Въпросът за произхода на Вселената, нейното минало и бъдеще тревожи хората от незапомнени времена. В продължение на много векове са възниквали и опровергавани теории, предлагащи картина на света въз основа на известни данни. Голям шок за научен святбеше теорията на относителността на Айнщайн. Тя също има огромен принос за разбирането на процесите, които формират Вселената. Теорията на относителността обаче не може да претендира за крайната истина, която не изисква никакви допълнения. Подобряването на технологиите позволи на астрономите да направят немислими преди открития, които изискваха нова теоретична база или значително разширяване на съществуващите разпоредби. Едно такова явление е тъмната материя. Но на първо място.
Неща от отминали дни
За да разберем термина "тъмна материя", нека се върнем в началото на миналия век. По това време доминира идеята за Вселената като неподвижна структура. Междувременно общата теория на относителността (ОТО) предполага, че рано или късно ще доведе до „слепване“ на всички космически обекти в една топка, ще настъпи така нареченият гравитационен колапс. Между космическите тела няма сили на отблъскване. Взаимното привличане се компенсира центробежни силисъздаване постоянно движениезвезди, планети и други тела. По този начин се поддържа равновесието на системата.
За да предотврати теоретичния колапс на Вселената, Айнщайн въвежда - величина, която привежда системата в необходимото стационарно състояние, но в същото време тя всъщност е измислена, без видими основания.
Разширяваща се Вселена
Изчисленията и откритията на Фридман и Хъбъл показаха, че няма нужда да се нарушават хармоничните уравнения на общата теория на относителността с помощта на нова константа. Доказано е, а днес този факт практически не подлежи на съмнение, че Вселената се разширява, някога е имала начало и не може да се говори за стационарност. По-нататъшното развитие на космологията доведе до появата на теорията за големия взрив. Основното потвърждение на новите предположения е наблюдаваното увеличаване на разстоянието между галактиките с времето. Това е измерване на скоростта на отстраняване един от друг на съседни космически системии доведе до формирането на хипотезата, че има тъмна материя и тъмна енергия.
Данните не съответстват на теорията
Фриц Цвики през 1931 г., а след това Ян Оорт през 1932 г. и през 60-те години на миналия век бяха заети с изчисляването на масата на веществото на галактиките в отдалечен клъстер и съотношението й със скоростта на тяхното отдалечаване една от друга. От време на време учените стигаха до едни и същи заключения: това количество материя не е достатъчно за гравитацията, която създава, за да държи заедно галактиките, движещи се с толкова високи скорости. Цвики и Оорт предполагат, че има скрита маса, тъмната материя на Вселената, която не позволява на космическите обекти да се разпръснат в различни страни.
Хипотезата обаче беше призната от научния свят едва през седемдесетте години, след обявяването на резултатите от работата на Вера Рубин.
Тя изгради криви на въртене, които ясно демонстрират зависимостта на скоростта на движение на материята на галактиката от разстоянието, което я отделя от центъра на системата. Противно на теоретичните предположения се оказа, че скоростите на звездите не намаляват с отдалечаването им от галактическия център, а се увеличават. Подобно поведение на светилата може да се обясни само с наличието на ореол в галактиката, който е изпълнен с тъмна материя. По този начин астрономията е изправена пред напълно неизследвана част от Вселената.
Свойства и състав
Нарича се тъмен, защото не се вижда от никого съществуващи начини. Неговото присъствие се разпознава по косвен признак: тъмната материя създава гравитационно поле, като същевременно не излъчва изцяло електромагнитни вълни.
Най-важната задача, която възникна пред учените, беше да получат отговор на въпроса от какво се състои тази материя. Астрофизиците се опитаха да го "напълнят" с обичайната барионна материя (барионната материя се състои от повече или по-малко проучени протони, неутрони и електрони). Тъмният ореол на галактиките включваше компактни, слабо излъчващи звезди и огромни планети, близки по маса до Юпитер. Тези предположения обаче не издържаха на проверка. Следователно барионната материя, позната и известна, не може да играе значителна роля в скритата маса на галактиките.
Днес физиката се занимава с търсене на неизвестни компоненти. Практическите изследвания на учените се основават на теорията за суперсиметрията на микрокосмоса, според която за всеки позната частицаима суперсиметрична двойка. Това са тези, които изграждат тъмната материя. Въпреки това, доказателства за съществуването подобни частицидосега не е било възможно да се получи, може би това е въпрос на близко бъдеще.
тъмна енергия
Откриването на нов вид материя не сложи край на изненадите, които Вселената подготви за учените. През 1998 г. астрофизиците имаха още един шанс да сравнят данните на теориите с фактите. Тази година беше белязана от експлозия в една далечна от нас галактика.
Астрономите измериха разстоянието до него и бяха изключително изненадани от получените данни: звездата пламна много по-далеч, отколкото трябваше да бъде според съществуващата теория. Оказа се, че той се увеличава с времето: сега е много по-висок, отколкото преди 14 милиарда години, когато се предполага, че е станал големият взрив.
Както знаете, за да се ускори движението на тялото, то трябва да пренесе енергия. Силата, която кара вселената да се разширява по-бързо, се нарича тъмна енергия. Това е не по-малко мистериозна част от космоса от тъмната материя. Известно е само, че той се характеризира с равномерно разпространение във Вселената и въздействието му може да бъде регистрирано само на огромни космически разстояния.
И отново космологичната константа
Тъмната енергия разтърси теорията за големия взрив. Част от научния свят е скептичен относно възможността за такова вещество и предизвиканото от него ускоряване на разширяването. Някои астрофизици се опитват да възродят забравената космологична константа на Айнщайн, която отново от категорията на голяма научна грешка може да влезе в числото на работните хипотези. Присъствието му в уравненията създава антигравитация, което води до ускоряване на разширяването. Някои последствия от наличието на космологичната константа обаче не са в съответствие с данните от наблюденията.
Днес тъмната материя и тъмната енергия, които съставляват по-голямата част от материята във Вселената, са мистерии за учените. Няма еднозначен отговор на въпроса за тяхната природа. Освен това може и да не е така последната тайнакоето пази пространство от нас. Тъмната материя и енергия може да се превърнат в прага на нови открития, които могат да преобърнат нашето разбиране за структурата на Вселената.
Терминът "тъмна материя" (или скрита маса) се използва в различни областинауки: в космологията, астрономията, физиката. Това е заза хипотетичен обект - форма на съдържанието на пространството и времето, която директно взаимодейства с електромагнитното излъчване и не го пропуска през себе си.
Тъмна материя - какво е това?
От незапомнени времена хората са били загрижени за произхода на Вселената и процесите, които я формират. В ерата на технологиите са направени важни открития, като теоретичната база е значително разширена. През 1922 г. британският физик Джеймс Джийнс и холандският астроном Якобус Каптейн откриват, че повечето отгалактическата материя не се вижда. Тогава за първи път е наименуван терминът тъмна материя - това е вещество, което не може да се види от никой от познати на човечествотоначини. Наличието на мистериозна субстанция се издава чрез косвени признаци - гравитационно поле, гравитация.
Тъмната материя в астрономията и космологията
Като приемеха, че всички обекти и части във Вселената се привличат един към друг, астрономите успяха да намерят масата на видимото пространство. Но се установи несъответствие в реалното и прогнозираното тегло. И учените са открили, че има невидима маса, която представлява до 95% от цялата неизвестна същност във Вселената. Тъмната материя в космоса има следните характеристики:
- повлиян от гравитацията
- засяга други космически обекти,
- малко взаимодействие с реалния свят.
Тъмна материя - философия
Особено място заема тъмната материя във философията. Тази наука се занимава с изучаването на световния ред, основите на битието, системата от видими и невидими светове. Определена субстанция беше взета като основен принцип, определен от пространството, времето и факторите на околната среда. Открита много по-късно, мистериозната тъмна материя на космоса промени разбирането за света, неговата структура и еволюция. AT философски смисълнепозната субстанция, като съсирек от пространствена и времева енергия, присъства във всеки от нас, следователно хората са смъртни, защото се състоят от време, което има край.
За какво е тъмната материя?
само малка част космически обекти(планети, звезди и др.) - видима материя. По стандартите на различни учени тъмната енергия и тъмната материя заемат почти цялото пространство в Космоса. Първият представлява 21-24%, докато енергията заема 72%. Всяко вещество с неясна физическа природа има свои собствени функции:
- Черната енергия, която не абсорбира и не излъчва светлина, отблъсква обектите, карайки вселената да се разширява.
- Галактиките са изградени на базата на скритата маса, нейната сила привлича обекти в космоса, задържа ги на местата им. Тоест забавя разширяването на Вселената.
От какво се състои тъмната материя?
тъмна материя в слънчева система- това е нещо, което не може да се пипне, разгледа и проучи задълбочено. Поради това се излагат няколко хипотези относно неговата природа и състав:
- Не известни на наукатачастиците, участващи в гравитацията, са компонент на това вещество. Невъзможно е да ги откриете с телескоп.
- Феноменът представлява група от малки черни дупки (не по-големи от луната).
Възможно е да се разграничат два вида скрита маса, в зависимост от скоростта на нейните съставни частици, плътността на тяхното натрупване.
- Горещо. Не е достатъчно за образуването на галактики.
- Студ. Състои се от бавни, масивни съсиреци. Тези компоненти могат да бъдат известни на науката аксиони и бозони.
Съществува ли тъмна материя?
Всички опити за измерване на обекти с неизследвана физическа природа не са успешни. През 2012 г. беше изследвано движението на 400 звезди около Слънцето, но наличието на скрита материя в големи обемине е доказано. Дори ако тъмната материя не съществува в действителност, тя съществува на теория. С негова помощ се обяснява разположението на обектите на Вселената на техните места. Някои учени откриват доказателства за съществуването на скрита космическа маса. Неговото присъствие във Вселената обяснява факта, че клъстерите от галактики не се разпръскват в различни посоки и не се слепват.
Тъмна материя - интересни факти
Природата на скритата маса остава загадка, но продължава да интересува научните умове по света. Редовно се провеждат експерименти, с помощта на които се опитват да изследват самото вещество и неговите странични ефекти. А фактите за нея продължават да се множат. Например:
- Всепризнатият голям адронен колайдер, най-мощният ускорител на частици в света, работи на висока мощност, за да разкрие съществуването на невидима материя в космоса. Световната общественост очаква с интерес резултатите.
- Японски учени създават първата в света карта на скрита маса в космоса. Планира се да бъде завършен до 2019 г.
- Наскоро теоретичният физик Лиза Рандал предположи, че тъмната материя и динозаврите са свързани. Това вещество изпрати комета на Земята, която унищожи живота на планетата.
Компонентите на нашата галактика и цялата Вселена са светла и тъмна материя, тоест видими и невидими обекти. Ако с изучаването на първия модерна технологиясе справя, методите непрекъснато се подобряват, тогава е много проблематично да се изследват скрити вещества. Човечеството все още не е разбрало този феномен. Невидимата, неосезаема, но вездесъща тъмна материя е била и остава една от основните мистерии на Вселената.
Статии от цикъла, разгледахме структурата на видимата вселена. Говорихме за неговата структура и частиците, които образуват тази структура. За играта на нуклони водеща роля, тъй като именно от тях се състои цялата видима материя. За фотони, електрони, неутрино, както и вторични актьори, участващи в универсалното представление, което се развива 14 милиарда години след Големия взрив. Изглежда, че няма какво повече да се говори. Но не е. Факт е, че субстанцията, която виждаме, е само малка част от това, от което се състои нашият свят. Всичко останало е нещо, за което не знаем почти нищо. Това мистериозно "нещо" се нарича тъмна материя.
Ако сенките на обектите не зависеха от величината на последните,
но биха имали собствен произволен растеж, тогава, може би,
скоро изобщо нямаше да останат Глобусътняма светли петна.
Козма Прутков
Какво ще се случи с нашия свят?
След откриването през 1929 г. от Едуард Хъбъл на червеното отместване в спектрите на далечни галактики става ясно, че Вселената се разширява. Един от въпросите, които възникнаха в тази връзка, беше следният: колко дълго ще продължи експанзията и как ще завърши? Силите на гравитационно привличане, действащи между отделни части на Вселената, са склонни да забавят бягството на тези части. До какво забавяне ще доведе зависи от общата маса на Вселената. Ако е достатъчно голям, силите на гравитацията постепенно ще спрат разширяването и то ще бъде заменено от свиване. В резултат на това Вселената в крайна сметка ще се „срути“ отново до точката, от която някога е започнала да се разширява. Ако масата е по-малка от някаква критична маса, тогава разширяването ще продължи вечно. Обикновено е обичайно да се говори не за маса, а за плътност, която е свързана с масата чрез проста връзка, известна от училищен курс: Плътността е масата, разделена на обема.
Изчислената стойност на критичната средна плътност на Вселената е приблизително 10 -29 грама на кубичен сантиметър, което съответства на средно пет нуклона на кубичен метър. Трябва да се подчертае, че говорим за средна плътност. Характерната концентрация на нуклони във водата, земята и в нас е около 10 30 на кубичен метър. Но в празнотата, която разделя клъстери от галактики и заема лъвския дял от обема на Вселената, плътността е с десет порядъка по-ниска. Стойността на нуклонната концентрация, осреднена за целия обем на Вселената, беше измерена десетки и стотици пъти, внимателно преброяване различни методиброй звезди и облаци газ и прах. Резултатите от такива измервания се различават донякъде, но качественият извод остава същият: стойността на плътността на Вселената едва достига няколко процента от критичната стойност.
Следователно до 70-те години на XX век общоприетата прогноза беше вечното разширяване на нашия свят, което неизбежно трябва да доведе до така наречената топлинна смърт. Топлинната смърт е състояние на система, когато веществото в нея е разпределено равномерно и различните й части имат еднаква температура. В резултат на това не е възможно нито прехвърлянето на енергия от една част на системата към друга, нито преразпределението на материята. В такава система нищо не се случва и никога не може да се повтори. Ясна аналогия е водата, разлята върху повърхност. Ако повърхността е неравна и има поне леки разлики в надморската височина, водата се движи по нея от по-високи места към по-ниски места и накрая се събира в низините, образувайки локви. Движението спира. Единствената утеха беше, че топлинната смърт щеше да настъпи след десетки и стотици милиарди години. Следователно човек не може да мисли за тази мрачна перспектива много, много дълго време.
Постепенно обаче стана ясно, че истинската маса на Вселената е много по-голяма от видимата маса, съдържаща се в звездите и облаците газ и прах, и най-вероятно е близо до критичната. И може би точно равен на него.
Доказателство за съществуването на тъмна материя
Първите индикации, че нещо не е наред с изчисляването на масата на Вселената, се появяват в средата на 30-те години на миналия век. Швейцарският астроном Фриц Цвики измери скоростта, с която галактиките в купа Кома (един от най-големите известни на нас купове, включващ хиляди галактики) се движат около общ център. Резултатът беше обезсърчаващ: скоростите на галактиките се оказаха много по-високи, отколкото можеше да се очаква въз основа на наблюдаваната обща маса на клъстера. Това означаваше, че истинската маса на клъстера Coma Berenices е много по-голяма от видимата. Но основното количество материя, присъстващо в тази област на Вселената, по някаква причина остава невидимо и недостъпно за преки наблюдения, проявявайки се само гравитационно, тоест само като маса.
Наличието на скрита маса в клъстерите от галактики се доказва и от експерименти с така наречените гравитационни лещи. Обяснението на това явление следва от теорията на относителността. В съответствие с него всяка маса деформира пространството и, подобно на леща, изкривява праволинейния ход на светлинните лъчи. Изкривяването, което предизвиква куп галактики, е толкова голямо, че е лесно да се забележи. По-специално, от изкривяването на изображението на галактиката, която се намира зад клъстера, може да се изчисли разпределението на материята в клъстера от лещи и по този начин да се измери общата му маса. И се оказва, че той винаги е многократно по-голям от приноса на видимата материя на клъстера.
40 години след работата на Цвики, през 70-те години, американският астроном Вера Рубин изследва скоростта на въртене около галактическия център на материята, разположен в периферията на галактиките. В съответствие със законите на Кеплер (а те пряко следват от закона земно притегляне), когато се движат от центъра на галактиката към нейната периферия, скоростта на въртене на галактическите обекти трябва да намалява обратно пропорционално корен квадратенот разстоянието до центъра. Измерванията показаха, че за много галактики тази скорост остава почти постоянна на много значително разстояние от центъра. Тези резултати могат да се тълкуват само по един начин: плътността на материята в такива галактики не намалява при отдалечаване от центъра, а остава почти непроменена. Тъй като плътността на видимата материя (съдържаща се в звездите и междузвездния газ) пада бързо към периферията на галактиката, нещо трябва да осигури липсващата плътност, която не можем да видим по някаква причина. Количественото обяснение на наблюдаваните зависимости на скоростта на въртене от разстоянието до центъра на галактиките изисква това невидимо „нещо“ да бъде около 10 пъти по-голямо от обикновената видима материя. Това "нещо" се нарича "тъмна материя" (на английски " тъмна материя”) и все още остава най-интригуващата мистерия в астрофизиката.
Друго важно доказателство за наличието на тъмна материя в нашия свят идва от изчисления, които моделират образуването на галактики, започнало около 300 000 години след началото на Големия взрив. Тези изчисления показват, че силите на гравитационно привличане, действащи между летящите фрагменти от материята, възникнали по време на експлозията, не могат да компенсират кинетичната енергия на разширението. Материята просто не би трябвало да се събира в галактики, в които все пак наблюдаваме модерна епоха. Този проблем се нарича галактически парадокс и за дълго времесмяташе се за сериозен аргумент срещу теорията за Големия взрив. Ако обаче приемем, че частици от обикновената материя в ранна вселенаса били смесени с частици от невидима тъмна материя, тогава всичко си идва на мястото в изчисленията и краищата започват да се сближават – става възможно образуването на галактики от звезди, а след това и на купове от галактики. В същото време, както показват изчисленията, първоначално огромен брой частици тъмна материя се струпаха в галактики и едва след това, поради гравитационните сили, върху тях се събраха елементи от обикновена материя, чиято обща маса беше само няколко процента от обща маса на Вселената. Оказва се, че познатият и сякаш подробно проучен видим свят, който съвсем наскоро смятахме за почти разбран, е само малка добавка към нещо, от което всъщност се състои Вселената. Планетите, звездите, галактиките и ти и аз сме просто параван за огромно „нещо“, за което нямаме представа.
Фотофакт
Куп от галактики (в долния ляв ъгъл на оградената област) създава гравитационна леща. Той изкривява формата на обектите, разположени зад обектива - разтягайки изображенията им в една посока. По размер и посока на издърпване международна групаастрономи от Южноевропейската обсерватория, ръководени от учени от Парижкия институт по астрофизика, изградиха масовото разпределение, което е показано на долното изображение. Както можете да видите, много повече маса е концентрирана в клъстера, отколкото може да се види през телескоп.
Ловът на тъмни масивни предмети не е бърз бизнес и на снимката резултатът не изглежда най-зрелищният. През 1995 г. телескопът Хъбъл забеляза, че една от звездите в Големия магеланов облак пламва по-ярко. Този блясък продължи повече от три месеца, но след това звездата се върна в естественото си състояние. И шест години по-късно до звездата се появи едва светещ обект. Това беше студеното джудже, което, преминавайки на разстояние 600 светлинни години от звездата, създаде гравитационна леща, която усилва светлината. Изчисленията показват, че масата на това джудже е само 5-10% от масата на Слънцето.
И накрая, общата теория на относителността уникално свързва скоростта на разширяване на Вселената с средна плътноствещество, съдържащо се в него. Ако приемем, че средната кривина на пространството е равна на нула, т.е. в него действа геометрията на Евклид, а не на Лобачевски (което е надеждно потвърдено, например, в експерименти с фонова радиация), тази плътност трябва да бъде равна на 10 -29 грама на кубичен сантиметър. Плътността на видимата материя е около 20 пъти по-малка. Липсващите 95% от масата на Вселената са тъмна материя. Имайте предвид, че стойността на плътността, измерена от скоростта на разширяване на Вселената, е критична. Две независимо изчислени перфектно стойности различни начинисъвпадение! Ако в действителност плътността на Вселената е точно равна на критичната, това не може да е случайност, а е следствие от някакво фундаментално свойство на нашия свят, което предстои да бъде разбрано и осмислено.
Какво е това?
Какво знаем днес за тъмната материя, която съставлява 95% от масата на Вселената? Почти нищо. Но ние знаем нещо. На първо място, няма съмнение, че тъмната материя съществува - това неопровержимо се доказва от цитираните по-горе факти. Също така знаем със сигурност, че тъмната материя съществува в няколко форми. След до началото на XXIвек в резултат на дългогодишни наблюдения в експерименти СуперКамиоканде(Япония) и SNO (Канада), беше установено, че неутриното имат маса, стана ясно, че от 0,3% до 3% от 95% от скритата маса се намира в неутрино, които отдавна знаем - дори ако тяхната маса е изключително малка , но броят на Вселената е около милиард пъти по-голям от броя на нуклоните: всеки кубичен сантиметър съдържа средно 300 неутрино. Останалите 92-95% се състоят от две части – тъмна материя и тъмна енергия. Незначителна част от тъмната материя се състои от обикновена барионна материя, изградена от нуклони; очевидно някои неизвестни масивни, слабо взаимодействащи частици (така наречената студена тъмна материя) са отговорни за останалата част. Енергийният баланс в съвременната Вселена е представен в таблицата, а историята на последните три колони е по-долу.
барионна тъмна материя
Малка (4-5%) част от тъмната материя е обикновена материя, която не излъчва или почти не излъчва собствена радиация и следователно е невидима. Съществуването на няколко класа такива обекти може да се счита за експериментално потвърдено. Най-сложните експерименти, базирани на същата гравитационна леща, доведоха до откриването на така наречените масивни компактни хало обекти, тоест разположени в периферията на галактическите дискове. Това изисква проследяване на милиони далечни галактики в продължение на няколко години. Когато тъмно масивно тяло преминава между наблюдател и далечна галактика, неговата яркост е кратко временамалява (или се увеличава, тъй като тъмното тяло действа като гравитационна леща). В резултат на усърдни издирвания такива събития са идентифицирани. Природата на масивните компактни хало обекти не е напълно ясна. Най-вероятно това са или охладени звезди (кафяви джуджета), или планетоподобни обекти, които не са свързани със звезди и пътуват из галактиката сами. Друг представител на барионната тъмна материя е горещ газ, открит наскоро в галактически клъстери с помощта на рентгенова астрономия, който не свети във видимия диапазон.
Небарионна тъмна материя
Основните кандидати за небарионна тъмна материя са така наречените WIMP (съкратено от английски Слабо интерактивни масивни частициса слабо взаимодействащи масивни частици). Характеристика на WIMP е, че те почти не се проявяват при взаимодействие с обикновена материя. Ето защо те са истинската невидима тъмна материя и защо са изключително трудни за откриване. Масата на WIMP трябва да бъде поне десетки пъти по-голяма от масата на протона. Търсенето на WIMP е проведено в много експерименти през последните 20-30 години, но въпреки всички усилия, те все още не са открити.
Една идея е, че ако такива частици съществуват, тогава Земята, в движението си със Слънцето в орбита около центъра на Галактиката, трябва да лети през дъжд от WIMP. Въпреки факта, че WIMP е изключително слабо взаимодействаща частица, тя все още има много малка вероятност да взаимодейства с обикновен атом. В този случай в специални инсталации - много сложни и скъпи - може да се регистрира сигнал. Броят на тези сигнали трябва да се променя през цялата година, тъй като, движейки се в орбита около Слънцето, Земята променя скоростта и посоката си на движение спрямо вятъра, състоящ се от WIMP. Експерименталната група DAMA, работеща в италианската подземна лаборатория Gran Sasso, съобщава за наблюдаваните годишни вариации в скоростта на преброяване на сигналите. Други групи обаче все още не потвърждават тези резултати и въпросът остава по същество открит.
Друг метод за търсене на WIMP се основава на предположението, че по време на милиарди години от своето съществуване различни астрономически обекти (Земята, Слънцето, центърът на нашата Галактика) трябва да уловят WIMP, които се натрупват в центъра на тези обекти и, унищожавайки се с всеки други, предизвикват неутринен поток. Опитите за откриване на излишния поток от неутрино от центъра на Земята към Слънцето и към центъра на Галактиката бяха направени на подземни и подводни детектори за неутрино MACRO, LVD (лаборатория Гран Сасо), NT-200 (езерото Байкал, Русия) , SuperKamiokande, AMANDA (станция Скот - Амундсен, Южен полюс), но досега не са довели до положителен резултат.
Експериментите за търсене на WIMP също се провеждат активно в ускорителите на елементарни частици. Според известното уравнение на Айнщайн E=mc 2 енергията е еквивалентна на масата. Следователно, чрез ускоряване на частица (например протон) до много висока енергияи сблъсквайки я с друга частица, можем да очакваме раждането на двойки други частици и античастици (включително WIMP), чиято обща маса е равна на общата енергия на сблъскващите се частици. Но експериментите с ускорителя все още не са довели до положителен резултат.
тъмна енергия
В началото на миналия век Алберт Айнщайн, желаейки да осигури космологичен моделв обща теорияотносителността, независимостта от времето, въвежда така наречената космологична константа в уравненията на теорията, която той обозначава гръцка буква"ламбда" - Λ. Това Λ беше чисто формална константа, в която самият Айнщайн не виждаше никакъв физически смисъл. След като беше открито разширяването на Вселената, необходимостта от него изчезна. Айнщайн много съжаляваше за бързането и нарече космологичната константа Λ най-голямата си научна грешка. Десетилетия по-късно обаче се оказа, че константата на Хъбъл, която определя скоростта на разширяване на Вселената, се променя с времето и нейната зависимост от времето може да се обясни с избора на стойността на много „погрешната“ константа на Айнщайн Λ, която допринася за латентната плътност на Вселената. Тази част от скритата маса стана известна като "тъмна енергия".
Още по-малко може да се каже за тъмната енергия, отколкото за тъмната материя. Първо, тя е равномерно разпределена във Вселената, за разлика от обикновената материя и други форми на тъмна материя. Има толкова много от него в галактиките и клъстерите от галактики, колкото и извън тях. Второ, той има няколко много странни свойства, които могат да бъдат разбрани само чрез анализиране на уравненията на теорията на относителността и тълкуване на техните решения. Например тъмната енергия изпитва антигравитация: поради нейното присъствие скоростта на разширяване на Вселената расте. Тъмната енергия, така да се каже, се разпръсква, като по този начин ускорява разпръскването на обикновената материя, събрана в галактиките. Тъмната енергия също има отрицателно налягане, поради което в веществото възниква сила, която не му позволява да се разтяга.
Основният кандидат за ролята на тъмна енергия е вакуумът. Плътността на енергията на вакуума не се променя с разширяването на Вселената, което съответства на отрицателното налягане. Друг кандидат е хипотетично свръхслабо поле, наречено квинтесенция. Надеждите за изясняване на природата на тъмната енергия са свързани преди всичко с нови астрономически наблюдения. Прогресът в тази посока несъмнено ще донесе радикално нови знания на човечеството, тъй като във всеки случай тъмната енергия трябва да е напълно необичайна субстанция, абсолютно различна от това, с което физиката се е занимавала досега.
И така, нашият свят е 95% от нещо, за което не знаем почти нищо. Човек може да третира такъв неоспорим факт по различни начини. Може да предизвика безпокойство, което винаги съпътства среща с нещо непознато. Или разочарование, защото толкова дълъг и сложен начин за изграждане на физическа теория, описваща свойствата на нашия свят, доведе до твърдението: по-голямата част от Вселената е скрита от нас и непозната за нас.
Но повечето физици сега са въодушевени. Опитът показва, че всички загадки, които природата поставя пред човечеството, рано или късно се решават. Несъмнено ще бъде разгадана и загадката на тъмната материя. И това със сигурност ще донесе напълно нови знания и концепции, за които все още нямаме представа. И може би ще се срещнем с нови мистерии, които от своя страна също ще бъдат разгадани. Но това ще бъде съвсем различна история, която читателите на „Химия и живот“ ще могат да прочетат не по-рано от няколко години. Или може би след няколко десетилетия.
Играе решаваща роля в развитието на Вселената. Все още обаче малко се знае за това странно вещество. Професор Матиас Бартелман - Хайделбергски институт за теоретична астрофизика - обяснява как са направени изследванията на тъмната материя, отговаряйки на поредица от въпроси на журналисти.
и как възниква?
Нямам идея! Досега никой. Вероятно се състои от тежки елементарни частици. Но никой не знае дали наистина са частици. Във всеки случай те са много различни от всичко, което познаваме преди.
Дали е като да откриеш изцяло нов животински вид?
Да, точно така, това е добро сравнение.
Кой откри тъмната материя и кога?
През 1933 г. Фриц Цвики разглежда движението на галактиките в галактическите купове, което зависи от общата маса на купа. Изследователят забеляза, че галактиките, предвид изчислената им маса, се движат много бързо. Това беше първият намек за тъмна материя. Никоя известна материя не може да обясни защо звездите в галактиките се слепват: те трябва да се разлетят поради високата си скорост на циркулация.
Гравитационна леща Снимка: Wissensschreiber
Какви други доказателства има?
Доста добро доказателство е ефектът на гравитационната леща. Далечните галактики ни изглеждат изкривени, тъй като светлинните лъчи се отклоняват от материята по пътя си. Все едно гледаш през набраздено стъкло. И ефектът е по-силен, отколкото би бил, ако съществуваше само видима материя.
Как изглежда тъмната материя?
Не може да се види, тъй като няма взаимодействие на тъмната материя и електромагнитно излъчване. Това означава, че не отразява светлината и не излъчва радиация.
Как тогава изучавате тъмната материя? Какви инструменти са необходими за изследване?
Ние не изучаваме специално тъмната материя, а само нейните проявления, например ефекта на гравитационната леща. Аз съм теоретик. В интерес на истината имам нужда само от моя компютър, химикал и лист хартия. Но също така използвам данни от големи телескопи в Хавай и Чили.
Възможно ли е да се изобрази тъмна материя?
Да, можете да създадете нещо като карта на разпространението му. Точно както линиите на хълмовете показват географска картаконтурите на планината, тук можете да видите по плътността на линиите, където има особено много тъмна материя.
Кога се появи тя?
Тъмната материя възниква или директно при Големия взрив, или 10 000-100 000 години по-късно. Но ние все още изучаваме това.
Колко тъмна материя има?
Никой не може да каже със сигурност. Но въз основа на най-новите изследвания, ние вярваме, че има приблизително седем до осем пъти повече тъмна материя във Вселената, отколкото видимата материя.
Компютърното моделиране показва разпределението на тъмната материя под формата на мрежа и виждаме нейното натрупване в най-светлите области.
Снимка: Volker Springel
Има ли връзка между тъмната енергия и тъмната материя?
Вероятно не. Тъмната енергия осигурява ускореното разширяване на Вселената, докато тъмната материя държи галактиките заедно.
Откъде се е появила тя?
Тъмната материя вероятно е навсякъде, само че не е равномерно разпределена - точно като видимата материя, тя образува бучки.
Какво е значението на тъмната материя за нас и нашия мироглед?
За Ежедневиетотя няма значение. Но в астрофизиката това е много важно, тъй като играе решаваща роля в развитието на Вселената.
От какво е направена нашата вселена? 4,9% - видима материя, 26,8% тъмна материя, 68,3% - тъмна енергия Снимка: Wissensschreiber
Какво ще донесе тя в бъдеще?
Вероятно нищо повече. Преди това за развитието на Вселената беше много важно. Днес тя все още държи само отделни галактики заедно. И тъй като Вселената продължава да се разширява, става все по-трудно да се появят нови структури от тъмна материя.
Ще бъде ли възможно в бъдеще директно да се изобрази тъмна материя с помощта на инструменти?
Да възможно е. Например, могат да се измерват вибрациите, които възникват, когато частици тъмна материя се сблъскат с атоми в кристал. Същото се случва и в ускорителя на частици: ако елементарни частициизглежда, че летят в неочаквана посока без причина, тогава може да е виновна неизвестна частица. Тогава това би било още едно доказателство за съществуването на тъмна материя. Представете си: стоите на футболно игрище и пред вас има топка. Той изведнъж отлита без никакви очевидна причина. Сигурно е бил повален от нещо невидимо.
Какво ви интересува най-много в работата ви?
Привлечен съм от предположението, че видимата материя е само малка част от всичко и нямаме представа за останалата част.
Благодаря ви за отделеното време. Надяваме се скоро да научите повече за тъмната материя!
>Какво тъмна материя и тъмна енергияВселена: структура на пространството със снимка, обем в проценти, влияние върху обекти, изследване, разширяване на Вселената.
Около 80% от пространството е представено от материал, който е скрит от прякото наблюдение. Става въпрос за тъмна материя- вещество, което не произвежда енергия и светлина. Как изследователите разбират, че той доминира?
През 50-те години на миналия век учените започват активно да изучават други галактики. В хода на анализите беше забелязано, че Вселената е изпълнена с повече материал, отколкото може да бъде уловено от "видимото око". Привържениците на тъмната материя се появяват всеки ден. Въпреки че нямаше преки доказателства за съществуването му, теориите нарастваха, както и заобиколните пътища на наблюдение.
Материалът, който виждаме, се нарича барионна материя. Тя е представена от протони, неутрони и електрони. Смята се, че тъмната материя е способна да комбинира барионна и небарионна материя. За да остане Вселената в обичайната си цялост, тъмната материя трябва да е в размер на 80%.
Неуловимата материя може да бъде невероятно трудна за намиране, ако съдържа барионна материя. Сред кандидатите се наричат кафяви и бели джуджета, както и неутронни звезди. Свръхмасивните черни дупки също могат да допринесат за разликата. Но те трябваше да имат по-голямо въздействие от това, което учените са видели. Има хора, които смятат, че тъмната материя трябва да се състои от нещо по-необичайно и рядко.
Композитно изображение на Хъбъл, показващо призрачния пръстен от тъмна материя в галактическия куп Cl 0024+17
По-голямата част от научния свят вярва, че неизвестната материя е представена главно от небарионна материя. Най-популярният кандидат е WIMPS (слабо контактуващи масивни частици), чиято маса е 10-100 пъти по-голяма от тази на протон. Но тяхното взаимодействие с обикновената материя е твърде слабо, което го прави по-труден за намиране.
Сега внимателно се разглеждат неутрино - масивни хипотетични частици, които са по-големи от неутриното по маса, но се отличават със своята бавност. Все още не са открити. По-малко неутралната аксиома и девствените фотони също се вземат предвид като опции.
Друг вариант е остаряло знание за гравитацията, което трябва да се актуализира.
Невидима тъмна материя и тъмна енергия
Но ако не виждаме нещо, как можем да докажем, че то съществува? И защо решихме, че тъмната материя и тъмната енергия са нещо реално?
Масата на големите обекти се изчислява от тяхното пространствено преместване. През 50-те години на миналия век изследователи, разглеждащи галактики от спирален тип, допускат, че материалът близо до центъра ще се движи много по-бързо от далечния материал. Но се оказа, че звездите се движат с еднаква скорост, което означава, че има много повече маса, отколкото се смяташе досега. Изследваният газ в елиптични типове показа същите резултати. Същото заключение се налага от само себе си: ако се съсредоточим само върху видима маса, тогава галактическите клъстери щяха да са се разпаднали отдавна.
Алберт Айнщайн успя да докаже, че големите обекти във Вселената са способни да огъват и изкривяват светлинните лъчи. Това им позволи да бъдат използвани като естествена увеличителна леща. Изследвайки този процес, учените успяха да създадат карта на тъмната материя.
Оказва се, че по-голямата част от нашия свят е представена от все още неуловима субстанция. Още интересни неща за тъмната материя ще научите, ако изгледате видеото.
Тъмна материя
Физикът Дмитрий Казаков за общия енергиен баланс на Вселената, теорията за скритата маса и частиците на тъмната материя:
Ако говорим за материя, то тъмната със сигурност води по отношение на процент. Но като цяло отнема само една четвърт от всичко. Вселената изобилства тъмна енергия.
От голям взривпространството започна процес на разширяване, който продължава и днес. Изследователите смятат, че в крайна сметка първоначалната енергия ще се изчерпи и ще се забави. Но далечните свръхнови показват, че космосът не спира, а набира скорост. Всичко това е възможно само ако количеството енергия е толкова огромно, че преодолява гравитационното влияние.
Тъмна материя и тъмна енергия: изясняване на загадката
Знаем, че Вселената в по-голямата си част е представена от тъмна енергия. Това е мистериозна сила, която кара пространството да увеличава скоростта на разширяване на Вселената. Друг мистериозен компонент е тъмната материя, която поддържа контакт с обектите само с помощта на гравитацията.
Учените не могат да видят директно тъмната материя, но ефектите са достъпни за изследване. Те успяват да уловят светлина, която е огъната от гравитационната сила на невидимите обекти (гравитационни лещи). Обърнете внимание и на моментите, когато звездата прави обороти около галактиката много по-бързо, отколкото би трябвало.
Всичко това се дължи на присъствието голямо количествонеуловимо вещество, което влияе на масата и скоростта. Всъщност това вещество е обвито в тайни. Оказва се, че изследователите са по-склонни да кажат не какво е пред тях, а какво „то“ не е.
Този колаж показва изображения на шест различни галактически купа, направени с космически телескопНАСА Хъбъл. Клъстери бяха открити по време на опити да се изследва поведението на тъмната материя в галактическите клъстери, когато се сблъскат.
Тъмна материя... тъмна. Не произвежда светлина и не се наблюдава при пряка видимост. Затова изключваме звездите и планетите.
Той не действа като облак от обикновена материя (такива частици се наричат бариони). Ако барионите присъстваха в тъмната материя, тогава тя щеше да се прояви при директно наблюдение.
Ние също така изключваме черните дупки, защото те действат като гравитационни лещи, които излъчват светлина. Учените не наблюдават достатъчно събития на лещи, за да изчислят количеството тъмна материя, което трябва да присъства.
Въпреки че Вселената е огромно място, всичко започна с най-малките структури. Смята се, че тъмната материя е започнала да се кондензира, за да създаде "градивни елементи" с нормална материя, произвеждайки първите галактики и клъстери.
За да открият тъмната материя, учените използват различни методи:
- Големият адронен колайдер.
- инструменти като WNAP и космическата обсерватория Планк.
- експерименти за директен преглед: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
- индиректно откриване: детектори за гама лъчи (Fermi), телескопи за неутрино (IceCube), детектори за антиматерия (PAMELA), рентгенови и радио сензори.
Методи за търсене на тъмна материя
Физикът Антон Баушев за слабите взаимодействия между частиците, радиоактивността и търсенето на следи от анихилация:
Навлизане по-дълбоко в мистерията на тъмната материя и тъмната енергия
Повече от веднъж учените не са успели буквално да видят тъмната материя, защото тя не влиза в контакт с барионната материя, което означава, че остава неуловима за светлина и други видове електромагнитно излъчване. Но изследователите са уверени в присъствието му, докато наблюдават въздействието върху галактиките и клъстерите.
Стандартната физика казва, че звездите, разположени в краищата на спирална галактика, трябва да забавят скоростта си. Но се оказва, че се появяват звезди, чиято скорост не се подчинява на принципа на местоположението спрямо центъра. Това може да се обясни само с факта, че звездите усещат влиянието на невидимата тъмна материя в ореола около галактиката.
Наличието на тъмна материя също е в състояние да дешифрира някои от илюзиите, наблюдавани в универсалните дълбини. Например наличието на странни пръстени и светлинни дъги в галактиките. Тоест светлината от далечни галактики преминава през изкривяването и се усилва от невидим слой тъмна материя (гравитационна леща).
Досега имаме няколко идеи за това какво е тъмна материя. основната идея- Това са екзотични частици, които нямат контакт с обикновената материя и светлината, но имат сила в гравитационен смисъл. Сега няколко групи (някои използващи Големия адронен колайдер) работят върху създаването на частици тъмна материя, за да ги изследват в лабораторията.
Други смятат, че влиянието може да се обясни с фундаментална модификация на гравитационната теория. Тогава получаваме няколко форми на гравитация, което значително се различава от обичайната картина и законите, установени от физиката.
Разширяващата се вселена и тъмната енергия
Ситуацията с тъмната енергия е още по-сложна, а самото откритие през 90-те години стана непредсказуемо. Физиците винаги са смятали, че силата на гравитацията работи, за да забави и един ден може да спре процеса на универсално разширяване. Два отбора се заеха с измерването на скоростта наведнъж и двата, за тяхна изненада, разкриха ускорение. Сякаш хвърляте ябълка във въздуха и знаете, че тя непременно ще падне, и се отдалечава все повече и повече от вас.
Стана ясно, че определена сила влияе на ускорението. Освен това изглежда, че колкото по-широка е Вселената, толкова повече "мощ" получава тази сила. Учените решили да я определят като тъмна енергия.
