Notícia

Aproximando-se para investigar a matéria escura

Aproximando-se para investigar a matéria escura

Nosso Universo, de acordo com a maioria dos cientistas, consiste em aproximadamente um quarto de matéria escura. Claro que isso é uma hipótese e não algo comprovado.

A matéria escura não pode ser vista, só podemos ver sua interferência com a matéria visível que circunda a matéria escura. Para uma definição de matéria escura, você pode ler os detalhes completos aqui.

O professor Samuel Ting e sua equipe de pesquisa detectaram o que podem ser os primeiros vestígios das "sobras" de Dark Matter. Eles conseguiram isso usando um espectrômetro magnético (AMS), que é um instrumento preciso para detectar partículas. O espectrômetro está localizado atualmente na Estação Espacial Internacional.

Mais pesquisas são necessárias para concluir se as medições estão de fato relacionadas com a matéria escura ou outro tipo de radiação eletromagnética emitida por pulsares ou estrelas.

Você pode ler mais aqui.


    Controvérsia sobre o uso de lingotes romanos para investigar matéria escura, neutrinos

    As propriedades desses tijolos de chumbo recuperados de antigos naufrágios são ideais para experimentos em física de partículas. Cientistas do projeto de detecção de matéria escura CDMS em Minnesota (EUA) e do observatório de neutrinos CUORE no Laboratório Gran Sasso na Itália começaram a usá-los, mas os arqueólogos alertaram sobre a destruição e o comércio de patrimônio cultural que está por trás disso.

    Há dois mil anos, um navio romano com lingotes de chumbo extraídos da Serra de Cartagena naufragou nas águas da costa da Sardenha. Desde 2011, mais de uma centena desses lingotes foram usados ​​para construir o 'Observatório Criogênico Subterrâneo para Eventos Raros' (CUORE), um detector avançado de neutrinos - partículas subatômicas quase sem peso - no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália.

    No século 18, outro navio carregado com lingotes de chumbo naufragou na costa francesa. Uma empresa de caçadores de tesouros recuperou este material e, apesar dos problemas com as autoridades francesas, conseguiu vendê-lo para a equipe de busca de matéria escura criogênica (CDMS). Este detector localizado em uma mina em Minnesota (EUA) procura por sinais da enigmática matéria escura, que se acredita constituir um quarto do universo.

    Esses dois exemplos serviram de referência para a discussão que dois pesquisadores abriram entre arqueólogos, preocupados com a destruição do patrimônio cultural subaquático, e físicos de partículas, satisfeitos por terem encontrado um material único para pesquisas sobre neutrinos e matéria escura.

    Como explica Elena Perez-Alvaro, da Universidade de Birmingham: "O chumbo romano é essencial para a realização desses experimentos porque oferece pureza e níveis tão baixos de radioatividade - tanto mais quanto mais tempo passa debaixo d'água - quais métodos atuais de produção este metal não pode alcançar. "

    “O chumbo extraído hoje está naturalmente contaminado com o isótopo Pb-210, o que o impede de ser usado como blindagem para detectores de partículas”, acrescenta o físico Fernando Gonz & aacutelez Zalba, da Universidade de Cambridge.

    Os dois investigadores publicaram um estudo na revista 'Rosetta', também comentado este mês na 'Science', que coloca um dilema: Devemos sacrificar parte do nosso património cultural para obter um maior conhecimento do universo e da origem da humanidade? Devemos ceder parte de nosso passado para descobrir mais sobre nosso futuro?

    “Os arqueólogos subaquáticos veem a destruição do patrimônio como uma perda do nosso passado, da nossa história, enquanto os físicos apoiam a pesquisa básica para buscar respostas que ainda não temos”, comenta Perez-Alvaro, “embora isso tenha levado a situações em que, por exemplo , empresas privadas como a liderança comercial da Odyssey se recuperaram de navios naufragados. " Esta é a empresa que teve que devolver o tesouro da fragata Nuestra Se & ntildeora de las Mercedes à Espanha.

    Diálogo entre arqueólogos subaquáticos e físicos de partículas

    O arqueólogo subaquático e o físico estão incentivando o diálogo entre os dois coletivos, bem como desenvolvendo uma legislação que regulamenta esse tipo de atividade, sem se limitar exclusivamente aos arqueólogos, e inclusive aos cientistas. “Recuperação do conhecimento em ambos os campos, e não apenas por razões comerciais”, destacam os cientistas.

    O júri ainda está ausente. No caso do detector CUORE, por exemplo, em princípio é usado o chumbo dos lingotes romanos menos bem preservados, embora suas inscrições sejam cortadas e preservadas. Alguns arqueólogos também sugerem que existem outras peças de metal valioso, como cepas de âncora, anéis ou equipamentos de pesca, que devemos avaliar se devemos ou não "sacrificar pela ciência". O problema é que eles são protegidos pela Convenção da UNESCO de 2001 sobre a proteção do patrimônio cultural subaquático, se estiverem submersos por mais de 10 anos, e pela Convenção de 2003 para a salvaguarda do patrimônio cultural imaterial.

    Sobre o uso habitual que os romanos faziam desses lingotes, P & eacuterez & Aacutelvaro apontam que existem muitas teorias, "mas eles eram geralmente usados ​​como material resistente à água para canos, caixas d'água ou telhados, mas também na fabricação de armas e munições. "

    Um caso especial são os grandes tijolos de chumbo recuperados do maior navio romano da escavação do Mediterrâneo, o naufrágio do Bou Ferrer, que naufragou muito perto do porto de La Vila Joiosa (Alicante). Uma série de gravuras permite aos especialistas determinar que seu proprietário era o próprio imperador de Roma, provavelmente Calígula, Cláudio ou Nero.


    Aproximando-se para investigar a matéria escura - História

    Como físico de partículas, estudo as partículas elementares e como elas interagem no nível mais fundamental. Durante a maior parte da minha carreira de pesquisador, usei aceleradores, como o acelerador de elétrons da Universidade de Stanford, um pouco mais adiante, para estudar coisas na menor escala. Mas, mais recentemente, tenho voltado minha atenção para o universo em grande escala. Porque, como explicarei a você, as perguntas na menor e na maior escala estão, na verdade, muito conectadas. Portanto, vou falar sobre nossa visão do universo no século XXI, do que ele é feito e quais são as grandes questões nas ciências físicas - pelo menos algumas das grandes questões.

    Então, recentemente, percebemos que a matéria comum no universo - e por matéria comum, quero dizer você, eu, os planetas, as estrelas, as galáxias - a matéria comum constitui apenas alguns por cento do conteúdo do universo . Quase um quarto, ou aproximadamente um quarto da matéria do universo, é algo invisível. Por invisível, quero dizer que não é absorvido no espectro eletromagnético. Não emite no espectro eletromagnético. Não reflete. Ele não interage com o espectro eletromagnético, que é o que usamos para detectar coisas. Ele não interage de forma alguma. Então, como sabemos que está lá? Sabemos que está lá por seus efeitos gravitacionais. Na verdade, esta matéria escura domina os efeitos gravitacionais no universo em grande escala, e eu estarei lhe contando sobre as evidências disso.

    E quanto ao resto da torta? O resto da torta é uma substância muito misteriosa chamada energia escura. Mais sobre isso mais tarde, OK. Portanto, por enquanto, vamos nos voltar para as evidências da matéria escura. Nessas galáxias, especialmente em uma galáxia espiral como esta, a maior parte da massa das estrelas está concentrada no meio da galáxia. Essa enorme massa de todas essas estrelas mantém as estrelas em órbitas circulares na galáxia. Portanto, temos essas estrelas girando em círculos como este. Como você pode imaginar, mesmo que conheça física, isso deve ser intuitivo, OK - as estrelas que estão mais próximas da massa no meio estarão girando a uma velocidade maior do que aquelas que estão mais longe aqui, OK.

    Portanto, o que você esperaria é que, se medisse a velocidade orbital das estrelas, elas deveriam ser mais lentas nas bordas do que no interior. Em outras palavras, se medíssemos a velocidade em função da distância - esta é a única vez que I & # 39m mostrarei um gráfico, OK - esperaríamos que ela diminuísse à medida que a distância aumentasse do centro da galáxia. Quando essas medições são feitas, o que descobrimos é que a velocidade é basicamente constante, em função da distância. Se for constante, isso significa que as estrelas aqui estão sentindo os efeitos gravitacionais da matéria que não vemos. Na verdade, esta galáxia e todas as outras galáxias parecem estar embutidas em uma nuvem dessa matéria escura invisível. E essa nuvem de matéria é muito mais esférica do que a própria galáxia, e se estende por uma faixa muito maior do que a galáxia. Então, vemos a galáxia e nos fixamos nela, mas é na verdade uma nuvem de matéria escura que está dominando a estrutura e a dinâmica desta galáxia.

    As próprias galáxias não estão espalhadas aleatoriamente no espaço, elas tendem a se agrupar. E este é um exemplo de um aglomerado muito, na verdade, famoso, o aglomerado Coma. E existem milhares de galáxias neste aglomerado. Eles são as coisas brancas, difusas e elípticas aqui. Portanto, esses aglomerados de galáxias - tiramos uma foto agora, tiramos uma foto daqui a uma década, e parecerá idêntica. Mas essas galáxias estão na verdade se movendo a velocidades extremamente altas. Eles estão se movendo neste poço de potencial gravitacional deste aglomerado, OK. Então, todas essas galáxias estão se movendo. Podemos medir as velocidades dessas galáxias, suas velocidades orbitais e descobrir quanta massa há neste aglomerado.

    E, novamente, o que descobrimos é que há muito mais massa lá do que pode ser contabilizado pelas galáxias que vemos. Ou se olharmos em outras partes do espectro eletromagnético, vemos que também há muito gás neste aglomerado. Mas isso também não explica a massa. Na verdade, parece haver cerca de dez vezes mais massa aqui na forma dessa matéria invisível ou escura do que na matéria comum, OK. Seria bom se pudéssemos ver essa matéria escura um pouco mais diretamente. Estou apenas colocando esta grande bolha azul aqui, OK, para tentar lembrá-lo de que está lá. Podemos ver mais visualmente? Sim, nós podemos.

    E então deixe-me mostrar como podemos fazer isso. Portanto, aqui está um observador: pode ser um olho, pode ser um telescópio. E suponha que exista uma galáxia aqui no universo. Como vemos essa galáxia? Um raio de luz deixa a galáxia e viaja pelo universo por talvez bilhões de anos antes de entrar no telescópio ou em seu olho. Agora, como podemos deduzir onde está a galáxia? Bem, nós deduzimos pela direção que o raio está viajando quando entra em nosso olho, certo? Dizemos que o raio de luz veio para cá, a galáxia deve estar lá, OK. Agora, suponha que eu coloque no meio um aglomerado de galáxias - e não se esqueça da matéria escura, OK. Agora, se considerarmos um raio de luz diferente, que dispara assim, agora precisamos levar em conta o que Einstein previu quando desenvolveu a relatividade geral. E isso era que o campo gravitacional, devido à massa, desviará não apenas a trajetória das partículas, mas desviará a própria luz.

    Portanto, este raio de luz não continuará em linha reta, mas sim se dobrará e poderá acabar entrando em nosso olho. Onde este observador verá a galáxia? Você pode responder. Para cima, certo? Nós extrapolamos para trás e dizemos que a galáxia está aqui em cima. Existe algum outro raio de luz que poderia chegar ao olho do observador daquela galáxia? Sim ótimo. Eu vejo pessoas caindo assim. Assim, um raio de luz pode descer, ser inclinado para cima no olho do observador, e o observador vê um raio de luz aqui.

    Agora, leve em consideração o fato de que vivemos em um universo tridimensional, OK, um espaço tridimensional. Existem outros raios de luz que poderiam entrar no olho? Sim! Os raios estariam em um - eu gostaria de ver - sim, em um cone. Portanto, há todo um raio de luz - raios de luz em um cone - que será todo dobrado por aquele aglomerado e chegará ao olho do observador. Se houver um cone de luz entrando em meu olho, o que eu vejo? Um círculo, um anel. É chamado de anel de Einstein. Einstein previu isso, OK. Agora, só será um anel perfeito se a fonte, o defletor e o globo ocular, neste caso, estiverem todos em uma linha perfeitamente reta. Se eles estiverem ligeiramente distorcidos, veremos uma imagem diferente.

    Agora, você pode fazer uma experiência hoje à noite na recepção, OK, para descobrir como será a imagem. Porque descobrimos que existe um tipo de lente que podemos inventar, que tem o formato certo para produzir esse tipo de efeito. Chamamos isso de lente gravitacional. E então, este é o seu instrumento, OK. (Risada). Mas ignore a parte superior. É a base na qual quero que você se concentre, OK. Então, na verdade, em casa, sempre que quebramos uma taça de vinho, eu economizo o fundo, levo para a oficina. Raspamos e eu tenho uma pequena lente gravitacional, OK. Então, ele tem o formato certo para produzir as lentes. E então a próxima coisa que você precisa fazer em seu experimento é pegar um guardanapo. Peguei um pedaço de papel milimetrado - sou físico. (Risos) Então, um guardanapo. Desenhe um pequeno modelo de galáxia no meio. E agora coloque a lente sobre a galáxia e o que você descobrirá é que verá um anel, um anel de Einstein. Agora, mova a base para o lado e o anel se dividirá em arcos, OK. E você pode colocá-lo em cima de qualquer imagem. No papel gráfico, você pode ver como todas as linhas do papel gráfico foram distorcidas. E, novamente, este é um tipo de modelo preciso do que acontece com as lentes gravitacionais.

    OK, então a pergunta é: nós vemos isso no céu? Vemos arcos no céu quando olhamos, digamos, um aglomerado de galáxias? E a resposta é sim. E então, aqui está uma imagem do Telescópio Espacial Hubble. Muitas das imagens que você está vendo são anteriores ao Telescópio Espacial Hubble. Bem, em primeiro lugar, para as galáxias de forma dourada - essas são as galáxias do aglomerado. São eles que estão embutidos naquele mar de matéria escura que estão fazendo com que a curvatura da luz cause essas ilusões de ótica, ou miragens, praticamente, das galáxias de fundo. Então, as listras que você vê, todas essas listras, são na verdade imagens distorcidas de galáxias que estão muito mais distantes.

    Então, o que podemos fazer é baseado em quanta distorção vemos nessas imagens, podemos calcular quanta massa deve haver neste aglomerado. E é uma enorme quantidade de massa. E também, você pode dizer a olho nu, olhando para isso, que esses arcos não estão centrados em galáxias individuais. Eles estão centrados em alguma estrutura mais espalhada, e essa é a matéria escura na qual o aglomerado está inserido, OK. Portanto, este é o mais perto que você pode chegar de ver pelo menos os efeitos da matéria escura a olho nu.

    OK, então, uma revisão rápida para ver se você está seguindo. Portanto, a evidência que temos de que um quarto do universo é matéria escura - esse material que atrai gravitacionalmente - é que as galáxias, a velocidade com que as estrelas orbitando galáxias é muito grande, deve estar embutido na matéria escura. A velocidade com que as galáxias dentro dos aglomerados orbitam é muito grande e deve estar embutida na matéria escura. E vemos esses efeitos de lente gravitacional, essas distorções que dizem que, novamente, os aglomerados estão incrustados na matéria escura.

    OK. Então, agora, vamos nos voltar para a energia escura. Portanto, para entender as evidências da energia escura, precisamos discutir algo a que Stephen Hawking se referiu na sessão anterior. E esse é o fato de que o próprio espaço está se expandindo. Então, se imaginarmos uma seção de nosso universo infinito - e então eu coloquei quatro galáxias espirais, OK - e imaginarmos que você colocou um conjunto de fitas métricas, então cada linha aqui corresponde a uma fita métrica, horizontal ou vertical , para medir onde as coisas estão. Se você pudesse fazer isso, você descobriria que a cada dia que passa, a cada ano que passa, a cada bilhão de anos que passa, OK, a distância entre as galáxias está ficando maior. E não é porque as galáxias estão se afastando umas das outras no espaço. Eles não estão necessariamente se movendo pelo espaço. Eles estão se afastando um do outro porque o próprio espaço está ficando maior, OK. Isso é o que significa a expansão do universo ou do espaço. Portanto, eles estão se afastando ainda mais.

    Agora, o que Stephen Hawking também mencionou é que, após o Big Bang, o espaço se expandiu em uma taxa muito rápida. Mas como a matéria que atrai gravitacionalmente está embutida neste espaço, isso tende a desacelerar a expansão do espaço, OK. Portanto, a expansão diminui com o tempo. Então, no século passado, OK, as pessoas debateram se essa expansão do espaço continuaria para sempre se ela desaceleraria, você sabe, se desaceleraria, mas continuará sempre desacelerando e parando, parando ou desacelerando assintoticamente, pare, e então reverter, então ele começa a se contrair novamente. Então, há pouco mais de uma década, dois grupos de físicos e astrônomos começaram a medir a taxa na qual a expansão do espaço estava diminuindo, OK. Em quanto menos está se expandindo hoje, em comparação com, digamos, alguns bilhões de anos atrás?

    A resposta surpreendente a esta pergunta, OK, a partir desses experimentos, foi que o espaço está se expandindo a uma taxa mais rápida hoje do que há alguns bilhões de anos, OK. Portanto, a expansão do espaço está, na verdade, se acelerando. Este foi um resultado completamente surpreendente. Não há nenhum argumento teórico convincente para explicar por que isso deveria acontecer, OK. Ninguém estava prevendo com antecedência que isso seria encontrado. Foi o contrário do que se esperava. Portanto, precisamos de algo para ser capaz de explicar isso. Agora acontece que, na matemática, você pode colocá-lo como um termo que é uma energia, mas é um tipo de energia completamente diferente de qualquer coisa que já vimos antes. Nós a chamamos de energia escura, e ela tem o efeito de fazer com que o espaço se expanda. Mas não temos uma boa motivação para colocá-lo lá neste momento, OK. Portanto, é realmente inexplicável por que precisamos colocá-lo.

    Agora, então, neste ponto, o que eu realmente quero enfatizar para você, é que, em primeiro lugar, a matéria escura e a energia escura são coisas completamente diferentes, OK. Na verdade, existem dois mistérios sobre o que constitui a maior parte do universo, e eles têm efeitos muito diferentes. A matéria escura, por atrair gravitacionalmente, tende a estimular o crescimento da estrutura, OK. Portanto, aglomerados de galáxias tendem a se formar, por causa de toda essa atração gravitacional. A energia escura, por outro lado, está colocando cada vez mais espaço entre as galáxias, faz com que diminua a atração gravitacional entre elas, e por isso impede o crescimento da estrutura. Portanto, observando coisas como aglomerados de galáxias e como eles - sua densidade numérica, quantos existem em função do tempo - podemos aprender como a matéria escura e a energia escura competem entre si na formação de estruturas.

    Em termos de matéria escura, eu disse que não temos nenhum, você sabe, argumento realmente convincente para a energia escura. Temos algo para matéria escura? E a resposta é sim. Temos candidatos bem motivados para a matéria escura. Agora, o que quero dizer com bem motivado? Quero dizer que temos teorias matematicamente consistentes que foram introduzidas para explicar um fenômeno completamente diferente, OK, coisas sobre as quais ainda nem falei, em que cada uma prevê a existência de uma nova partícula de interação muito fraca.

    Então, isso é exatamente o que você quer em física: onde uma previsão surge de uma teoria matematicamente consistente que foi desenvolvida para outra coisa. Mas não sabemos se algum desses é realmente o candidato à matéria escura, OK. Um ou ambos, quem sabe? Ou pode ser algo completamente diferente. Agora, procuramos essas partículas de matéria escura porque, afinal, elas estão aqui na sala, OK, e não entraram pela porta. Eles simplesmente passam por qualquer coisa. Eles podem vir através do edifício, através da Terra - eles não interagem.

    Portanto, uma maneira de procurá-los é construir detectores que sejam extremamente sensíveis a uma partícula de matéria escura que entra e bate nela. Portanto, um cristal que tocará se isso acontecer. Então, um de meus colegas na mesma rua e seus colaboradores construíram esse detector. E eles o colocaram no fundo de uma mina de ferro em Minnesota, OK, bem no subsolo e, de fato, nos últimos dias anunciaram os resultados mais sensíveis até agora. Eles não viram nada, OK, mas isso impõe limites sobre a massa e a força de interação dessas partículas de matéria escura. Haverá um telescópio de satélite lançado no final deste ano e ele olhará para o meio da galáxia, para ver se podemos ver as partículas de matéria escura se aniquilando e produzindo raios gama que poderiam ser detectados com isso. O Large Hadron Collider, um acelerador de física de partículas, que iremos ativar ainda este ano. É possível que partículas de matéria escura sejam produzidas no Grande Colisor de Hádrons.

    Agora, por serem tão não interativos, eles realmente escaparão do detector, então sua assinatura estará perdendo energia, OK. Agora, infelizmente, há muitos novos físicos cuja assinatura pode ser a falta de energia, então será difícil dizer a diferença. E, finalmente, para empreendimentos futuros, há telescópios sendo projetados especificamente para lidar com as questões da matéria escura e energia escura - telescópios baseados em terra, e há três telescópios baseados no espaço que estão competindo agora para serem lançados para investigar a matéria escura e energia escura. Portanto, em termos das grandes questões: o que é matéria escura? O que é energia escura? As grandes questões que a física enfrenta. E tenho certeza de que você tem muitas perguntas, que espero muito responder nas próximas 72 horas, enquanto estou aqui. Obrigada. (Aplausos)


    Jogador importante

    Cientistas e engenheiros britânicos desempenharão um papel fundamental em Euclides.

    O Reino Unido vai liderar a produção da câmera digital ótica telescópica e # x27s - uma das maiores câmeras já instaladas no espaço.

    O instrumento produzirá imagens do céu mais de 100 vezes maiores do que o Hubble pode. Isso irá minimizar a quantidade de "costura" de imagens necessária para construir mapas Euclid & # x27s, tornando mais fácil rastrear alguns dos efeitos sutis que os astrônomos estão tentando detectar.

    Quando seus investimentos na parte Esa do orçamento e o instrumento visível são combinados, a contribuição total do Reino Unido para a Euclides chega a mais de 100 milhões de euros (£ 80 milhões).


    Sonhando com Matéria Negra

    Esquerda: A vizinhança cósmica do Segue 1 da Sloan Digital Sky Survey. À direita: Segue 1, com suas 24 estrelas conhecidas, de Maria Geha.

    As estrelas sempre nos fascinaram com sua beleza. No entanto, um pequeno grupo de objetos celestes recentemente despertou a imaginação de astrônomos e físicos por uma razão peculiar. Usando métodos avançados de observação durante a última década, os cientistas encontraram centenas de galáxias que parecem estar girando rápido demais para seu campo gravitacional. As estrelas dentro deles estão viajando muito mais rápido do que a velocidade de escape calculada a partir de sua matéria luminosa. As galáxias deveriam literalmente se separar.

    Essa percepção levou a maioria dos físicos a incorporar o conceito de “matéria escura” em suas teorias do universo. Com base em evidências astronômicas, a matéria escura superaria a matéria regular no universo por um fator de cerca de 4,5 a 1; teoricamente, as galáxias mencionadas acima contêm matéria escura suficiente para permitir que girem tão rápido quanto o fazem. Acredita-se que as partículas de matéria escura sejam partículas massivas e sem carga que mal interagem com a matéria regular, exceto por meio da gravidade. É por isso que não podemos ver a matéria escura e nunca a detectamos diretamente.

    Junto com a confirmação da existência do Bóson de Higg, a partícula pensada para conceder massa, a questão de saber se a matéria escura realmente existe é uma das questões mais urgentes no campo. Em todo o mundo, numerosos experimentos têm como objetivo lançar luz sobre esta matéria (escura). Quatro dessas colaborações envolvem professores dos departamentos de Física e Astronomia de Yale.

    Segue 1 e os sete anões

    Durante o período de rápida expansão após o Big Bang, ondulações de flutuações quânticas na matéria superdensa do universo inflaram para formar as galáxias que vemos hoje. Este modelo de formação do universo é conhecido como modelo Cold Dark Matter (CDM).

    De acordo com esse modelo, a maioria das galáxias visíveis no céu, incluindo a nossa, são consideradas acúmulos de matéria escura que atraíram conglomerados de matéria luminosa. Além disso, deve haver centenas de “galáxias anãs” dominadas pela matéria escura em torno da Via Láctea. No entanto, em 2005, apenas 11 galáxias anãs foram descobertas orbitando nossa galáxia. Esta foi uma evidência astronômica difícil que desafiou a validade do modelo do MDL.

    Os astrônomos perceberam, no entanto, que talvez eles simplesmente não estivessem olhando com atenção o suficiente. Marla Geha, professora assistente de astronomia em Yale e membro do National Research Council of Canada, junto com Joshua Simon, Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar na Caltech, revelou recentemente a descoberta de 8 galáxias anãs adicionais em nossa vizinhança - trazendo a corrente contagem para 24.

    Usando dados do Sloan Digital Sky Survey e do telescópio Keck II de 10 metros no Havaí, Geha e Simon focaram nos candidatos locais de galáxias anãs. À primeira vista, muitos deles parecem ser pouco mais do que minúsculos aglomerados de estrelas. No entanto, ao analisar os dados do desvio para o vermelho de estrelas individuais dentro de cada aglomerado, Geha percebeu que muitas das estrelas estavam se movendo quase dez vezes mais rápido do que deveriam. Em tais velocidades, as estrelas teriam energia cinética suficiente para escapar completamente da atração gravitacional da matéria luminosa ao seu redor.

    A única conclusão razoável, teorizaram os pesquisadores, era que essas galáxias eram dominadas pela matéria escura. Uma galáxia em particular, Segue 1, parece ser a mais tênue e, portanto, a galáxia mais dominada por matéria escura já descoberta. Embora apenas 300 vezes mais brilhante que o nosso Sol, a galáxia é mil vezes mais massiva do que parece, o que sugere que deve ser composta quase inteiramente de matéria escura.

    Embora apenas 24 galáxias anãs tenham sido descobertas, Geha acredita que existem muitas mais. O Sloan Digital Sky Survey cobre apenas cerca de um quinto do céu. Se os outros quatro quintos contiverem cada um um número semelhante, a contagem final pode chegar a quatrocentos a quinhentos, quase exatamente o número previsto pelo modelo do MDL. Se for esse o caso, teremos dado um passo adiante no sentido de verificar a existência de matéria escura.

    Brilhando uma luz através de uma parede

    Nada demonstraria mais concretamente a existência de matéria escura do que a criação de uma partícula de matéria escura em laboratório. Isso é exatamente o que o Professor de Física de Yale Oliver Baker está planejando realizar com o Laser Eletrônico Livre, ou FEL, no Jefferson Labs na Virgínia.

    FEL no Jefferson Laboratories.

    O FEL é o laser sintonizável mais poderoso do mundo, produzindo mais fótons por segundo do que qualquer outro em uso. O laser foi configurado para direcionar um feixe de fótons através de um determinado campo magnético de alta energia. Em teoria, isso deveria fazer com que alguns dos fótons no feixe se convertessem em candidatos de matéria escura chamados axions. O feixe é então apontado diretamente para um bloco de alumínio com vários centímetros de espessura. Visto que a matéria escura interage minimamente com a matéria regular, os axions devem viajar diretamente através da placa de metal.

    Claro, o problema é então detectar os áxions do outro lado: como eles são minimamente interativos, atualmente não há como detectá-los diretamente. Portanto, o feixe é então passado por outro campo magnético que converteria quaisquer axions de volta em fótons detectáveis.

    O experimento também foi projetado para testar o primo menos conhecido, mas mais prevalente da matéria escura, a energia escura. Um modelo físico conhecido como Modelo de Campo Escalar Quintessência prevê uma forma de energia escura que se manifesta na forma de "partículas camaleônicas". Essas partículas mudam suas propriedades de acordo com seu ambiente, ganhando massa quando em torno de outros objetos massivos. O experimento é montado de forma a permitir a formação de tais partículas, mas, em seguida, prendê-las em um tubo de vácuo entre duas janelas de vidro. Sempre que a partícula se aproximava do vidro, ela ganhava massa demais para passar. Ao saltar entre as duas janelas, as partículas criariam um brilho residual, que estaria presente minutos a horas após o laser ser desligado.

    Essas observações forneceriam fortes evidências da existência de matéria escura e energia, e esses experimentos são os primeiros exemplos do uso de uma fonte de luz de alta intensidade em experimentos de física de partículas.

    Construindo o Big Bang

    Em nenhum lugar as esperanças são maiores do que em Genebra, Suíça, onde o Grande Colisor de Hádrons do CERN foi ativado. O LHC, como é conhecido em todo o mundo, é o maior e mais poderoso acelerador de partículas já construído.

    Muitos físicos esperam que, quando o LHC funcionar com potência total pela primeira vez, as colisões resultantes abrirão janelas inteiramente novas para regiões inexploradas da física de partículas. As teorias atuais sobre a formação do universo postulam que, nos momentos imediatamente após o Big Bang, o universo em rápida expansão foi preenchido com partículas extremamente maciças, que rapidamente decaíram em partículas menos massivas e mais estáveis. Enquanto uma porção significativa decaiu em matéria luminosa, a maioria decaiu em matéria escura. Portanto, para criar a matéria escura, seria necessário criar condições semelhantes às presentes imediatamente após o Big Bang.

    O LHC foi projetado para isso. Ao esmagar bilhões de prótons juntos a uma energia de 14 trilhões de elétron-volts, o LHC criará uma matriz astronomicamente grande de partículas diferentes, cujos caminhos distintos serão traçados por detectores capazes de registrar 600 milhões de colisões por segundo.

    Além de revelar famílias inteiramente novas de partículas, os dados do LHC têm o potencial de explicar as propriedades fundamentais do nosso universo, incluindo por que os objetos têm massa e se existe ou não matéria escura. O professor Baker e o professor Paul Tipton, do Departamento de Física de Yale, estão atualmente dirigindo projetos como parte do experimento ATLAS no LHC que visam investigar a matéria escura.

    Os detectores de experimentos ATLAS. Imagens cortesia do banco de dados de imagens ATLAS: https://cdsweb.cern.ch/collection/ATLAS. As muitas camadas de detectores do ATLAS.

    O problema é que uma partícula de matéria escura seria impossível de detectar diretamente por qualquer meio conhecido. Portanto, Tipton está procurando por anomalias nos dados que indicam a criação de uma partícula invisível. Although a dark matter particle is minimally interactive, it still obeys fundamental physical laws such as the conservation of momentum. Data indicating that energy and momentum have not been conserved would suggest that unde­tected particles have been created. If Tipton and his colleagues see this more frequently than expected, we would suddenly have strong evidence that dark matter exists.

    Nevertheless, “the full solution will have to come from a two-pronged approach,” explains Tipton. “If we see dark matter particles at the LHC, we’re then going to have to observe them directly in the lab to try to confirm their mass and their inter­action strength and measure their other properties.”

    The first event seen at ATLAS. It is a “splash event” – a first test. A three-dimensional rendering of the same “splash” event. A simulation of a collision at ATLAS producing supersymmetric particles. There is a clearly visible lack of energy conservation in the plane transverse to the beam – a clear indication that un-detected particles have been created.

    Panning for Particles

    Although one of the main goals of the LHC is to create dark matter particles, the detectors will not be able to prove that what they have recorded is actually dark matter. In order to truly confirm its existence, the particles must be observed in a lab under controlled conditions which allow their properties to be measured. Dan McKinsey, Yale Associate Professor of Physics, is doing just this.

    Since dark matter particles are so mini­mally interactive, collisions that involve them are extremely rare. Additionally, any detector searching for an interaction between a dark matter particle and an ordi­nary matter particle would be completely corrupted by the amount of background radiation present in the universe. Therefore, any experiment detecting dark matter must be highly sen­sitive, deep underground, and heavily shielded from radiation. Many of McK­insey’s investigations are modeled from experi­ments crafted in the 1950’s to verify the existence of neutrinos, another mini­mally-interactive particle.

    McKinsey’s primary research venture, entitled Project LUX, is a scaled up version of earlier neutrino detectors, located deep within the former Home­stake gold mine in South Dakota. LUX is essentially a closed tank of liquid xenon surrounded by light sensors. When a dark matter particle encounters the liquid xenon, the particle will hit a xenon molecule and will release energy that can then be recorded by the extremely sensitive detectors around the fluid.

    The large size of LUX will be integral to its success in addition to being beneath miles of solid rock, the outermost xenon will shield the innermost xenon from back­ground radiation. If a collision is seen deep within the detector, it is highly likely that it was caused by a dark matter particle. McK­insey is involved in a number of similar experiments in underground laboratories around the United States.

    “There are a lot of theories that we’re going to see dark matter particles in our detector,” said McKinsey in a recent inter­view. “The real challenge is making sure that the background radiation is low enough that we’re sensitive to these dark matter candidates. Since these particles are lower energy that neutrinos, our equipment has to be vastly more sensitive.”

    A schematic of Project LUX. A detail of the Project LUX detector.

    Finding the Hidden Valley

    Tipton, Baker, Geha and McKinsey are each using diverse techniques to study various aspects of dark matter from the perspective of different fields. Yet they have one thing in common: all four scientists are extremely optimistic that the existence of dark matter will soon be confirmed. “It’s like coming over a hill and looking over a valley we’ve never seen before,” said Tipton, speaking of the LHC. “The valley might be populated with what we’ve predicted or it might be filled with lots of various features we’ve never before encountered. But to not find anything would be very, very unlikely. I think there are many things which point to something here.”

    The impact of such a discovery cannot be underestimated. Both McKinsey and Baker went so far as to compare the dis­covery of dark matter to the Copernican Revolution. “All of the major scientific revolutions that have come about,” said Baker recently, “deal with maybe 5 percent of the universe. But the vast majority of the universe is made up of dark matter and dark energy – it would be naive to focus on only a small part. That’s what’s most exciting to me. If we could observe dark matter in a lab environment, if we could bring it down to our level, it would be a revolution in our understanding of the universe.”

    About the Author
    SAM BRICKMAN RAREDON is a junior in Timothy Dwight College. A Biomedical Engineering and History of Art double major, he is very interested in the intersections among the sciences.

    Acknowledgements
    The author would like to thank Professor Marla Geha, Professor Oliver Baker, Pro­fessor Daniel McKinsey, and Professor Paul Tipton for their time and patience in answering all of his questions. He wishes them great luck in their continued research.


    The universe bristles with structure on all scales. But really, it is all just punctuated nothingness. (Image courtesy of Cryhavoc) Lately, I’ve been thinking a lot about nothing. Not just because focusing on nothing is a helpful, meditative antidote to obsessing over the recent barrage of anxiety-inducing news, but also because nothing is the most common thing in nature. After all, the overwhelming majority of the universe is not stars and planets it is empty space. But empty space is not really truly completely empty. That’s what makes nothing interesting: Some places have a lot more of nothing than others, and even the emptiest places—the ones with the most nothing, you might say—still contain something. In fact, trying to figure out the nature of that something is one of the biggest unsolved issues in science. Sorry. It does all start to sound rather mad after a while. I'll back up and do some some explaining. What started me down this path was a question on the site Quora: “If I went up into space, opened a jar for a few seconds, put the lid on tightly, and then came back down to my kitchen, what would be in the jar?” It’s a great thought experiment. Take a jar-size sample of different parts of the universe. What would you find inside it? To simplify things, let’s make the "jar" a one-liter soda bottle. That’s a familiar standard size, and one that converts easily to other units. It’s 1,000 cubic centimeters, or 1/1,000 ^th of a cubic meter, or more Pepsi than anyone should drink in one day. Now let’s start to break down the question. What’s inside a one-liter volume of “empty” space? The answer varies enormously depending on where you are. Space around low-Earth orbit is a lot different than space in some random spot between the planets, which is a lot different than the space between galaxies. To come up with a truly universal answer, I'll do the only sensible thing and look at the universe as a whole—that is, the average density of everything we can see. If you average out the entire cosmos, there is a total mass density of 9.9 x 10 ^-30 grams per cubic centimeter, which is equivalent to 5.9 protons per cubic meter. Note that I was describing mass density, however, not particle density. According to the latest data from the Planck satellite, only 4.8 percent of that density consists of ordinary matter, mostly hydrogen nuclei (protons). On average, then, there is 0.3 atoms per cubic meter of space. Put in more normal terms, if you marked out a random cubic meter of empty universe, there’s a 2 out of 3 chance you would have no atoms in it. Within your one-liter bottle, you have an average of 0.0003 atoms, which is to say that there's about a 2,999 out of 3,000 chance that your bottle is atom-free.

    Better cork that bottle really quick. You don't want any of the universe to get out. Then comes the dark stuff, the invisible entities that account for the other 95.2 percent of the cosmic mass density. First off, there is dark matter. We have no idea what it is. The standard theory is that it is some kind of undiscovered particle, but there are more exotic possibilities, including new kinds of fields that modify the force of gravity. According to the current interpretation, 25.8 percent of the matter density is dark…stuff. Since we know nothing about the mass of dark-matter particles (assuming they really do exist), all we can say is that, on average, you’d have about 2.6 x 10 ^-27 grams of dark something-or-other in your bottle. Next up, dark energy. Remember when I just told you we don’t know what dark matter is? Well, we really don’t know what dark energy is. The only thing we know is that there is some kind of energy smeared through empty space astronomers can tell it's there, because the energy is pushing the universe apart, causing the cosmic expansion to accelerate. Weirdly, we don’t know what it is but we have a very accurate measurement of how much of it there is: 69.4 percent of the total density of the universe. (Energy and mass are equivalent, following the equation e=mc ^2 , and there is so much dark energy that it "outweighs” all of the matter.) That means you’d have about 6.9 x 10 ^-27 grams of dark energy lurking in your bottle. But wait—there’s more! The universe is not just matter and mass. There are also particles of light and other forms of electromagnetic radiation, collectively known as photons. A lot of them, in fact. There are about 450 photons per cubic centimeter, or 450,000 of them in your bottle. I found that amazing when I crunched the numbers. Odds are, you don’t have even a single atom in your bottle, but you have nearly half a million photons. Even more amazing, most of those photons do not come from starlight. The overwhelming majority of the photons in the universe come from the cosmic microwave background—radiation left over from the Big Bang, 13.8 billion years ago. Despite their abundance, the amount of energy the microwave photons contribute is tiny. Add them all up and they are the equivalent of just 1/1,000 ^th the mass of the atoms. We still have one more component to go, another weird one. The universe is full of neutrinos, near-inert and near-massless particles that effortlessly penetrate ordinary matter. There’s quite a blast of them streaming from the sun about 100 trillion of them pass through you every second. Take the big cosmic average again and there are about 330 neutrinos per cubic centimeter, or 330,000 of them in your bottle. Physicists have not yet been able to pin down the exact mass of those neutrinos. All we know for sure is that their total combined mass is very small, so small that it does not noticeably affect any of the observable properties of galaxies and the large-scale structure of the universe. So that is the bit of universe in your one-liter jar: a bunch of photons and neutrinos that hardly add up to anything, a schmear of dark energy, an unknown smattering of dark matter, and probably no atoms at all. That’s just the average of the entire visible universe, however. What if we come closer to home? Our crowded cosmic corner Dark energy is (probably) the same everywhere, so there's no need to recalculate. The density of dark matter close to Earth is very difficult to measure I'll ignore it here, too. But the matter density increases like crazy when you get closer to home. The space between the planets is filled with the solar wind, a steady flow of particles (mostly more protons—the universe really likes protons). At Earth’s distance from the sun, the density of the solar wind is 9 protons per cubic centimeter, or 9,000 of them in your 1-liter bottle. Even ignoring interplanetary dust, the “empty” space around Earth’s orbit has 25 million times the matter density of the average universe. Come to low-Earth orbit and things get a whole lot more crowded. At an altitude of 400 kilometers (about 240 miles), where the International Space Station orbits, there is still a lot of wispy atmosphere blowing around. The matter density there varies quite a bit, but it is on the order of 10 quadrillion times the cosmic average. When you see photos of astronauts doing a spacewalk in orbit, it sure looks like they are floating around in a vacuum. By cosmic standards, though, they are plowing through a veritable fusillade of atmospheric atoms. The non-vacuum up there is dense enough, in fact, that atmospheric drag keeps pulling the station down, requiring regular orbital boosts. It’s all relative. Return to sea level where you are now, more or less, and you need to recalibrate significantly again. The density of Earth’s atmosphere at the ground is about 0.0012 grams per cubic centimeter. That is a factor of a trillion higher than what it is in low-Earth orbit. More to the point, it is 2 x 10 ^27 times the average matter density of the universe. You could call that two octillion, or you could write it out: You are breathing a bit of universe that has been concentrated by a factor of 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000. Your body is another factor of 1,000 denser still. The extreme dynamic range of density is what gives the universe order. The exceedingly low density out there, between the galaxies, is what makes space transparent, allowing us to see nearly all the way to the outer limits of cosmic expansion. The staggeringly high density down here is what concentrates enough matter and energy to make life possible. And the organizing factor that gave rise to those the vastly varying structures is simplicity itself. It is just the pull of gravity, slowly but relentlessly amplifying little lumps and clumps. Give gravity enough time and those clumps turn into planets, atmospheres, and eventually people. Follow me on Twitter for the latest science news and discoveries : @coreyspowell

    The history of the universe is fundamentally about gravity creating dense patches of matter surrounded by enormous rarefied voids. (Credit: ESA)


    This Is How Galaxy Cluster Collisions Prove The Existence Of Dark Matter

    Dark matter — despite the enormous indirect evidence for it — sounds like a colossal misunderstanding.

    all require masses that don’t interact electromagnetically.

    However, a longstanding alternative suggests modifying gravity could explain them without dark matter.

    In 2005, a team of astronomers devised a clever test to investigate dark matter’s existence.

    When two galaxy clusters collide — a cosmically rare but important event — its internal components behave differently.

    The intergalactic gas must collide, slow, and heat up, creating shocks and emitting X-rays.

    If there were no dark matter, this gas, comprising the majority of normal matter, should be the primary source of gravitational lensing.

    Instead, gravitational lensing maps indicate that most of the mass is displaced from the normal matter.

    This remains true for every set of post-collisional X-ray clusters ever measured.

    Only if gravity is non-local, or gravitating where the matter isn’t, could the Universe not contain dark matter.

    But in pre-merger clusters, we clearly see that gravity is local: matter and gravity line up.

    Colliding clusters cannot obey different gravitational rules from non-colliding ones.

    Inescapably, dark matter must therefore exist.

    Mostly Mute Monday tells an astronomical story in images, visuals, and no more than 200 words. Talk less smile more.


    NASA Joins New Euclid Dark Energy Mission

    Telescope designed to investigate dark matter

    ABOVE VIDEO: Euclid is an ESA survey mission to investigate the nature of dark matter and dark energy. It was selected for implementation as a Medium-class mission in ESA’s Cosmic Vision programme in October 2011 and formally adopted in June 2012. The mission will be launched in 2020. (slatester)

    BREVARD COUNTY • KENNEDY SPACE CENTER, FLORIDA – NASA has joined the European Space Agency’s (ESA’s) Euclid mission, a space telescope designed to investigate the cosmological mysteries of dark matter and dark energy.

    This artist’s concept shows the Euclid spacecraft. The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. (Image courtesy of ESA/C. Carreau)

    Euclid will launch in 2020 and spend six years mapping the locations and measuring the shapes of as many as 2 billion galaxies spread over more than one-third of the sky.

    It will study the evolution of our universe, and the dark matter and dark energy that influence its evolution in ways that still are poorly understood.

    The telescope will launch to an orbit around the sun-Earth Lagrange point L2. The Lagrange point is a location where the gravitational pull of two large masses, the sun and Earth in this case, precisely equals the force required for a small object, such as the Euclid spacecraft, to maintain a relatively stationary position behind Earth as seen from the sun.

    “NASA is very proud to contribute to ESA’s mission to understand one of the greatest science mysteries of our time,” said John Grunsfeld, associate administrator for NASA’s Science Mission Directorate at the agency’s Headquarters in Washington.

    LONG HISTORY OF COOPERATION

    NASA and ESA recently signed an agreement outlining NASA’s role in the project. NASA will contribute 16 state-of-the-art infrared detectors and four spare detectors for one of two science instruments planned for Euclid.

    “ESA’s Euclid mission is designed to probe one of the most fundamental questions in modern cosmology, and we welcome NASA’s contribution to this important endeavor, the most recent in a long history of cooperation in space science between our two agencies,” said Alvaro Giménez, ESA’s Director of Science and Robotic Exploration.

    In addition, NASA has nominated three U.S. science teams totaling 40 new members for the Euclid Consortium. This is in addition to 14 U.S. scientists already supporting the mission. The Euclid Consortium is an international body of 1,000 members who will oversee development of the instruments, manage science operations and analyze data.

    The Euclid space telescope will conduct its surveys 1.5 million kilometers from Earth on its “night side” (Image courtesy of ESA/C.Carreau)

    Euclid will map the dark matter in the universe. Matter as we know it — the atoms that make up the human body, for example — is a fraction of the total matter in the universe. The rest, about 85 percent, is dark matter consisting of particles of an unknown type. Dark matter first was postulated in 1932, but still has not been detected directly. It is called dark matter because it does not interact with light. Dark matter interacts with ordinary matter through gravity and binds galaxies together like an invisible glue.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    While dark matter pulls matter together, dark energy pushes the universe apart at ever-increasing speeds. In terms of the total mass-energy content of the universe, dark energy dominates. Even less is known about dark energy than dark matter.

    CLUES ABOUT EVOLUTION AND FATE OF THE COSMOS

    The Euclid spacecraft will use two techniques to study the dark universe, both involving precise measurements of galaxies billions of light-years away. The observations will yield the best measurements yet of how the acceleration of the universe has changed over time, providing new clues about the evolution and fate of the cosmos.

    Euclid is an ESA mission with science instruments provided by a consortia of European institutes and with important participation from NASA.


    How Was the Universe Created?

    We are inching closer to piecing together the earliest moments of the universe, but its true origin is still a mystery. “Any theories or models of ‘creation’ are incredibly speculative at this point,” Paul Sutter, an astrophysicist at Ohio State University and chief scientist at the Center of Science and Industry, tells Futurism.

    Perhaps the best-known theory about the beginning of the universe is the Big Bang theory, in which the universe expanded from an extremely hot and dense singularity around 13.8 billion years ago. But people misunderstand if they think that matter simply exploded into being from nothing, Sutter says. “The Big Bang happened everywhere in the universe simultaneously it’s not an explosion in space but an explosion do space.” Yet, the exact process of what caused this (and of course, what was there beforehand) remains unknown.

    “The earlier we go in the history of the universe, the less we understand,” Sutter says. While we have caught brief glimpses of the universe when it was only 300,000 years old, scientists are still speculating about the extreme forces at play during the universe’s first moments.

    Advertisement

    Advertisement

    Like all good mysteries, a question that seems simple yields more questions that must be solved before we can find the answer to the initial question. “We’re prevented from knowing the very earliest moments (like, less than 10^-40 seconds) because we don’t fully comprehend the quantum aspects of gravity,” Sutter says.

    To this end, to fully understand the creation of our universe, we will need to have a comprehensive understanding of the laws of physics that govern matter and antimatter. This is a bit of a problem, as CERN recently confirmed that the Standard Model of particle physics may have to be turned on its head, as it doesn’t account for the majority of the matter the Big Bang produced.

    Once we have fully understood the nature of antimatter and how it interacts with matter, we won’t have a final answer to the origin of the universe, but we will come much closer to understanding how it came to be.


    Slow burn

    This expansion would slow down the rate at which the star burns energy, and cause the star to appear redder than its mass would suggest. If the stars were relatively puny – roughly the mass of the Sun, they could accumulate enough dark matter to extend their lives by a billion years or so.

    Previously, astronomers had theorised that dark matter could brighten white dwarf stars, stellar embers that have stopped undergoing nuclear fusion. And other studies had suggested that dark matter may have stunted the growth of the universe’s first stars, possibly allowing them to survive to the present day.

    But this new study boasts the most detailed calculations yet of how ordinary stars might capture WIMPs, says Fabio Iocco of the National Institute for Astrophysics in Firenze, Italy.

    If such stars exist and astronomers can peer through the intervening gas and dust in the Milky Way to find them, they could provide the first direct evidence of dark matter, says Igor Moskalenko of Stanford University in California.

    “If there is even a single star with the predicted properties found there, it will be direct evidence that astrophysical dark matter consists of WIMPs and not something else – a major breakthrough,” Moskalenko told New Scientist.


    Controversy over the use of Roman ingots to investigate dark matter and neutrinos

    Bou Ferrer shipwreck with roman lead ingots. Credit: De Juan / D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The properties of these lead bricks recovered from ancient shipwrecks are ideal for experiments in particle physics. Scientists from the CDMS dark matter detection project in Minnesota (USA) and from the CUORE neutrino observatory at the Gran Sasso Laboratory in Italy have begun to use them, but archaeologists have raised alarm about the destruction and trading of cultural heritage that lies behind this. The journal Ciência has expressed this dilemma formulated by two Spanish researchers in the United Kingdom.

    Two thousand years ago, a Roman vessel with ingots of lead extracted from the Sierra of Cartagena sank across the waters from the coast of Sardinia. Since 2011, more than a hundred of these ingots have been used to build the 'Cryogenic Underground Observatory for Rare Events' (CUORE), an advanced detector of neutrinos – almost weightless subatomic particles – at the Gran Sasso National Laboratory in Italy.

    In the 18th century, another ship loaded with lead ingots was wrecked on the French coast. A company of treasure hunters retrieved this material and, despite problems with French authorities, managed to sell it to the Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) team. This detector located in a mine in Minnesota (USA) looks for signs of the enigmatic dark matter, which is believed to constitute a quarter of the universe.

    These two examples have served as reference for the discussion that two researchers have opened between archaeologists, worried by the destruction of underwater cultural heritage, and particle physicists, pleased to have found a unique material for research on neutrinos and dark matter.

    As Elena Perez-Alvaro explains to SINC from the University of Birmingham: "Roman lead is essential for conducting these experiments because it offers purity and such low levels of radioactivity – all the more so the longer it has spent underwater – which current methods for producing this metal cannot reach."

    Bou Ferrer shipwreck - a roman lead ingot. Credit: De Juan/D. G. de Cultura - Generalitat Valenciana

    The two researchers have published a study in the journal 'Rosetta', also commented upon this month in Ciência, which poses a dilemma: Should we sacrifice part of our cultural heritage in order to achieve greater knowledge of the universe and the origin of humankind? Should we yield part of our past to discover more about our future?

    "Underwater archaeologists see destruction of heritage as a loss of our past, our history, whilst physicists support basic research to look for answers we do not yet have," remarks Perez-Alvaro, "although this has led to situations in which, for example, private companies like Odyssey trade lead recovered from sunken ships." This is the company that had to return the treasure of the frigate Nuestra Señora de las Mercedes to Spain.

    Dialogue between underwater archaeologists and particle physicists

    The underwater archaeologist and the physicist are encouraging dialogue between both collectives, as well as developing legislation that regulates these kinds of activities, without limiting them exclusively to archaeologists, and including scientists. "Recovery for knowledge in both fields, and not merely for commercial reasons," the scientists stress.

    The jury is still out. In the case of the CUORE detector, for example, in principle the lead from the least well-preserved Roman ingots is used, although their inscriptions are cut and preserved. Some archaeologists also suggests that there are other pieces of valuable metal, such as anchor stocks, rings or tackles for fishing that we should assess whether or not to "sacrifice for science". The problem is that they are protected by UNESCO's 2001 Convention on the protection of underwater cultural heritage if they have been under water more than 10 years and the 2003 Convention for safeguarding intangible cultural heritage.

    Regarding the habitual use that Romans made of these ingots, Pérez Álvaro points out that there are many theories, "but they were generally used as water-resistant material for pipes, water tanks or roofs, but also in the manufacture of arms and ammunition."

    A special case are the large lead bricks recovered from the largest Roman ship of the excavation of the Mediterranean, the wreck of the Bou Ferrer, which sunk very close to the port of La Vila Joiosa (Alicante). A series of engravings (IMP. GER. AVG) enable specialists to determine that their owner was the Emperor of Rome himself, probably Caligula, Claudius or Nero.