Detektering af det umulige – Forskere på jagt efter mørkt stof med hjælp fra 3D‑print

The hunt for one of the universe’s darkest secrets continues as scientists seek out the mysteries of dark matter. Dark matter is responsible for core actions in the solar system such as the formation of galaxies, but is notoriously difficult to detect. A new undersøgelse put forth by researchers from the University of Nottingham’s’ School of Physics and Astronomy demonstrates a method of detecting dark matter using a specially designed vacuum system. Here’s what you need to know.

Hvad er mørkt stof?

Almindeligt stof er det, folk betragter som alt. Alt, der optager plads og har masse, falder ind under denne kategori, fra den største stjerne til det mindste atom. Overraskende nok udgør denne type stof kun en lille del af ligningen. Specifikt udgør det kun omkring 5 % af universets sammensætning.

Forskere har konkluderet, at 30 % af universet består af sort energi, en anden mystisk kraft, som videnskabsfolk har studeret i nogen tid. De resterende 69 % er mørkt stof. Forskere har lavet mange antagelser om denne kraft.

Nogle mener, at mørkt stof er sammensat af primordiale sorte huller, mens andre har konkluderet, at det må være uopdagede subatomare partikler. På trods af deres holdninger er de enige om, at videnskaben endnu ikke har udstyr, der er følsomt nok til at opfange dette energiniveau.

Hvordan blev mørkt stof opdaget?

Astronomer nævnte første gang mørkt stof i 1933. En schweizisk‑amerikansk astronom ved navn Fritz Zwicky blev overrasket over at finde, at galaksen i Coma‑klyngen gik imod de kendte astronomiske antagelser på den tid. Galaksen havde kun 1 % af den masse, der var nødvendig for at holde galakserne sammen.

Kilde – Constellation-guide

Han teoretiserede, at der måtte findes en anden form for stof, som leverede den masse, der holdt galakserne på plads. Dette flygtige stof fungerede som en strukturel støtte og vejledning for dannelsen af nye stjerner, galakser og mere. Bemærkelsesværdigt var han i stand til matematisk at påvise, at massen eksisterede, men det ville tage mange flere år med forskning, før videnskabsfolk kunne nøjagtigt genskabe mørkt stof‑anomalier konsekvent og på en målbar måde.

Detektion af mørkt stof er vanskelig

Detektion af usynligt mørkt stof har vist sig at være en tidskrævende og videnskabeligt udfordrende proces. Kraften er usynlig, og selv med de mest avancerede optiske instrumenter er den næsten umulig at opdage. I stedet er den eneste måde, forskere har kunnet opdage denne kraft på, gennem udsving i de gravitationelle påvirkninger.

Ny undersøgelse forbedrer detektering

Undersøgelsen, “Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments”, forklarer en ny metode til at måle tilstedeværelsen af mørkt stof. Den nye tilgang introducerer et specielt designet 3D‑printet vakuumkammer, som tillader mørkt stof at akkumulere og kollidere, hvilket resulterer i gravitationelle udsving.

Skalarfelter

Forskerne brugte skalarfelter for at sikre, at de fangede mikroskopiske ændringer i det gravitationelle felt. Skalarfelter anvendes almindeligt til at løse og indsamle data fra 3D‑miljøer. Disse testprotokoller tildeler hvert enkelt punkt i rummet et specifikt tal. Skalarfelter giver en præcis og konsistent måde at måle ændringer i felter på tværs af rummet.

Skalarfelter er almindelige i dag. De bruges til at måle temperaturændringer, elektrisk potentiale, stråling, tryk og gravitationelle ændringer. Den dynamiske karakter af denne type dataindsamling gør det muligt for forskere at opnå nyttig indsigt i det overvågede miljø. Disse data kan indsamles på lineær, ikke‑lineær eller skaleret måde.

Test

Undersøgelsen, som tog tre år at gennemføre, fremhæver, hvordan specielle 3D‑printede kamre skaber et fænomen kendt som domænevægge. Domænevægge er energibeholdninger, der opstår, når skalarfeltets faseovergange finder sted. Domænevægge påvirker partikler, når de passerer igennem dem, og ændrer deres bane og flyvevej. Denne afvigelse kan måles for at bestemme eksistensen af mørkt stof.

Forskerne overvågede disse domænevægge og brugte deres data til at skabe det ideelle 3D‑printede vakuumkammer. Enheden indeholdt en specifik form og struktur til at fange mørkt stof‑partikler. Forskerne brugte også specielle materialer, der hjalp med fangstprocessen.

Lavere densitet ved at sænke temperaturen

Teamet tilføjede reaktionsprocessen ved at sænke temperaturen på de lette partikler. Processen blev af forskerne beskrevet som lignende vand, der bliver langsommere og størkner, når temperaturen falder. I denne forskning blev den lavere densitets gas blandet med ultrakolde lithiumatomer.

Som en del af eksperimentet blev disse atomer afkølet til -273 grader. Denne temperatur placerede atomerne tæt på det absolutte nulpunkt, hvilket gjorde dem i stand til at reagere på en stabil måde sammenlignet med normale temperaturer. Denne manøvre simulerede en partikel, der bevæger sig gennem et stof, der blev tættere langs sin vej.

Resultater

Forskerne målte med succes nanohertz gravitationsbølgeudsving, og deres tilstedeværelse indikerede mørkt stof. Disse resultater kan få en gennemgribende effekt på, hvordan videnskabsfolk ser universets udvikling. Nu kan testprocessen bruges til at indsamle yderligere data om disse flygtige partikler, som udgør galaksens byggesten.

Forskerne

Undersøgelsen blev udført på en af Europas førende videnskabelige forskningsakademier, University of Nottingham’s School of Physics and Astronomy. Specifikt ledte professor Clare Burrage forskningsarbejdet, og hun blev assisteret af lektor Lucia Hackermueller.

Fordele som undersøgelsen afslører

Evnen til at opdage mørkt stof ved hjælp af domænevægge via trykte vakuumkamre introducerer en ny verden af muligheder for forskere og dem, der ønsker at opnå en bedre forståelse af denne kraft. Undersøgelsen lægger grundlaget for forskere, der søger at måle og forudsige denne krafts handlinger, med målet at en dag forstå, hvordan den hjælper med dannelsen af galakser og universets udvikling.

Andre mørkt stof‑undersøgelser, der er værd at bemærke

Det videnskabelige samfund fortsætter med at innovere og opfinde nye metoder til at overvåge mørkt stof og energi. Disse metoder spænder over en række videnskaber, herunder måling fra rummet, opbygning af store lys‑partikelsporing enheder for at søge efter gravitationelle effekter, og meget mere. Her er nogle af de mest fordelagtige indsatser indtil videre.

Euclid‑rumteleskop

Euclids rummeteleskop fra Europa blev for nylig opsendt med en Falcon 9‑raket fra Florida i jagten på mørkt stof. Projektet, kaldet “Dark Detective”, blev designet til at arbejde sammen med James Webb‑teleskopet for yderligere at undersøge anomalier. I modsætning til James Webb‑teleskopet, som har en utrolig præcis fokusering, blev det 15 fod høje og 11 fod brede satellitteleskop designet til at indfange enorme panoramabilleder af universet.

Enheden vil kunne indfange de største perspektivbilleder af det 13,8 milliarder år gamle universs historie. Videnskabsfolk kan undersøge disse billeder for at spore lysbevægelse over galaksen. Bemærkelsesværdigt kan de derefter bruge lysforvrængning til at lokalisere gravitationelle anomalier forårsaget af mørkt stof. Dette fænomen er kendt som gravitationslinse og har givet nogle fascinerende resultater.

CERN

Et af de mest fordelagtige og bedst kendte projekter, der bruges til at forsøge at overvåge, måle og skabe mørkt stof, kommer fra forskerne ved CERN. Denne massive forskningsfacilitet blev grundlagt i 1954. Siden da har den spillet en stor rolle i det videnskabelige samfund på tværs af flere sektorer, herunder oprettelse af forskningsprotokoller til at opdage og overvåge højenergi‑protokoller.

Dette Genève‑baserede forskningsfirma har arbejdet med de mest fremragende og innovative projekter på markedet, og dets resultater kan ikke undervurderes. For eksempel lancerede Tim Berners‑Lee berømt World Wide Web i 1989 fra faciliteten, som senere var vært for den første hjemmeside i 1991. I dag fokuserer faciliteten på en række videnskabelige aktiviteter.

CERN er bedst kendt som hjemstedet for Large Hadron Collider (LHC). Denne enhed er verdens største og mest energirige partikelaccelerator. Den kan tage partikler og skyde dem med maksimal hastighed, før de kolliderer for at registrere effekterne. Denne metode bruges nu til at måle gravitationelle effekter forårsaget af mørkt stof, hvilket en dag kan kaste mere lys over dets tilstedeværelse og virkninger.

Neutronstjerne

En anden metode, som forskere har introduceret til at overvåge tilstedeværelsen af mørkt stof, er gennem måling af neutronstjerners energiniveauer. Ved at bruge et specialbygget teleskop kaldet IceCube Neutrino Observatory ved Sydpolen i Antarktis, kan forskere overvåge ophobningen af mørkt stof på disse himmellegemer.

Bemærkelsesværdigt søger videnskabsfolk efter biproduktpartikler, der dannes, når mørkt stof interagerer og destruerer sig selv. Denne hændelse opstår, når der er en ophobning af mørkt stof på en neutronstjerne. Metoden sporer biprodukterne af disse kollisioner og måler deres udsving over tid, hvilket skaber et kort over denne energi, mens den bevæger sig.

Virksomheder, der kunne drage fordel af disse opdagelser

Evnen til at opdage og en dag udnytte mørkt stof har været et langtidsmål for videnskabsfolk og forskere. Disse seneste udviklinger vil gøre det lettere at studere dette flygtige element i dybden og begynde at afdække dets mysterier. For at gennemføre denne opgave vil der være større efterspørgsel efter rumfartøjer og avancerede testfaciliteter. Her er to virksomheder, som er positioneret til at drage fordel af disse udviklinger fremover.

1. SpaceX

Den excentriske milliardær Elon Musk grundlagde SpaceX den 14. marts 2002. Denne i El Segundo, Californien baserede virksomhed blev oprindeligt lanceret under navnet “Space Exploration Technologies (SPCX ) Corporation” (SET), før den blev omdøbt til det mere markedsførbare navn SpaceX. Bemærkelsesværdigt stillede Musk 50 % af sine dengang $180 millioner værd af PayPal (PYPL ) ‑aktier til rådighed for projektet. Disse midler gik til at sikre de forskere, der var nødvendige for at affyre deres første raket.

SpaceX er i dag pioner inden for den kommercielle rumsektor. Virksomheden er fortsat den første privatfinansierede virksomhed, der sendte et fartøj til den internationale rumstation. Den er også den første til at lande en raket på månen, affyre den mest kraftfulde raket og den eneste virksomhed, der med succes har landet en genanvendelig raket.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Prisdiagram

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. er en førende leverandør af materialer til luft‑ og rumfart. Firmaet tilbyder et udvalg af avancerede elektroniske komponenter, instrumenter og kommunikationsprodukter i høj kvalitet. Teledyne Tech gik ind på markedet i 1999 og bestod oprindeligt af et konglomerat af 19 virksomheder. I dag omfatter Teledyne Technologies, Inc. over 100 virksomheder globalt.

Teledyne Technologies Inc. kan forvente betydelige overskud fra en indsats for at placere flere sensorer i rummet. Firmaet er en vigtig leverandør af aluminium i luftfartsstandard og andre systemer, der er afgørende for at gennemføre disse missioner. Der er flere satellitter, der i øjeblikket udnytter virksomhedens produkter.

Teledyne Technologies Inc.-aktien TDY har haft stabile afkast på 6,56 %. Virksomhedens position og den forventede vækst i rumrelaterede aktiviteter gør disse aktiver til et stærkt “Køb”. I de kommende uger vil Teledyne Technologies, Inc. fortsætte med at spille en central rolle i det voksende luftfartsmarked.

Fremtiden for mørkt stof‑undersøgelser

Fremtiden for forskning i mørkt stof ser lys ud. Introduktionen af robotteknologi og AI vil løfte den til nye højder og gøre det muligt for forskere for første gang at begynde at spore og overvåge dette stof konsekvent. Indførelsen af AI‑drevne robotrumforskere vil hjælpe med at bringe mennesker tættere på disse flygtige svar uden at risikere menneskeliv.

Derudover vil der være langt mere fokus på at skabe mørkt stof i laboratorier. LHC vil spille en central rolle i denne proces som den største partikelaccelerator med sensorer, der er følsomme nok til at opfange de mikroskopiske udsving forårsaget af mørkt stof.

Måling af mørkt stof er trin 1

Fremskridtene inden for måling af mørkt stof fortsætter med at hjælpe med at afsløre egenskaberne ved denne endnu ikke forståede kraft. I fremtiden vil forskere forbinde relevante data og udnytte avanceret AI‑dyb læring for at skabe korrelationer, som kan have virket usandsynlige for menneskelige læsere. Alle disse udviklinger og meget mere vil gøre mørkt stof mere gennemsigtigt i fremtiden.

Du kan lære mere om spændende luftfartsprojekter her.