Å oppdage det uoppdagelige – Forskere på jakt etter mørk materie med hjelp av 3D‑printing

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 studie 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.

Hva er mørk materie?

Vanlig materie er det folk betrakter som alt. Alt som opptar plass og har masse faller inn under denne kategorien, fra den største stjernen til det minste atomet. Overraskende nok er denne typen materie kun en liten del av ligningen. Spesielt utgjør den bare omtrent 5 % av universets sammensetning.

Forskere har konkludert med at 30 % av universet består av mørk energi, en annen mystisk kraft som forskere har studert en stund. De resterende 69 % er mørk materie. Forskere har gjort mange antakelser om denne kraften.

Noen mener at mørk materie er sammensatt av primordiale sorte hull, mens andre har konkludert med at det må være uoppdagede subatomære partikler. Til tross for deres standpunkter er alle enige om at vitenskapen ennå ikke har følsomt nok utstyr til å fange dette energinivået.

Hvordan ble mørk materie oppdaget?

Astronomer nevnte først mørk materie i 1933. En sveitsisk-amerikansk astronom ved navn Fritz Zwicky ble overrasket over å finne at galaksen i Coma-klyngen brøt med de kjente astronomiske oppfatningene på den tiden. Galaksen hadde kun 1 % av massen som trengtes for å holde galaksene sammen.

Kilde – Constellation-guide

Han teoretiserte at det måtte finnes en annen form for materie som ga massen som holdt galaksene på plass. Dette unnvikende stoffet fungerte som en strukturell støtte og veikart for dannelsen av nye stjerner, galakser og mer. Merkbart kunne han matematisk påvise at massen eksisterte, men det ville ta mange flere år med forskning før forskere kunne nøyaktig gjenskape mørk materie‑anomali på en konsistent og målbar måte.

Det er vanskelig å oppdage mørk materie

Å oppdage usynlig mørk materie har vist seg å være en tidkrevende og vitenskapelig utfordrende prosess. Kraften er usynlig, og selv med de mest avanserte optiske instrumentene er den fortsatt nesten umulig å oppdage. I stedet er den eneste måten forskere har kunnet oppdage denne kraften gjennom svingninger i gravitasjonspåvirkninger.

Ny studie forbedrer oppdagelse

Studien, «Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments», forklarer en ny metode for å måle tilstedeværelsen av mørk materie. Den nye tilnærmingen introduserer et spesialdesignet 3D‑printet vakuumkammer som gjør at mørk materie kan akkumulere og kollidere, noe som resulterer i gravitasjonssvingninger.

Skalarfelt

Forskerne brukte skalarfelt for å sikre at de fanget opp minimale endringer i gravitasjonsfeltet. Skalarfelt brukes ofte til å løse og samle data fra 3D‑miljøer. Disse testprotokollene tilordner hvert enkelt punkt i rommet et spesifikt tall. Skalarfelt gir en nøyaktig og konsistent måte å måle endringer i felt over rommet på.

Skalarfelt er vanlige i dag. De brukes til å måle temperaturendringer, elektrisk potensial, stråling, trykk og gravitasjonsendringer. Den dynamiske naturen til denne typen datainnsamling gjør det mulig for forskere å få nyttig innsikt i det overvåkede miljøet. Disse dataene kan samles inn på lineær, ikke‑lineær eller skalert måte.

Test

Studien, som tok tre år å fullføre, fremhever hvordan spesielle 3D‑printede kamre skaper et fenomen kjent som domenevægger. Domenevægger er energibygninger som oppstår når faseoverganger i skalarfelt skjer. Domenevægger påvirker partikler når de passerer gjennom dem, endrer deres bane og endrer flyvebanen. Denne avviket kan måles for å fastslå eksistensen av mørk materie.

Forskerne overvåket disse domenevægger og brukte dataene til å lage det ideelle 3D‑printede vakuumkammeret. Enheten inneholdt en spesifikk form og struktur for å fange mørk materie‑partikler. Forskerne brukte også spesielle materialer som hjalp med fangstprosessen.

Lavere tetthet ved å senke temperaturen

Teamet la til reaksjonsprosessen ved å senke temperaturen på de lette partiklene. Denne prosessen ble beskrevet av forskerne som lik vann som blir langsommere og stivner når temperaturen faller. I denne forskningen ble den lavere tetthetsgassen blandet med ultrakalde litiumatomer.

Som en del av eksperimentet ble disse atomene kjølt ned til -273 grader. Denne temperaturen plasserte atomene nær absolutt null, noe som gjorde dem i stand til å reagere på en stabil måte sammenlignet med normale temperaturer. Denne manøveren simulerte en partikkel som reiser gjennom et stoff som blir tettere langs sin bane.

Resultater

Forskerne klarte å måle nanohertz gravitasjonsbølge‑svingninger, og deres tilstedeværelse indikerte mørk materie. Disse resultatene kan ha en kraftig innvirkning på hvordan forskere ser på universets utvikling. Nå kan testprosessen brukes til å samle ytterligere data om disse unnvikende partiklene som utgjør byggesteinene i galaksen.

Forskerne

Studien ble utført ved en av Europas ledende vitenskapelige forskningsakademier, University of Nottingham’s School of Physics and Astronomy. Spesielt ledet professor Clare Burrage forskningsarbeidet, og ble assistert av førsteamanuensis Lucia Hackermueller.

Fordeler studien avdekker

Evnen til å oppdage mørk materie ved hjelp av domenevægger via trykte vakuumkamre introduserer en ny verden av muligheter for forskere og de som ønsker en bedre forståelse av denne kraften. Studien legger grunnlaget for forskere som ønsker å måle og forutsi handlingene til denne kraften, med mål om en dag å forstå hvordan den bidrar til dannelsen av galakser og universets utvikling.

Andre studier av mørk materie som er verdt å merke seg

Det vitenskapelige fellesskapet fortsetter å innovere og finne nye metoder for å overvåke mørk materie og energi. Disse metodene spenner over ulike vitenskaper, inkludert måling fra rommet, opprettelse av store lys‑partikkelsporingsenheter for å søke etter gravitasjonseffekter, og mye mer. Her er noen av de mest fordelaktige innsatsene som er gjort så langt.

Euclid romteleskop

Euclids romteleskop fra Europa ble nylig skutt opp fra en Falcon 9‑rakett i Florida i søken etter mørk materie. Prosjektet, kalt «Dark Detective», ble designet for å samarbeide med James Webb‑teleskopet for å undersøke anomalier nærmere. I motsetning til James Webb‑teleskopet, som har utrolig presis fokusering, ble det 15 fot høye og 11 fot brede satellitt‑teleskopet designet for å fange enorme panoramautsikt over universet.

Enheten vil kunne ta de største perspektivbildene av det 13,8 milliarder år gamle universets historie. Forskere kan undersøke disse bildene for å spore lysbevegelse over galaksen. Merkbart kan de deretter bruke lysforvrengning til å lokalisere gravitasjonsanomali forårsaket av mørk materie. Dette fenomenet er kjent som gravitasjonslinser og har gitt noen fascinerende resultater.

CERN

Et av de mest fordelaktige og best kjente prosjektene som brukes for å forsøke å overvåke, måle og skape mørk materie kommer fra forskerne ved CERN. Dette massive forskningsanlegget ble grunnlagt i 1954. Siden den gang har det spilt en stor rolle i det vitenskapelige fellesskapet på tvers av flere sektorer, inkludert utvikling av forskningsprotokoller for å oppdage og overvåke høyenergi‑protokoller.

Dette Genève‑baserte forskningsselskapet har samarbeidet med de mest briljante og innovative prosjektene på markedet, og dets prestasjoner kan ikke undervurderes. For eksempel lanserte Tim Berners‑Lee berømt World Wide Web i 1989 fra anlegget som senere var vert for den første nettsiden i 1991. I dag har anlegget fokus på en rekke vitenskapelige aktiviteter.

CERN er mest kjent som hjemmet til Large Hadron Collider (LHC). Denne enheten er verdens største og høyeste energipartikelkolliderer. Den kan ta partikler og skyte dem med maksimal hastighet før de kolliderer for å registrere effektene. Denne metoden brukes nå til å måle gravitasjonseffekter forårsaket av mørk materie, noe som en dag kan kaste mer lys over dens tilstedeværelse og virkninger.

Neutronstjerne

En annen metode som forskere har introdusert for å overvåke tilstedeværelsen av mørk materie er gjennom måling av energinivåer i neutronstjerner. Ved å bruke et spesialbygd teleskop kalt IceCube Neutrino Observatory ved Sydpolen i Antarktis, kan forskere overvåke opphopningen av mørk materie på disse himmellegemene.

Merkbart søker forskere etter biproduktpartiklene som dannes når mørk materie interagerer og ødelegger seg selv. Denne hendelsen skjer når det er en opphopning av mørk materie på en neutronstjerne. Metoden sporer biproduktene fra disse kollisjonene og måler deres svingninger over tid, og lager et kart over denne energien mens den beveger seg.

Selskaper som kan ha nytte av disse oppdagelsene

Evnen til å oppdage og en dag utnytte mørk materie har vært et langtidsmål for vitenskapsfolk og forskere. Disse siste utviklingene vil gjøre det lettere å studere dette unnvikende elementet i dybden og begynne å avdekke dets mysterier. For å oppnå dette vil det bli større etterspørsel etter romfartøy og avanserte testfasiliteter. Her er to selskaper som er posisjonert til å dra nytte av disse utviklingene fremover.

1. SpaceX

Den eksentriske milliardæren Elon Musk grunnla SpaceX 14. mars 2002. Dette i El Segundo, California‑baserte selskapet ble lansert under et annet navn, «Space Exploration Technologies (SPCX ) Corporation» (SET) før det ble omdøpt til det mer markedsførbare navnet SpaceX. Merkbart, for å sikre prosjektet, investerte Musk 50 % av sine da 180 millioner dollar verdt av PayPal (PYPL ) ‑aksjer. Disse midlene ble brukt til å sikre forskerne som trengtes for å skyte opp deres første rakett.

SpaceX er i dag en pioner i den kommersielle romsektoren. Selskapet er fortsatt det første privatfinansierte selskapet som sendte et fartøy til den internasjonale romstasjonen. Det er også det første som landet en rakett på månen, lanserte den kraftigste raketten, og det eneste selskapet som med suksess har landet en gjenbrukbar rakett.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Prisdiagram

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. er en ledende leverandør av romfartsmaterialer. Selskapet tilbyr et utvalg av avanserte elektroniske komponenter, instrumenter og kommunikasjonsprodukter i høy kvalitet. Teledyne Tech gikk inn på markedet i 1999 og besto opprinnelig av et konglomerat av 19 selskaper. I dag inkluderer Teledyne Technologies, Inc. mer enn 100 selskaper globalt.

Teledyne Technologies Inc. kan se betydelige profitter fra en satsing på å sette flere sensorer i rommet. Selskapet er en viktig leverandør av romfarts‑aluminium og andre systemer som er avgjørende for å gjennomføre disse oppdragene. Det finnes flere satellitter som for øyeblikket utnytter selskapets produkter.

Teledyne Technologies Inc.-aksjen TDY har vist jevn avkastning på 6,56 %. Selskapets posisjonering og den forventede veksten i romrelaterte aktiviteter gjør disse eiendelene til et sterkt «Kjøp». I de kommende ukene vil Teledyne Technologies, Inc. fortsette å spille en sentral rolle i det voksende romfartsmarkedet.

Fremtiden for studier av mørk materie

Fremtiden for forskning på mørk materie er lysende. Innføringen av robotikk og kunstig intelligens vil løfte den til nye høyder og gjøre det mulig for forskere, for første gang, å begynne å spore og overvåke dette stoffet konsekvent. Innføringen av AI‑drevne robotiske romforskere vil bidra til å bringe mennesker nærmere disse unnvikende svarene uten å risikere menneskeliv.

I tillegg vil det bli mye mer fokus på å skape mørk materie i laboratorier. LHC vil spille en sentral rolle i denne prosessen som den største partikkelakseleratoren med sensorer som er følsomme nok til å fange de minimale svingningene forårsaket av mørk materie.

Å måle mørk materie er steg 1

Fremskrittene innen måling av mørk materie fortsetter å avdekke egenskapene til denne ennå ikke forståtte kraften. I fremtiden vil forskere koble relevante data og utnytte avansert AI‑dyp læring for å lage korrelasjoner som kan ha virket usannsynlige for menneskelige lesere. Alle disse utviklingene og mye mer vil føre til at mørk materie blir mer gjennomskinnelig i fremtiden.

Du kan lære mer om spennende romfartsprosjekter her.