possible and to assume that dark matter is all the same type of particle, interacting through the gravitational force alone. But that’s an enormous presumption on our part: why would the dark matter sector, which we know virtually nothing about, abide by the simplest realistic scenario that we can imagine? All we have are constraints on what it cannot be we know almost nothing about what dark matter truly is.

Is it made of a large number of very low-mass particles, a small number of very high-mass particles, or some combination of multiple species of particles? Is there dark matter and dark antimatter? Does it interact with itself or with normal matter through any force other than gravity? Does it form structures through a dark-matter-only force, or possibly even more than one force? We’ve only been certain of dark matter’s existence for a few decades, and other than its total density and cold nature, we know almost nothing about it.

In the face of a great cosmic unknown such as this, it’s vital to keep an open mind to what remains possible. It’s important to remember that the Universe has surprised us before, and is likely to surprise us again before all is said and done.


Astronomers Identify a Signature of Dark Matter Annihilation

A false-color image of the anomalous gamma-ray emission from the central region of the Milky Way galaxy this emission is suspected of coming from dark matter annihilation. In this image, the emission from conventional sources has been subtracted from the total. The region covers roughly five degrees the brightest emission is colored red and faintest blue.

By studying the spatial distribution of gamma-ray emission in the Milky Way, astronomers believe they have identified a signature of dark matter annihilation.

We live in a dramatic epoch of astrophysics. Breakthrough discoveries like exoplanets, gravity waves from merging black holes, or cosmic acceleration seem to arrive every decade, or even more often. But perhaps no discovery was more unexpected, mysterious, and challenging to our grasp of the “known universe” than the recognition that the vast majority of matter in the universe cannot be directly seen. This matter is dubbed “dark matter,” and its nature is unknown. According to the latest results from the Planck satellite, a mere 4.9% of the universe is made of ordinary matter (that is, matter composed of atoms or their constituents). The rest is dark matter, and it has been firmly detected via its gravitational influence on stars and other normal matter. Dark energy is a separate constituent.

Understanding this ubiquitous yet mysterious substance is a prime goal of modern astrophysics. Some astronomers have speculated that dark matter might have another property besides gravity in common with ordinary matter: It might come in two flavors, matter and anti-matter, that annihilate and emit high energy radiation when coming into contact. The leading class of particles in this category are called weakly interacting massive particles (WIMPS). If dark matter annihilation does occur, the range of options for the theoretical nature of dark matter would be considerably narrowed.

CfA astronomer Doug Finkbeiner and a team of colleagues claim to have identified just such a signature of dark matter annihilation. They studied the spatial distribution of gamma-ray emission in the Milky Way, in particular gamma-ray emission from the Galactic Center region. This region is both relatively nearby and has a high matter density (and nominally a high dark matter density as well). If dark matter annihilation occurred, the location would be expected to be bright in gamma-rays. Indeed, a large gamma-ray signature has been seen from the area that extends over hundreds of light-years (there is also fainter emission extending outward for thousands of light-years). There are other possible explanations, however, most notably that the gamma-rays result from a large population of rapidly spinning pulsars, the nuclear ashes of some supernovae.

The scientists revisited the set of previously published gamma-ray observations, applying careful new data reduction methods in order to constrain more precisely the location of the emission, and they did so for each of the several observed energy regimes of the gamma-ray emission. Pulsars have a distinctive spatial distribution: they are located where stars are found, predominantly in the plane of the galaxy. The team was able to show with high significance that the distribution of gamma-ray emission is in good agreement with the predictions of simple annihilating dark matter models, but less likely to be consistent with a pulsar explanation. Their result, if confirmed, would be an impressive breakthrough in the understanding of the nature of dark matter, the dominant constituent of the cosmos.