Download to read offline
![By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group,
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
συνήθης ύλη
κουάρκ](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-35-320.jpg)
![By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group,
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
συνήθης ύλη
συστατικά
πρωτονίων και
νετρονίων](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-36-320.jpg)
![By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group,
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
συνήθης ύλη
λεπτόνια](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-37-320.jpg)
![By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group,
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
συνήθης ύλη
ηλεκτρόνιο](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-38-320.jpg)
![By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group,
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
συνήθης ύλη
σωματίδια
ανταλλαγής
δυνάμεων](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-39-320.jpg)
![‘μη βαρυονική’ σκοτεινή ύλη
(συμβατική)
νετρίνο
− έχουν ανιχνευθεί σε πυρηνικές αντιδράσεις
− πολύ μικρή μάζα
− μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο
− ασθενής αλληλεπίδραση με την ύλη
− εκτιμούμε ότι εκατομμύρια νετρίνο
(που εκπέμπονται από τον ήλιο)
διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο
το σώμα μας
χωρίς καμιά αλληλεπίδραση*
By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of
Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC
BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964
* http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/questions/cool_dark_matter_fact.html](https://image.slidesharecdn.com/darkmatterextended-161228170430/85/slide-42-320.jpg)
Σκοτεινή Ύλη
- 1. Ρίχνοντας Φως στη«Σκοτεινή» Πλευρά του Σύμπαντος Σκοτεινή Ύλη Νεφέλη Ζήκου 4ο Γενικό Λύκειο Αλεξανδρούπολης & Σύλλογος Ερασιτεχνικής Αστρονομίας Θράκης 22 Δεκεμβρίου 2016
- 2. Ρίχνοντας Φως στη«Σκοτεινή» Πλευρά του Σύμπαντος Σκοτεινή Ύλη Μελίνα Ζήκου*, Νεφέλη Ζήκου*, Παναγιώτης Κοντοειδής**, Βασιλική Μπάτσαρη*** *4ο Γενικό Λύκειο Αλεξανδρούπολης & Σύλλογος Ερασιτεχνικής Αστρονομίας Θράκης * * 2ο Γενικό Λύκειο Νέας Φιλαδέλφειας * * * Ελληνογαλλική Σχολή Jeanne d’ Αrc Πειραιά Η Φυσική Μαγεύει, ΕΕΦ, Αθήνα 16-18 Δεκεμβρίου 2016 βασισμένη στην παρουσίαση …
- 3. και στο video NefeliZikou, Dark Energy & Dark Matter, submitted to Breakthrough Junior Challenge, September 2016 https://www.youtube.com/watch?v=slEMVP6tvDA
- 4. σμήνος γαλαξιών COMA(Abell ACO 1656) πάνω από 1000 γαλαξίες απόσταση: 321 εκατομμύρια έτη φωτός Πηγή: NASA / JPL-Caltech / L. Jenkins (GSFC) - δημόσια χρήση http://www.spitzer.caltech.edu/images/1803-ssc2007-10a1-Dwarf-Galaxies-in-the-Coma-Clusterω
- 5. 1930 1970 19802000 Vera Rubin περιστροφή γαλαξιακών βραχιόνων υπόθεση σκοτεινής ύλης υπόθεση για το διπλό σκοτεινό καθιερωμένο πρότυπο (σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια) πειράματα για την ανακάλυψη σκοτεινής ύλης σήμερα φωτογραφίες: F. Zwicky: © Swiss Astronomical Society, http://www.sps.ch/en/articles/history-of-physics/fritz-zwicky-an-extraordinary-astrophysicist-6/ J. Oort, By Joop van Bilsen - Nationaal Archief NL Fotocollectie Anefo, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28360562 V. Rubin: Smithsonian National Air& Space Museum, https://airandspace.si.edu/exhibitions/explore-the- universe/online/etu/html/digital_age/dark_universe/rubens_spectrograph.html LHC, © CERN 2016 http://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/image/inline-images/old/lhc_long_1.jpg Jan Oort, Fritz Zwicky περιφορά γαλαξιών σε σμήνη
- 6. σκοτεινή ύλη υποθετικόςτύπος ύλης εκτιμάται ότι αποτελεί πάνω από το ¼ του σύμπαντος είναι η αόρατη ύλη που συγκρατεί τους γαλαξίες, τα σμήνη γαλαξιών και τα άστρα σκοτεινή ενέργεια 70% συνήθης ύλη 5% σκοτεινή ύλη 25% γιατί σκοτεινή; δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως ή άλλης συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, οπότε δεν μπορούμε να την δούμε… πώς, λοιπόν υποθέτουμε ότι υπάρχει;;;
- 7. ας θυμηθούμε τηΦυσική μας … The Hubble Deep Field - North R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA http://museumvictoria.com.au/discoverycentre/infosheets/planets/the-universe/
- 8. 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 = G 𝑀𝑚 𝑅2 M m 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 M : μάζα σώματος B δύναμη βαρύτητας μεταξύ μάζας Μ και m𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 R R : απόσταση μεταξύ σωμάτων A και Β G : η σταθερά της βαρύτητας 6,67 × 10−11 Ν𝑚2 𝑘𝑔−2 m : μάζα σώματος A
- 9.
- 10. M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 όταν τοσώμα μάζας m έχει αρχική ταχύτητα υ, η βαρυτική δύναμη δρα ως κεντρομόλος
- 11. M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 αν ηαρχική ταχύτητα είναι σχετικά μικρή ή η μάζα Μ είναι σχετικά πολύ μεγάλη
- 12. M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 αν ηαρχική ταχύτητα είναι σχετικά μεγάλη ή η μάζα Μ είναι σχετικά πολύ μικρή
- 13. M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 όταν οιμάζες και οι ταχύτητες είναι κατάλληλες, το σώμα m συλλαμβάνεται από τη βαρύτητα του σώματος Μ και εκτελεί κυκλική (ή ελλειπτική) κίνηση γύρω του έτσι κινούνται οι πλανήτες γύρω από το άστρο τους και οι γαλαξίες σε σμήνη R
- 14. M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 τότε 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂= G 𝑀𝑚 𝑅2 𝐹𝜅𝜀𝜈𝜏𝜌𝜊𝜇ό𝜆𝜊𝜍 = 𝑚𝑎 = 𝑚𝜐2 R 𝐹𝜅𝜀𝜈𝜏𝜌𝜊𝜇ό𝜆𝜊𝜍 = 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 ⟹ 𝑚𝜐2 R = G 𝑀𝑚 𝑅2 ⟹ 𝜐2 = 𝐺 𝑀 R R
- 15. 𝜐2 = 𝐺 𝑀 R o FritzZwicky (1933) μελέτησε αστρονομικές παρατηρήσεις στο σμήνος γαλαξιών Coma ή (Abell 1656 στην Κόμη της Βερενίκης) 1η παρατήρηση − μέτρησε την ταχύτητα − υπολόγισε μάζα 2η παρατήρηση − μέτρησε φωτεινότητα − υπoλόγισε μάζα πού είναι η υπόλοιπη μάζα; Μμε βάση ταχύτητα = 400 Μμε βάση φωτεινότητα Μμε βάση ταχύτητα Μμε βάση φωτεινότητα ⇒ Μ = 𝜐2 R 𝐺
- 16. κρυμμένη!!! "In order toreceive an average Doppler effect of 1000 km/s or more, which is what we have observed, the average density in the COMA system would have to be at least 400 times greater than that of visible matter. If this can be shown to be the case, then it would have the surprising result that dark matter is present in the Universe in far greater density than visible matter.“dark matter
- 17. πώς μετράμε τηνταχύτητα αστρικών σωμάτων; με το φαινόμενο της μετατόπισης συχνότητας (ή φαινόμενο Doppler) 1. παρατηρούμε την ένταση του φωτός που έρχεται από αστρικό σώμα − χρησιμοποιούμε φίλτρα στο τηλεσκόπιο ή και διαφορετικά τηλεσκόπια για να ‘δούμε’ το ίδιο αστρικό σώμα σε διαφορετικές συχνότητες − για ορισμένες συχνότητες που απορροφούνται έντονα από την γήινη ατμόσφαιρα (όπως για παράδειγμα οι ακτίνες Χ και γ), χρησιμοποιούμε διαστημικά τηλεσκόπια, όπως το Hubble που περιστρέφεται γύρω από τη Γη
- 18. εικόνες του γαλαξίαNGC 1512 σε διαφορετικές συχνότητες https://www.spacetelescope.org/images/heic0106a/ υπεριώδες υπέρυθρο
- 19. πώς μετράμε τηνταχύτητα αστρικών σωμάτων; με το φαινόμενο της ερυθρής μετατόπισης (ή φαινόμενο Doppler) 1. παρατηρούμε την ένταση του φωτός που έρχεται από αστρικό σώμα 2. μετρούμε την ένταση σε κάθε διαφορετική συχνότητα − το γράφημα έντασης ως προς συχνότητα είναι χαρακτηριστικό του είδους του αστρικού σώματος − για ίδιο είδος αστρικού σώματος, παρατηρούμε μέγιστα ή ελάχιστα έντασης στην ίδια συχνότητα − τα μέγιστα αντιστοιχούν σε έντονη εκπομπή και τα ελάχιστα σε απορρόφηση του φωτός − οι κορυφές έντασης αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα στοιχεία που βρίσκονται στο αστρικό σώμα
- 20. γράφημα (φάσμα) ηλιακούφωτός Πηγή: NASA-STD-3000 115, D180-28806-3 Thompson, J.J. Space Station Advanced EVA Systems Design Requirements Boeing Aerospace Company 1986, https://msis.jsc.nasa.gov/sections/section05.htm ηλιακό φάσμα φωτός όπως παρατηρείται έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα ηλιακό φάσμα φωτός στην επιφάνεια της θάλασσας καμπύλη εκπομπής από θερμό στερεό μήκος κύματος (μm) έντασηφωτός
- 21. ηλιακό φάσμα –λεπτομέρεια μήκος κύματος (μm) έντασηφωτός Πηγή: NASA, EVE May 5, 2010, https://www.nasa.gov/mission_pages/sdo/news/sdo-year2.html
- 22. πώς μετράμε τηνταχύτητα αστρικών σωμάτων; με το φαινόμενο της ερυθρής μετατόπισης (ή φαινόμενο Doppler) 1. παρατηρούμε την ένταση του φωτός που έρχεται από αστρικό σώμα 2. μετρούμε την ένταση σε κάθε διαφορετική συχνότητα 3. συγκρίνουμε το φάσμα από διαφορετικά μακρινά αστρικά σώματα − οι αναμενόμενες κορυφές συχνά είναι μετατοπισμένες προς μεγαλύτερες ή μικρότερες συχνότητες − η μετατόπιση οφείλεται στη σχετική κίνηση του αστρικού σώματος ως προς τη Γη − μετατόπιση προς μεγαλύτερες συχνότητες (μπλε) σημαίνει ότι το σώμα πλησιάζει προς τη Γη − μετατόπιση προς μικρότερες συχνότητες (ερυθρό) σημαίνει ότι το σώμα πλησιάζει προς τη Γη
- 23. Messier 31 –γαλαξίας Ανδρομέδα 2.5 εκατομμύρια έτη φωτός Aldebaran – αστέρας του γαλαξία μας 65 έτη φωτός η Ανδρομέδα δείχνει μεγαλύτερες συχνότητες, δηλαδή μετατόπιση προς το μπλε ένδειξη ότι πλησιάζει το γαλαξία μας και θα συγκρουστεί μαζί του Πηγή: http://www.astrosurf.com/~buil/redshift/demo.htm
- 24. φαινόμενο μετατόπισης συχνότηταςμε την κίνηση ακίνητη πηγή
- 25. κινούμενη πηγή φαινόμενο Doppler: •το μήκος κύματος ελαττώνεται (μπροστά από την πηγή) => πιο κοκκινο φως • αυξάνει κατά την αντίθετη φορά (πίσω από την πηγή) => πιο μπλέ φως διαδικασία μέτρησης ταχύτητας: • με βαση παρατηρησιακά δεδομένα είναι γνωστό το φώς που θα έπρεπε να έχει ένας γαλαξίας • όμως αυτό που τελικά φαίνεται αποκλείνει κατά σταθερό αριθμό από το προβλεπόμενο • αυτό οφείλεται στο φαινόμενο Doppler. Μετρώντας αυτήν την απόκληση μπορεί να βρεθεί η ταχύτητα του γαλαξία ακίνητη πηγή φαινόμενο μετατόπισης συχνότητας με την κίνηση
- 26. γαλαξίας Ανδρομέδα (Messier31) 1 τρισεκατομμύριο αστέρες – 1,5Χ1012 μάζα ήλιου απόσταση: 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός Πηγή: NASA / JPL-Caltech / Μάιος 2012 - δημόσια χρήση https://www.nasa.gov/mission_pages/galex/pia15416.html
- 27. 𝜐2 = 𝐺 𝑀 R M m 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 R M 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 R R1>R m 𝜐1< 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 m υ2> 𝜐 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 𝐹𝛽𝛼𝜌𝜐𝜏𝜄𝜅𝜂 R M2>Μ
- 28. η Vera Rubinκαι ο Kent Ford (1970) κατέγραψαν τις ταχύτητες περιφοράς γύρω από το κέντρο για αστέρες του γαλαξία Ανδρομέδας σε διαφορετικές αποστάσεις από το γαλακτικό κέντρο υπολογισμοί παρατήρηση πού είναι η υπόλοιπη μάζα; απόσταση από το κέντροταχύτηταπεριφοράς η παρατήρηση δείχνει μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι προβλέπει η θεωρία, τόση που δε θα έπρεπε να συγκρατούνται οι αστέρες στο γαλαξία δηλαδή … υπολογισμοί παρατήρηση Πηγή: NASA / Astronomy Picture of the Day, Image Credit & Copyright: Jacob Bers, Adin, CA, USA Ιούλιος 2014 https://apod.nasa.gov/apod/ap140730.html (κάμερα Nicon d5300, τηλεσκόπιο VIXEN Ed80SF, 600 mfl) > Μφωτεινότητα Μπαρατήρηση M R R1>Rm 𝜐1 < 𝜐
- 29. κρυμμένη!!! "If I couldhave my pick, I would like to learn that Newton's laws must be modified in order to correctly describe gravitational interactions at large distances. That's more appealing than a universe filled with a new kind of sub-nuclear particle."new kind of sub-nuclear particle Πηγή: M. Brooks, 13 Things that do not make sense, New Scientist, 16 March 2005 https://www.newscientist.com/article/mg18524911.600-13-things-that-do-not-make-sense/
- 30.
- 31. Εικόνα από τοHubble, ESA/Hubble & NASA, https://apod.nasa.gov/apod/ap111221.html ενδιάμεση μάζα (γαλαξίας LRG 3-757) δακτύλιος του Einstein από μακρινό γαλαξία που βρίσκεται πίσω από τον LRG 3-757
- 32. βαρυτικός φακός . .. μακρινός γαλαξίας . ... . . . . . τηλεσκόπιο στη γη . . . . .. παρατηρήσειςδείχνουν σχετικές αλλοιώσεις στα σχήματα γαλαξιών που δεν εξηγούνται με τη γνωστή μάζα αστρικών σωμάτων όπως την υπολογίζουμε με βάση τη φωτεινότητα
- 33. Εικόνα από τοHubble, ESA/Hubble & NASA, Σμήνος γαλαξιών Abel 2218, A. Fruchter (STScI) et al., WFPC2, HST, NASA http://apod.nasa.gov/apod/ap080210.html
- 34. τι γνωρίζουμε όμωςπραγματικά για την σκοτεινή ύλη;
- 35. By MissMJ -Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 συνήθης ύλη κουάρκ
- 36. By MissMJ -Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 συνήθης ύλη συστατικά πρωτονίων και νετρονίων
- 37. By MissMJ -Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 συνήθης ύλη λεπτόνια
- 38. By MissMJ -Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 συνήθης ύλη ηλεκτρόνιο
- 39. By MissMJ -Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 συνήθης ύλη σωματίδια ανταλλαγής δυνάμεων
- 40. σκοτεινή ύλη συμβατική MACHOs μελανές οπές καφένάνοι νετρίνο νέες, υποθετικές μορφές WIMPs αξιόνια
- 41. MACHOs = βαρυονικήσκοτεινή ύλη Massive Astronomical Compact Halo Objects δηλαδή, Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα της Άλω αποτελούνται από βαρυόνια (= σωματίδια από 3 κουάρκ), π.χ. πρωτόνια και νετρόνια, δηλαδή συνήθη ύλη, που όμως βρίσκονται σε καταστάσεις που δεν εκπέμπουν φως Μελανές Οπές αστέρες μεγάλης μάζας που συμπιέζονται στο τέλος των πυρηνικών συντήξεών τους λόγω μεγάλης βαρύτητας το φως δεν μπορεί να ξεφύγει Καφέ Νάνοι αστέρες πολυ μικρής μάζας που δεν διατήρησαν/ξεκίνησαν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις πρακτικά, δεν εκπέμπουν φως
- 42. ‘μη βαρυονική’ σκοτεινήύλη (συμβατική) νετρίνο − έχουν ανιχνευθεί σε πυρηνικές αντιδράσεις − πολύ μικρή μάζα − μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο − ασθενής αλληλεπίδραση με την ύλη − εκτιμούμε ότι εκατομμύρια νετρίνο (που εκπέμπονται από τον ήλιο) διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο το σώμα μας χωρίς καμιά αλληλεπίδραση* By MissMJ - Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964 * http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/questions/cool_dark_matter_fact.html
- 43. WIMPs = Weakly InteractingMassive Particles Ασθενώς Αλληλεπιδρούντα Βαρέα Σωματίδια υποθετικές μορφές σκοτεινής ύλης (‘μη βαρυονική’) Αξιόνια − υποθετικά σωματίδια, δεν έχουν ανιχνευθεί − πολύ μικρή μάζα & μικρή ταχύτητα − ασθενής αλληλεπίδραση με την ύλη − δικαιολογούν μεγάλο μέρος της ψυχρής σκοτεινής ύλης − υποθετικά σωματίδια, δεν έχουν ανιχνευθεί − μεγάλη μάζα & μικρή ταχύτητα − ασθενής αλληλεπίδραση με την ύλη − μέρος της προτεινόμενης Θεωρίας της Υπερσυμμετρίας
- 44. ADMX Axion Dark MattereXperiment http://depts.washington.edu/admx/index.shtml# • Αναζήτηση Αξιονίων • Πανεπιστήμιο Washington, Seattle, USA Large Hadron Collider (LHC) © Copyright CERN 2016 http://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/image/inli ne-images/old/lhc_long_1.jpg • Πειραματικές εγκαταστάσεις CERN • Αναζήτηση σωματιδίων σκοτεινής ύλης
- 45. LUX Large Underground Xenonexperiment By Gigaparsec - Wikipedia, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34640832 • Πανεπιστήμιο Stanford • Αναζήτηση των WIMPs PAMELA Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics Wikipedia CC Attribution - https://en.wikipedia.org/wiki/File:PAMELAonResurs-DK.jpg • Στον ρωσικό δορυφόρο Resurs-DK1 • Αναζητά αντι-πρωτόνια και ποζιτρόνια (=αντιηλεκτρόνια) που, μεταξύ άλλων, μπορεί να προέρχονται από αλληλεπιδράσεις WIMPs
- 46. CERN: πείραμα ΝΑ64 ΠειραμαΝΑ64 στο Cern © Copyright CERN 2016 (Maximilien Brice) https://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/image/update- for_the_public/2016/11/overview-na64.jpg Πείραμα για ανίχνευση του σκοτεινού φωτονίου: (υποθέτουμε) το μέσο αλληλεπίδρασης σκοτεινής και κανονικής ύλης Βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του Cern στη Γενεύη Τρόπος Ανίχνευσης: Μέτρηση απώλειας ενέργειας – Νόμος διατήρησης της ενέργειας
- 47. δέσμη ηλεκτρονίων αλληλεπίδραση με άτομο παραγόμενο φωτόνιο σκοτεινό φωτόνιο& ενέργειά του ενέργεια φωτονίου αισθητήρας ενέργειας Λειτουργία: − δέσμη ηλεκτρονίων με ενέργεια (100 Gev). − αλληλεπίδραση με πυρήνες ατόμων => παράγονται φωτόνια − τα φωτόνια πιθανά να μετατραπούν σε σκοτεινά φωτόνια ξεφεύγουν από τον αισθητήρα => χάνεται ενέργεια ₋ απώλεια ενέργειας μπορεί να αποδείξει την ύπαρξη σκοτεινού φωτονίου. δεν υπάρχουν σημαντικά αποτελέσματα μέχρι στιγμής
- 48. Cold μικρή ταχύτητα σωματιδίων Uσωματιδίων <Uφωτός Hot μεγάλη ταχύτητα σωματιδίων Uσωματιδίων ≈ Uφωτός Warm ιδιότητες ενδιάμεσες των cold και hot
- 49. Απρίλιος 2015: ενδείξειςπως η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της, μέσω μιας άλλης (άγνωστης) δύναμης πέρα από τη βαρύτητα άρα η σκοτεινή ύλη δεν είναι τελείως σκοτεινή! Φεβρουάριος 2016: επιτυχής παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων με τα βαρυτικά κύματα μπορούμε να παρατηρήσουμε αντικείμενα που δεν εκπέμπουν φως! νέες ανακαλύψεις!!! G. Brabchereau, Gravitational waves, dark matter eyed for Nobel Prize, Phys.org 4 Οκτωβρίου 2016 http://phys.org/news/2016-10- gravitational-dark-eyed-nobel- physics.html#jCp Kip Thorne and Rainer Weiss βαρυτικά κύματα και σκοτεινή ύλη
- 50. και αντιρρήσεις … Ε.Verlinde, University of Amsterdam, arXiv:1611.02269v2, 8 Nov 2016 https://arxiv.org/abs/1611.02269 νέα θεωρία της βαρύτητας;;; που εξηγεί τα φαινόμενα που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη https://upload.wikimedia.org/wikipe dia/commons/f/ff/ErikVerlinde.jpg
- 51. ευχαριστούμε… τους δασκάλους μαςκαι κυρίως στο Θερινό Σχολείο Ένωσης Ελλήνων Φυσικών της Αίγινας, καλοκαίρι 2016, τους γονείς μας για την ηθική και την … οικονομική υποστήριξη, και το Σύλλογο Ερασιτεχνικής Αστρονομίας Θράκης για πολύτιμες συμβουλές και γνώση
- 52. Α. Ντίνος,Κ.Ε. Αλυσσανδράκης, Γαλαξιακή και Εξωγαλαξιακή Αστροφυσική, ΣΕΑΒ, Αθήνα 2015 Π. Χαρίτος, Intelligent Deep Analysis – Εθνικο Καποδιστριακο Πανεπιστημιο Αθηνων, Σεπτέμβριος 2016 G. Bertone, D. Hooper, A history of dark matter, FERMILAB-PUB-16-157-A, 24 May 2016 P. Fischer, Dark Matter, Unit 10, Physics of the 21st Century, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Annenberg Foundation, 2010 The mystery of dark matter, Interaction.org, 2016 http://www.interactions.org/cms/?pid=1034004 J. Ashfaque From MACHOs to WIMPs: meet the top five candidates for ‘dark matter’ The Conversation, December 2015 http://theconversation.com/from-machos-to-wimps-meet-the-top-five-candidates-for-dark-matter- 51516 N. Straumann, Fritz Zwicky: An extraordinary Astrophysisist, Swiss Physical Society, http://www.sps.ch/en/articles/history-of-physics/fritz-zwicky-an-extraordinary-astrophysicist-6/ M. Gnida, Dark matter evades most sensitive detector, Symmetry Magazine, A joint Fermilab/SLAC publication, July 2015 http://www.symmetrymagazine.org/article/dark-matter-evades-most-sensitive- detector G. Brabchereau, Gravitational waves, dark matter eyed for Nobel Prize, Phys.org 4 Οκτωβρίου 2016 http://phys.org/news/2016-10-gravitational-dark-eyed-nobel-physics.html#jCp R. Skibba Physicists Look Beyond WIMPs For Dark Matter, Inside Science, April 2016 (https://www.insidescience.org/news/physicists-look-beyond-wimps-dark-matter) Πηγές
- 53. Breakthrough Junior Challenge2016 https://www.youtube.com/watch?v=slEMVP6tvDA
- 54. Η Νεφέλη Ζήκουείναι αριστούχος μαθήτρια της Α’ Λυκείου (4ο ΓΕΛ Αλεξανδρούπολης) και μέλος του Συλλόγου Ερασιτεχνικής Αστρονομίας Θράκης από το 2015. Έχει συμμετάσχει σε τρία Θερινά Σχολεία της Ελληνικής Μαθηματικής Εταιρείας (2014-2016), ένα Θερινό Σχολείο της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών (2016) και στο Θερινό Σχολείο για Χαρισματικά Παιδιά των Johns Hopkins & Κολλέγιο Ανατόλια (Κρυπτολογία 2016). Έχει διακριθεί επανειλημμένα σε Πανελλήνιους Μαθητικούς Διαγωνισμούς Μαθηματικών και Φυσικής (Θαλής, Αριστοτέλης). Είναι κάτοχος του πτυχίου Αγγλικής Γλώσσας Proficiency of Cambridge. Email: nefeliz@live.com Slideshare: http://www.slideshare.net/NefeliZikou
- 55. Η παρουσίαση προστατεύεταιαπό την άδεια χρήσης Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License Για αναφορά στην παρουσίαση: Νεφέλη Ζήκου, Ρίχνοντας φως στη ‘Σκοτεινή’ Πλευρά του Σύμπαντος: Σκοτεινή Ύλη, Παρουσίαση στα πλαίσια του μαθήματος Φυσικής Α΄Λυκείου, 4ο Γενικό Λύκειο Αλεξανδρούπολης, 22 Δεκεμβρίου 2016
Editor's Notes
- #2 Ευχαριστούμε! Καλημέρα σε όλες και όλους. Είμαστε η Μελίνα Ζήκου και η Νεφέλη Ζήκου από το 2ο ΓΕΛ Αλεξανδρούπολης, ο Παναγιώτης Κοντοειδής από το 2ο ΓΕΛ Νέας Φιλαδέλφειας και η Βασιλική Μπάτσαρη από την Ελληνογαλλική Σχολή Jeanne d’ Αrc Πειραιά. και στα επόμενα λίγα λεπτά θα προσπαθήσουμε να ρίξουμε φως σε μια…. σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος, τη σκοτεινή ύλη
- #3 Ευχαριστούμε! Καλημέρα σε όλες και όλους. Είμαστε η Μελίνα Ζήκου και η Νεφέλη Ζήκου από το 2ο ΓΕΛ Αλεξανδρούπολης, ο Παναγιώτης Κοντοειδής από το 2ο ΓΕΛ Νέας Φιλαδέλφειας και η Βασιλική Μπάτσαρη από την Ελληνογαλλική Σχολή Jeanne d’ Αrc Πειραιά. και στα επόμενα λίγα λεπτά θα προσπαθήσουμε να ρίξουμε φως σε μια…. σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος, τη σκοτεινή ύλη
- #5 Αν κοιτάξουμε προς το βόρειο πόλο, θα δούμε την Κόμη της Βερενίκης: ένα σμήνος από γαλαξίες, 321 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Μελετώντας αυτό το σμήνος, ο Fritz Zwicky το 1933, η φωτεινή μάζα είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα που χρειάζεται για να δικαιολογηθεί η κίνηση των γαλαξιών μέσα στο σμήνος και οδηγήθηκε στην υπόθεση ύπαρξης της σκοτεινής ύλης.
- #6 Σύντομα άρχισαν να καταγράφονται κι άλλες ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα, η περιφορά των αστέρων μέσα σε γαλαξίες, που μελετήθηκε αρχικά από τη Vera Rubin. Μετά από μερικές δεκαετίες έντονων επιστημονικών αναζητήσεων και συζητήσεων, γύρω στην αρχή του 21ου αιώνα διατυπώθηκε πια η επιστημονική υπόθεση για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Σήμερα μάλιστα έχουν ξεκινήσει μια σειρά από πειράματα για την ανακάλυψη των σωματιδίων που απαρτίζουν την σκοτεινή ύλη. (Σε αυτήν την παρουσίαση θα χρησιμοποιήσουμ απλές έννοιες της φυσικής του λυκείου για να εξηγήσουμε τα αστρονομικά φαινόμενα που οδήγησαν στην υπόθεση της σκοτεινής ύλης.)
- #7 Σήμερα υποθέτουμε ότι η σκοτεινή ύλη καταλαμβάνει μεγάλο ποσοστό του σύμπαντος. Από τις παρατηρήσεις μας ξέρουμε ότι δεν αλληλεπιδρά με το φως, αλλά είναι η μια αόρατη, εξωτική μορφή ύλης που συγκρατεί με τη δύναμη βαρύτητας όλα τα ουράνια σώματα στους σχηματισμούς που βλέπουμε. …..
- #8 Ας εξετάσουμε κι εμείς τις αστρονομικές παρατηρήσεις, χρησιμοποιώντας τη φυσική μας
- #9 Ξέρουμε όλοι, ότι ανάμεσα σε δύο σώματα αναπτύσσεται βαρυτική δύναμη που είναι ανάλογη με το γινόμενο των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης. Όσο μεγαλώνει η μάζα, μεγαλώνει και η βαρυτική δύναμη. Όσο μεγαλώνει η απόσταση, μικραίνει γρήγορα η βαρυτική δύναμη.
- #10 Ας δούμε λοιπόν τι θα γίνει αν φέρουμε αρκετά κοντά τα δύο σώματα ώστε ασκηθεί βαρυτική δύναμη. Αν κρατήσουμε σταθερό το ένα σώμα, τότε το άλλο θα αναγκαστεί να κινηθεί εξαιτίας της δύναμης, και τα σώματα τελικά θα συγκρουστουν.
- #11 Αν όμως το ελεύθερο σώμα έχει κάποια αρχική ταχύτητα υ (ας πούμε κάθετη στη μεταξύ τους απόσταση), η βαρυτική δύναμη δρα ως κεντρομόλος και το σώμα κινείται κυκλικά.
- #12 Αν η αρχική ταχύτητα είναι σχετικά μικρή ή η κεντρική μάζα είναι σχετικά μεγάλη, τότε το σώμα θα αλλάξει σημαντικά την αρχική πορεία και θα κινηθεί κυκλικά ώσπου να συγκρουστεί με την κεντρική μάζα.
- #13 Αντίθετα, αν η αρχική ταχύτητα είναι σχετικά μεγάλη ή η κεντρική μάζα σχετικά μικρή , τότε το σώμα θα αλλάξει ελάχιστα την αρχική πορεία.
- #14 Όταν όμως οι μάζες και οι ταχύτητες είναι κατάλληλες, το ελεύθερο σώμα συλλαμβάνεται από τη βαρύτητα του κεντρικού σώματος και εκτελεί μια κυκλική (στην πραγματικότητα ελλειπτική) κίνηση γύρω του. Έτσι κινούνται οι πλανήτες γύρω από τον ήλιο και οι γαλαξίες ο ένας γύρω από τον άλλο, σχηματίζοντας σμήνη,
- #15 Σε αυτήν, λοιπόν, την περίπτωση, η βαρυτική δύναμη και η κεντρομόλος είναι ίσες. Απλοποιώντας τις εξισώσεις καταλήγουμε σε αυτόν τον τύπο, που δίνει τη σχέση της γραμμικής ταχύτητας με την κεντρική μάζα και την ακτίνα της τροχιάς.
- #16 Ας γυρίσουμε τώρα στο σμήνος γαλαξιών που μελέτησε ο Ζwicky. Οι επιμέρους γαλαξίες έλκονται μεταξύ τους και κινούνται με την κυκλική κίνηση που είδαμε (στην πραγματικότητα, η κίνησή τους είναι πιο πολύπλοκη, αλλά αρκεί να σκεφτούμε την απλή περίπτωση της κυκλικής κίνησης). Αν μετρήσουμε την γραμμική ταχύτητα των γαλαξιών στην κίνησή τους, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μάζα του σμήνους (με βάση την ταχύτητα). Όμως αν υπολογίσουμε τη μάζα με βάση τη φωτεινότητα των γαλαξιών, βρίσκουμε μια πολύ μικρότερη τιμή, 400 φορές περίπου μικρότερη!!! ΠΟΥ ΕΝΑΙ Η ΥΠΟΛΟΙΠΗ ΜΑΖΑ?
- #17 ??
- #24 The black spectral profile is for M31, the red spectral profile is for Aldebaran
- #27 Παρόμοια συμπεράσματα μπορούμε να εξάγουμε και αν μελετήσουμε την περιφορά των αστέρων μέσα στους γαλαξίες. Αυτός για παράδειγμα είναι ο γαλαξίας της Ανδρομέδας, που είναι σχετικά κοντά μας (μόνο 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός) και σχετικά μεγάλος ώστε να μπορούμε να τον παρατηρήσουμε ακόμα και με απλό τηλεσκόπιο. Ας γυρίσουμε όμως για λίγο στη φυσική μας
- #28 Ας θεωρήσουμε ότι το πράσινο αντιστοιχεί στη μάζα του γαλαξία, και το κόκκινο σώμα είναι ένας αστέρας που περιφέρεται γύρω από το κέντρο του γαλαξία. Στην πραγματικότητα η μάζα του γαλαξία βρίσκεται κατανεμημένη σε όλο τον χώρο, αλλά αρκεί να εξετάσουμε αυτή την απλουστευμένη περίπτωση όπου θεωρούμε όλη τη μάζα συγκεντρωμένη σε ένα κέντρο. Για να συγκρατηθεί ο αστέρας στον γαλαξία, πρέπει να ισχύει όπως είδαμε αυτή η απλή σχέση ανάμεσα στην ταχύτητα, την ακτίνα τροχιάς. Από τη σχέση αυτή, προκύπτει ότι όταν ο αστέρας κινείται σε τροχιά μεγαλύτερης ακτίνας, είναι προφανές ότι η ταχύτητά του θα είναι μικρότερη. Επίσης, αν η μάζα του γαλαξία είναι μεγαλύτερη, η γραμμική ταχύτητα του αστέρα θα είναι μεγαλύτερη.
- #29 Το 1970, η Vera Rubin και ο συνεργάτης της μέτρησαν τη γραμμική ταχύτητα πολλών αστέρων στο γαλαξία της Ανδρομέδας, σε διαφορετικές αποστάσεις από το κέντρο. Με βάση τη θεωρία, η ταχύτητα ως συνάρτηση της απόστασης φαίνεται στην κίτρινη καμπύλη. Η παρατήρηση όμως, που φαίνεται στην κόκκινη καμπύλη, δίνει σημαντικά μεγαλύτερες τιμές ταχύτητας, που σημαίνει ότι η μάζα του γαλαξία πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίζουμε με βάση τη φωτεινότητα.
- #31 To φως στο κενό διαδίδεται ευθύγραμμα. Όπως όμως εξήγησε η θεωρία της σχετικότητας του Einstein, μια μεγάλη συγκέντρωση μάζας αναγκάζει το φως να αλλάζει την πορεία. Όπως αυτό το σμήνος γαλαξιών που κρύβει ένα μακρινό γαλαξία. Η μεγάλη μάζα όμως αλλάζει την πορεία του φωτός που έτσι κατωρθώνει και φτάνει στο τηλεσκόπιο. Η εικόνα που παίρνουμε είναι ένας δακτύλιος που αντιστοιχεί στο μακρινό γαλαξία και εμφανίζετα γύρω από την εικόνα της κοντινής μάζας. Μελετώντας αυτούς τους δακτυλίους, μπορούμε να εκτιμήσουμε την ενδιάμεση μάζα – και πάλι τη βρίσκουμε μεγαλύτερη από αυτή που θα περιμέναμε.
- #32 Μια άλλη μορφή ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης είναι ο βαρυτικός φακός
- #33 Όπως εξήγησε με ο Enstein με τη θεωρία σχετικότητας, μια μεγάλη συγκέντρωση μάζας αναγκάζει το φως να αλλάζει την πορεία. Όσο πιο κοντά στη μάζα είναι η αρχική πορεία του φωτός, τόσο πιο πολύ εκτρέπεται Όσο πιο μεγάλη είναι η μάζα, και πάλι τόσο πιο πολύ εκτρέπεται το φως.
- #34 Explanation: Gravity can bend light, allowing huge clusters of galaxies to act as telescopes. Almost all of the bright objects in this Hubble Space Telescope image are galaxies in the cluster known as Abell 2218. The cluster is so massive and so compact that its gravity bends and focuses the light from galaxies that lie behind it. As a result, multiple images of these background galaxies are distorted into long faint arcs -- a simple lensing effect analogous to viewing distant street lamps through a glass of wine. The cluster of galaxies Abell 2218 is itself about three billion light-years away in the northern constellation of the Dragon (Draco). The power of this massive cluster telescope has allowed astronomers to detect a galaxy at redshift 5.58, the most distant galaxy yet measured. This young, still-maturing galaxy is faintly visible to the lower right of the cluster core.
- #35 Τι γνωρίζουμε όμως πραγματικά για την σκοτεινή ύλη;
- #41 (Αναφορα) διαφορετικός διαχωρισμός από πριν Αρχικά μπορούμε να διακρίνουμε τα συστατικά της σε δύο βασικές κατηγορίες: 1. Αυτά που έχουν ανιχνευθεί, δηλαδή το συμβατικό κομμάτι της σκοτεινής ύλης και 2. αυτά που δεν έχουν ανιχνευθεί, δηλαδή νέες υποθετικές μορφές της
- #42 Από την συμβατική σκοτεινή ύλη τα MACHOs ή Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα της Άλω είναι αυτά που αποτελούν το βαρυονικό κομμάτι της, δηλαδή είναι φτιαγμένα από πρωτόνια και νετρόνια όπως η κανονική ύλη και απλά δεν εκπέμπουν φως. Τέτοια σώματα μπορούν να είναι οι Μελανές Οπές γνωστές ως μαύρες τρύπες που όχι μόνο δεν εκπέμπουν φως επειδή βρίσκονται στο τέλος των πυρηνικών συντήξεών τους αλλά δεν επιτρέπουν και στο φως να ξεφυγεί λόγω της ισχυρής βαρυτικής έλξης που δημιουργεί η μεγάλη μάζα τους Από την άλλη οι Καφέ Νάνοι είναι και αυτοί σώματα που πρακτικά δεν εκπέμπουν φως γιατί δεν κατάφεραν να διατηρήσουν ή ακόμα και να ξεκινήσουν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις
- #43 Στη συνέχεια, υπάρχουν τα νετρίνο, που αποτελούν θεωριτικά τη μη βαρυονική σκοτεινή ύλη παρόλο που έχουν ανιχνευθεί. Έχουν πολύ μικρή μάζα, μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και για αυτό αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Το πλήθος τους είναι εξαιρετικά μεγάλο και βρίσκονται παντού γύρω μας.
- #44 Τα υπόλοιπα υποψήφια σωματίδια για τη μη βαρυονική σκοτεινή ύλη είναι τα WIMPs ή Ασθενώς Αλληλεπιδρούντα Βαρέα Σωματίδια και τα αξιόνια. Τα WIMPs όπως και τα αξιόνια δεν έχουν ανιχνευθεί άρα είναι υποθετικές μορφές ύλης. Επίσης τα WIMPs έχουν μεγάλη μάζα και συνεπώς μικρή ταχύτητα και ούτε αυτά αλληλεπιδρούν με την ύλη κατά μεγάλο βαθμό. Ανοίκουν στην θεωρία της υπερσυμμετρίας που πρεοτείνει την επέκταση του καθιερωμένου μοντέλου σωματιδίων. Τα αξιόνια από την άλλη, έχουν αντίθετα μικρή μάζα αλλά και αυτά μικρή ταχύτητα και έτσι δικαιολογούν ένα μεγάλο μέρος της ψυχρής σκοτεινής ύλης
- #47 Το πείραμα NA64 έχει ως στόχο την ανίχνευση του σκοτεινού φωτονίου: το θεωριτικό μέσο αλληλεπίσδρασης σκοτεινής και κανονικής ύλης Βρίσκεται στη Γενεύη στις εκγαταστάσεις του πειράματος CERN και για να καταφέρει να ανιχνέυσει το σκοτεινό φωτόνιο χρησιμοποιεί έναν βασικό νόμο της φυσικής: το Νομο διατηρησης της ενεργιας
- #48 Λειτουργεί ως εξής: Αρχικά μια δεσμη ηλεκτρονίων με απολυτα γνωστη ενέργεια κατευθύνεται προς εναν αισθητήρα. Στην πορεια της δέσμης προς τον αισθητήρα, αυτή συγκρούεται και αλληλεπιδρά με πηρυνες διάφορων ατομων και συνεπώς θα παραχθουν φωτόνια. Υπαρχει πιθανοτητα αυτα τα φωτονια να μετατραπουν σε σκοτεινα φωτόνια που ξεφευγουν απο τον αισθητήρα αλλα ετσι χανεται και ένα αρκετά μεγάλο κομμάτι ενέργειας μαζί τους. Αυτη η απωλεια ενεργειας ανιχνεύεται απο τον αισθητήρα και μπορει να αποδειξει την υπαρξη του σκοτεινού φωτονίου. Το πείραμα αυτό δεν έχει μεχρι στιγμής σημαντικά αποτελεσματα.
- #49 Χωρίζεται σε τρεις θεωρητικές κατηγορίες ανάλογα με τις ιδιότητες των σωματιδίων που πιθανόν τις αποτελούν: την cold, την warm και την hot.