Att upptäcka det omöjliga – Forskare på jakt efter mörk materia med hjälp av 3D-utskrift

Jakten på en av universums mörkaste hemligheter fortsätter när forskare söker efter mörk materiens gåtor. Mörk materia är ansvarig för centrala processer i solsystemet, såsom bildandet av galaxer, men är notorisk svår att upptäcka. En ny studie presenterad av forskare från University of Nottingham’s School of Physics and Astronomy visar en metod för att upptäcka mörk materia med ett speciellt utformat vakuumsystem. Här är vad du behöver veta.

Vad är mörk materia?

Vanlig materia är vad folk betraktar som allt. Allt som tar upp utrymme och har massa faller i denna kategori, från den största stjärnan till den minsta atomen. Överraskande nog är denna typ av materia bara en liten del av ekvationen. Specifikt utgör den endast cirka 5 % av universums sammansättning.

Forskare har dragit slutsatsen att 30 % av universum består av mörk energi, en annan gåtfull kraft som forskare har studerat ett tag. De återstående 69 % är mörk materia. Forskare har gjort många antaganden om denna kraft.

Vissa tror att mörk materia består av primordiala svarta hål, medan andra har dragit slutsatsen att det måste vara ännu oupptäckta subatomära partiklar. Trots deras ståndpunkter är alla överens om att vetenskapen ännu inte har utrustning som är tillräckligt känslig för att fånga denna energinivå.

Hur upptäcktes mörk materia?

Astronomer nämnde först mörk materia 1933. En schweizisk-amerikansk astronom vid namn Fritz Zwicky blev förvånad över att finna att Coma-klustret bröt mot de då kända astronomiska föreställningarna. Galaxen hade endast 1 % av den massa som krävdes för att hålla galaxerna samman.

Källa – Constellation-guide

Han teoretiserade att det måste finnas någon annan form av materia som ger den massa som håller galaxerna på plats. Detta svårfångade ämne fungerade som ett strukturellt stöd och en färdplan för bildandet av nya stjärnor, galaxer och mer. Noterbart är att han matematiskt kunde visa att massan existerade, men det skulle ta många fler år av forskning innan forskare kunde återskapa mörk materia‑anomaler på ett konsekvent och mätbart sätt.

Att upptäcka mörk materia är svårt

Att upptäcka osynlig mörk materia har visat sig vara en tidskrävande och vetenskapligt utmanande process. Kraften är osynlig och även med de mest avancerade optiska instrumenten är den fortfarande nästan omöjlig att upptäcka. Istället är det enda sättet forskare har kunnat upptäcka denna kraft genom fluktuationer i gravitationspåverkan.

Ny studie förbättrar upptäckten

Studien, ”Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments”, förklarar en ny metod för att mäta mörk materia‑närvaro. Det nya tillvägagångssättet introducerar en speciellt designad 3D‑utskriven vakuumkammare som låter mörk materia ansamlas och kollidera, vilket resulterar i gravitationsfluktuationer.

Skalära fält

Forskarna använde skalära fält för att säkerställa att de fångade minimala förändringar i gravitationsfältet. Skalära fält används ofta för att lösa och samla in data från 3D‑miljöer. Dessa testprotokoll tilldelar varje enskild punkt i rymden ett specifikt tal. Skalära fält ger ett exakt och konsekvent sätt att mäta förändringar i fält över rymden.
Skalära fält är vanliga idag. De används för att mäta temperaturförändringar, elektrisk potential, strålning, tryck och gravitationsförändringar. Den dynamiska naturen i denna typ av datainsamling möjliggör för forskare att få värdefulla insikter i den övervakade miljön. Dessa data kan samlas in på ett linjärt, icke‑linjärt eller skalärt sätt.

Test

Studien, som tog tre år att slutföra, belyser hur speciella 3D‑utskrivna kamrar skapar ett fenomen känt som domänväggar. Domänväggar är energisamlingar som uppstår när fasövergångar i skalära fält sker. Domänväggarna påverkar partiklar när de passerar dem, förändrar deras bana och ändrar deras flygväg. Denna avvikelse kan i sin tur mätas för att fastställa mörk materias existens.
Forskare övervakade dessa domänväggar och använde sina data för att skapa den ideala 3D‑utskrivna vakuumkammaren. Enheten integrerade en specifik form och struktur för att fånga mörk materia‑partiklar. Forskarna använde också speciella material som underlättade fångstprocessen.

Lägre densitet genom att sänka temperaturen

Teamet lade till reaktionsprocessen genom att sänka temperaturen på de lätta partiklarna. Processen beskrevs av forskarna som liknande vatten som blir långsammare och stelnar när temperaturen sjunker. I denna forskning blandades den lägre densitetsgasen med ultrakalla litiumatomer.
Som en del av experimentet kyldes dessa atomer ner till -273 grader. Denna temperatur placerade atomerna nära den absoluta nollpunkten, vilket gjorde att de kunde reagera på ett stabilt sätt jämfört med normala temperaturer. Detta manövrerade simulerade en partikel som färdas genom ett ämne som blir tätare längs dess bana.

Resultat

Forskare lyckades mäta nanohertz gravitationsvågsfluktuationer, och deras närvaro signalerade mörk materia. Dessa resultat kan ha en genomslagseffekt på hur forskare ser universums utveckling. Nu kan testprocessen användas för att samla in ytterligare data om dessa svårfångade partiklar som utgör galaxens byggstenar.

Forskare

Studien genomfördes vid en av Europas ledande vetenskapliga forskningsakademier, University of Nottingham’s School of Physics and Astronomy. Specifikt ledde professor Clare Burrage forskningsarbetet och fick stöd av docent Lucia Hackermueller.

Fördelar som studien avslöjar

Förmågan att upptäcka mörk materia med hjälp av domänväggar via utskrivna vakuumkammare öppnar en ny värld av möjligheter för forskare och dem som vill få en bättre förståelse för denna kraft. Studien lägger grunden för forskare som vill mäta och förutsäga kraftens handlingar, med målet att en dag förstå hur den bidrar till bildandet av galaxer och universums utveckling.

Andra studier om mörk materia som är värda att nämna

Det vetenskapliga samfundet fortsätter att innovera och uppfinna nya metoder för att övervaka mörk materia och energi. Dessa metoder spänner över en rad vetenskaper, inklusive mätningar från rymden, skapande av stora ljuspartikelsökande enheter för att leta efter gravitationseffekter, och mycket mer. Här är några av de mest fördelaktiga insatserna hittills.

Euclid rymdteleskop

Euclids rymdteleskop från Europa lanserades nyligen från en Falcon 9‑raket från Florida i sökandet efter mörk materia. Projektet, kallat ”Dark Detective”, designades för att samarbeta med James Webb‑teleskopet för att ytterligare undersöka anomalier. Till skillnad från James Webb‑teleskopet, som har otrolig punktfokus, är den 15 fot höga och 11 fot breda satellitteleskopet konstruerat för att fånga enorma panoramavyer av universum.
Enheten kommer att kunna ta de största perspektivbilderna av det 13,8 miljard år gamla universums historia. Forskare kan granska dessa bilder för att spåra ljusets rörelse över galaxen. Noterbart är att de sedan kan använda ljusdistorsion för att lokalisera gravitationsanomaler orsakade av mörk materia. Detta fenomen är känt som gravitationslinsning och har gett några fascinerande resultat.

CERN

Ett av de mest fördelaktiga och mest kända projekten för att försöka övervaka, mäta och skapa mörk materia kommer från forskarna vid CERN. Denna massiva forskningsanläggning grundades 1954. Sedan dess har den spelat en stor roll i det vetenskapliga samfundet över flera sektorer, inklusive skapandet av forskningsprotokoll för att upptäcka och övervaka högenergi‑protokoll.

Det här Genève-baserade forskningsföretaget har arbetat med de mest lysande och innovativa projekten på marknaden, och dess prestationer kan inte underskattas. Till exempel lanserade Tim Berners‑Lee berömt World Wide Web 1989 från anläggningen som senare värd för den första webbplatsen 1991. Idag fokuserar anläggningen på en mängd olika vetenskapliga aktiviteter.

CERN är mest känt som hemmet för Large Hadron Collider (LHC). Denna anordning är världens största och högst energiska partikelaccelerator. Den kan ta paket och skjuta dem med maximal hastighet innan de kolliderar för att registrera effekterna. Denna metod används nu för att mäta gravitationseffekter orsakade av mörk materia, vilket en dag kan kasta mer ljus på dess närvaro och effekter.

Neutronstjärna

En annan metod som forskare har introducerat för att övervaka närvaron av mörk materia är genom mätning av neutronstjärnors energinivåer. Genom att använda ett specialbyggt teleskop kallat IceCube Neutrino Observatory vid Sydpolen i Antarktis kan forskare övervaka ansamlingen av mörk materia på dessa himlakroppar.
Noterbart söker forskare de biproduktpartiklar som skapas när mörk materia interagerar och förstör sig själv. Detta sker varje gång det finns en ansamling av mörk materia på en neutronstjärna. Metoden spårar biprodukterna från dessa kollisioner och mäter deras fluktuationer över tid, vilket skapar en karta över denna energi när den färdas.

Företag som kan dra nytta av dessa upptäckter

Förmågan att upptäcka och en dag utnyttja mörk materia har länge varit ett mål för forskare. Dessa senaste framsteg kommer att göra det enklare att studera detta svårfångade element på djupet och börja avtäcka dess gåtor. För att uppnå detta kommer efterfrågan på rymdfarkoster och avancerade testanläggningar att öka. Här är två företag som är positionerade för att dra nytta av dessa utvecklingar framöver.

1. SpaceX

Miljardären och excentriska Elon Musk grundade SpaceX den 14 mars 2002. Detta i El Segundo, Kalifornien baserade företag startade under ett annat namn ”Space Exploration Technologies (SPCX ) Corporation” (SET) innan det omdöptes till det mer marknadsförbara namnet SpaceX. Noterbart är att för att säkra projektet satsade Musk 50 % av sina då 180 M$-värda PayPal (PYPL ) ‑aktier. Dessa medel gick till att säkra de forskare som behövdes för att skjuta upp deras första raket.
SpaceX är idag pionjär inom den kommersiella rymdsektorn. Företaget är fortfarande det första privat finansierade företaget som skickade ett farkost till den internationella rymdstationen. Det är också det första att landa en raket på månen, lansera den mest kraftfulla raketen och det enda företaget som framgångsrikt landat en återanvändbar raket.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Prisdiagram

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. är en ledande leverantör av rymdmaterial. Företaget erbjuder ett urval av högkvalitativa avancerade elektroniska komponenter, instrument och kommunikationsprodukter. Teledyne Tech gick in på marknaden 1999 och bestod ursprungligen av ett konglomerat av 19 företag. Idag inkluderar Teledyne Technologies, Inc. över 100 företag globalt.

Teledyne Technologies Inc. kan se betydande vinster från en satsning på att placera fler sensorer i rymden. Företaget är en stor leverantör av aluminium i rymdkvalitet och andra system som är avgörande för att genomföra dessa uppdrag. Flera satelliter använder för närvarande företagets produkter.

Teledyne Technologies Inc.-aktien TDY har haft en stabil avkastning på 6,56 %. Företagets position och den förväntade tillväxten inom rymdrelaterade aktiviteter gör dessa tillgångar till ett starkt ”köp”. Under de kommande veckorna kommer Teledyne Technologies, Inc. fortsätta spela en avgörande roll på den växande rymdmarknaden.

Framtiden för studier av mörk materia

Framtiden för forskning om mörk materia ser ljus ut. Introduktionen av robotik och AI kommer att driva den till nya höjder och möjliggöra för forskare att för första gången börja spåra och övervaka detta ämne konsekvent. Införandet av AI‑drivna robotiska rymdforskare kommer att hjälpa till att föra människor närmare dessa svårfångade svar utan att riskera mänskligt liv.
Dessutom kommer det att läggas mycket mer fokus på att skapa mörk materia i laboratorier. LHC kommer att spela en avgörande roll i denna process som den största partikelacceleratorn med sensorer som är tillräckligt känsliga för att fånga de minsta fluktuationerna som orsakas av mörk materia.

Mätning av mörk materia är steg 1

De framsteg som gjorts i mätning av mörk materia fortsätter att hjälpa till att avslöja egenskaperna hos denna ännu inte förstådda kraft. I framtiden kommer forskare att koppla relevant data och utnyttja avancerad AI‑djupinlärning för att skapa korrelationer som kan ha verkat osannolika för mänskliga läsare. Alla dessa utvecklingar och mycket mer kommer att göra mörk materia mer genomskinlig i framtiden.

Du kan lära dig mer om spännande rymdprojekt här.