Към днешна дата мистерията откъде идва тъмната материя не е разгадана. Има теории, които предполагат, че се състои от междузвезден газ с ниска температура. В този случай веществото не може да произведе радиация. Има обаче теории против тази идея. Казват, че газът може да се нагрява, което води до факта, че те стават обикновени „барионни“ вещества. Тази теория се подкрепя от факта, че масата газ в студено състояние не може да елиминира дефицита, който възниква.
Има толкова много въпроси относно теориите за тъмната материя, че си струва да ги разгледаме малко повече.
Какво представлява тъмната материя?
Въпросът какво е тъмна материя възникна преди около 80 години. Обратно в началото на 20 век. По това време швейцарският астроном Ф. Цвики излезе с идеята, че масата на всички галактики в действителност е по-голяма от масата на всички онези обекти, които могат да се видят със собствените си газове в телескоп. Всички многобройни улики подсказваха, че в космоса има нещо непознато, което има внушителна маса. Беше решено да се даде името "тъмно вещество" на това необяснимо вещество.
Това невидимо вещество заема поне една четвърт от цялата Вселена. Особеността на това вещество е, че неговите частици взаимодействат слабо помежду си и с обикновени други вещества. Това взаимодействие е толкова слабо, че учените дори не могат да го засекат. Всъщност има само признаци на влияние от частици.
Проучването на този въпрос се извършва от най-големите умове по света, така че дори и най-големите скептици в света вярват, че ще бъде възможно да се уловят частици от веществото. Най-желаната цел е това да стане в лабораторни условия. В мините на голяма дълбочинаработата е в ход, такива условия за експерименти са необходими за премахване на смущенията, причинени от частици лъчи от космоса.
Има вероятност много нова информация да бъде получена благодарение на съвременните ускорители, по-специално с помощта на Големия адронен колайдер.
Частиците тъмна материя имат такъв странна особеност- взаимно унищожение. В резултат на такива процеси се появяват гама лъчение, античастици и частици (като електрон и позитрон). Затова астрофизиците се опитват да намерят следи от гама лъчение или античастици. За това се използват различни наземни и космически инсталации.
Доказателство за съществуването на тъмна материя
Първите съмнения относно правилността на изчисленията на масата на Вселената, както вече беше споменато, бяха споделени от астронома от Швейцария Ф. Цвики. Като начало той реши да измери скоростта на галактиките от клъстера Кома, движещи се около центъра. И резултатът от работата му донякъде го озадачи, защото скоростта на движение на тези галактики се оказа по-висока, отколкото очакваше. Освен това той предварително е изчислил тази стойност. Но резултатите не бяха същите.
Изводът беше очевиден: истинската маса на клъстера беше много по-голяма от видимата. Това може да се обясни с факта, че повечето отВеществото, което се намира в тази част на Вселената, не може да се види, а също така е невъзможно да се наблюдава. Това вещество проявява своите свойства само под формата на маса.
Редица гравитационни експерименти потвърдиха наличието на невидима маса в галактическите купове. Теорията на относителността има някакво тълкуване на това явление. Ако го следвате, тогава всяка маса е способна да деформира пространството, освен това, като леща, тя огъва директния поток от светлинни лъчи. Галактическият клъстер причинява изкривяване, влиянието му е толкова силно, че става забележимо. Гледката на галактиката, която се намира точно зад клъстера, е най-изкривена. Това изкривяване се използва за изчисляване на това как материята е разпределена в този клъстер. Така се измерва реалната маса. Тя неизменно се оказва няколко пъти по-голяма от масата на видимата материя.
Четири десетилетия след работата на пионера в тази област Ф. Цвики, американският астроном В. Рубин се зае с този въпрос. Тя изучава скоростта, с която материята, която се намира в краищата на галактиките, се върти около центъра на галактиката. Ако следваме законите на Кеплер относно законите на гравитацията, тогава има известна връзка между скоростта на въртене на галактиките и разстоянието до центъра.
Но в действителност измерванията показаха, че скоростта на въртене не се променя с увеличаване на разстоянието до центъра. Подобни данни могат да се обяснят само по един начин - материята на галактиката има еднаква плътност както в центъра, така и по краищата. Но видимото вещество имаше много по-голяма плътност в центъра и се характеризираше с рядкост по краищата, а липсата на плътност можеше да се обясни само с наличието на някакво вещество, което не беше видимо за окото.
За да се обясни феноменът, е необходимо тази невидима материя в галактиките да е почти 10 пъти повече от тази, която можем да видим. Това неизвестно вещество се нарича „тъмна материя“ или „тъмна материя“. Към днешна дата това явление остава най-интересната мистерия за астрофизиците.
Има още един аргумент в полза на доказателствата за съществуването на тъмна материя. Това следва от изчисления, които описват процеса на формиране на галактиките. Смята се, че това е започнало приблизително 300 000 години след Големия взрив. Резултатите от изчисленията казват, че привличането между фрагментите материя, появило се по време на експлозията, не може да компенсира кинетичната енергия от разширяването. Тоест материята не може да се концентрира в галактики, но днес можем да я видим.
Това необясним фактнаречен парадокс на галактиката, той беше цитиран като аргумент, който разрушава теорията за Големия взрив. Но можете да го погледнете от другата страна. В края на краищата, частици от най-обикновена материя могат да бъдат смесени с частици от тъмна материя. Тогава изчисленията стават правилни и как са се образували галактики, в които се е натрупала много тъмна материя, а частици от обикновена материя вече са се присъединили към тях поради гравитацията. В крайна сметка обикновената материя съставлява малка част от общата маса на Вселената.
Видимата материя има относително ниска плътност в сравнение с тъмно вещество, защото е 20 пъти по-плътен. Следователно онези 95% от масата на Вселената, които липсват според изчисленията на учените, са тъмна материя.
Това обаче доведе до извода, че всички видим свят, който е проучен надлъж и нашир, толкова познат и разбираем, е само малко допълнение към това, от което наистина се състои.
Всички галактики, планети и звезди са само малка част от нещо, за което нямаме представа. Това е изложено, но истинското е скрито от нас.
Всичко, което виждаме около нас (звезди и галактики) е не повече от 4-5% от общата маса на Вселената!
Според съвременните космологични теории нашата Вселена се състои само от 5% от обикновена, така наречената барионна материя, която формира всички наблюдаеми обекти; 25% тъмна материя, открита поради гравитацията; и тъмна енергия, съставляваща до 70% от общия брой.
Термините тъмна енергия и тъмна материя не са съвсем сполучливи и представляват буквален, но не семантичен превод от английски.
Във физически смисъл тези термини означават само, че тези вещества не взаимодействат с фотони и те биха могли също толкова лесно да бъдат наречени невидима или прозрачна материя и енергия.
Много съвременни учени са убедени, че изследванията, насочени към изучаване на тъмната енергия и материя, вероятно ще помогнат да се отговори на глобалния въпрос: какво очаква нашата Вселена в бъдеще?
Групи с размерите на галактика
Тъмната материя е вещество, състоящо се най-вероятно от нови частици, все още непознати в земните условия и притежаващи свойства, присъщи на самата обикновена материя. Например, той също е способен, подобно на обикновените вещества, да се събира в бучки и да участва в гравитационни взаимодействия. Но размерът на тези така наречени групи може да надхвърли цяла галактика или дори клъстер от галактики.
Подходи и методи за изследване на частици тъмна материя
На този моментУчените от цял свят се опитват по всякакъв възможен начин да открият или изкуствено да получат частици тъмна материя в земни условия, използвайки специално проектирано ултратехнологично оборудване и много различни методи за изследване, но досега всичките им усилия не са увенчани с успех.
Един метод включва провеждане на експерименти с високоенергийни ускорители, известни като колайдери. Учените, вярващи, че частиците тъмна материя са 100-1000 пъти по-тежки от протона, предполагат, че те ще трябва да се генерират при сблъсък на обикновени частици, ускорени до високи енергиичрез колайдер. Същността на друг метод е да се регистрират частици тъмна материя, намиращи се навсякъде около нас. Основната трудност при регистрирането на тези частици е, че те показват много слабо взаимодействие с обикновените частици, които по своята същност са прозрачни за тях. И все пак частиците от тъмната материя много рядко се сблъскват с атомни ядра и има известна надежда това явление да се регистрира рано или късно.
Има и други подходи и методи за изследване на частиците тъмна материя и само времето ще покаже кой ще успее първи, но при всички случаи откриването на тези нови частици ще бъде голямо научно постижение.
Вещество с антигравитация
Тъмната енергия е още по-необичайна субстанция от тъмната материя. Той няма способността да се събира на бучки, в резултат на което е равномерно разпределен в цялата Вселена. Но най-необичайното му свойство в момента е антигравитацията.
Природата на тъмната материя и черните дупки
Благодарение на съвременните астрономически методи е възможно да се определи скоростта на разширяване на Вселената в момента и да се симулира процесът на нейното изменение по-рано във времето. В резултат на това беше получена информация, че в момента, както и в близкото минало, нашата Вселена се разширява, като темпото на този процес непрекъснато се увеличава. Ето защо възниква хипотезата за антигравитацията на тъмната енергия, тъй като обикновеното гравитационно привличане би имало забавящ ефект върху процеса на „рецесия на галактиката“, ограничавайки скоростта на разширяване на Вселената. Това явлениене противоречи обща теорияотносителността, но тъмната енергия трябва да има отрицателно налягане - свойство, което никое познато в момента вещество не притежава.
Кандидати за ролята на "Тъмна енергия"
Масата на галактиките в клъстера Abel 2744 е по-малко от 5 процента от общата му маса. Този газ е толкова горещ, че само свети Рентгенов диапазон(червен цвят на това изображение). Разпределението на невидимата тъмна материя (която съставлява около 75 процента от масата на клъстера) е оцветено в синьо.
Един от предполагаемите кандидати за ролята на тъмна енергия е вакуумът, чиято енергийна плътност остава непроменена по време на разширяването на Вселената и по този начин потвърждава отрицателното налягане на вакуума. Друг предполагаем кандидат е „квинтесенцията“ - неизвестно досега свръхслабо поле, за което се предполага, че преминава през цялата Вселена. Има и други възможни кандидати, но нито един от тях досега не е допринесъл за получаване на точен отговор на въпроса: какво е тъмна енергия? Но вече е ясно, че тъмната енергия е нещо напълно свръхестествено, оставайки основната загадка на фундаменталната физика на 21 век.
Теоретичен конструкт във физиката, наречен Стандартен модел, описва взаимодействията на всички известни на наукатаелементарни частици. Но това е само 5% от материята, съществуваща във Вселената, останалите 95% са от напълно неизвестен характер. Какво представлява тази хипотетична тъмна материя и как учените се опитват да я открият? Hayk Hakobyan, студент от MIPT и служител на катедрата по физика и астрофизика, говори за това като част от специален проект.
Стандартният модел на елементарните частици, окончателно потвърден след откриването на бозона на Хигс, описва фундаменталните взаимодействия (електрослаби и силни) на познатите ни обикновени частици: лептони, кварки и носители на сила (бозони и глуони). Оказва се обаче, че цялата тази огромна сложна теория описва само около 5-6% от цялата материя, докато останалата част не се вписва в този модел. Наблюденията на най-ранните моменти от нашата Вселена ни показват, че приблизително 95% от материята, която ни заобикаля, е от напълно непознато естество. С други думи, ние косвено виждаме присъствието на тази скрита материя поради нейната гравитационно влияние, но все още не е възможно да я хванем директно. Този феномен на скрита маса е наречен "тъмна материя".
Съвременната наука, особено космологията, работи според дедуктивен методШерлок Холмс
Сега основният кандидат от групата WISP е аксионът, който възниква в теорията за силното взаимодействие и има много малка маса. Такава частица е способна да се трансформира в двойка фотон-фотон в силни магнитни полета, което подсказва как може да се опита да я открие. Експериментът ADMX използва големи камери, които създават магнитно поле от 80 000 гауса (това е 100 000 пъти повече магнитно полеЗемята). На теория такова поле трябва да стимулира разпадането на аксион в двойка фотон-фотон, която детекторите трябва да уловят. Въпреки многобройните опити, все още не е възможно да се открият WIMP, аксиони или стерилни неутрино.
Така преминахме през огромен брой различни хипотези, търсещи обяснение на странното присъствие на скритата маса, и след като отхвърлихме всички невъзможности с помощта на наблюдения, стигнахме до няколко възможни хипотези, с които вече можем да работим.
Отрицателният резултат в науката също е резултат, тъй като дава ограничения на различни параметри на частиците, например елиминира обхвата на възможните маси. От година на година все повече и повече нови наблюдения и експерименти в ускорителите предоставят нови, по-строги ограничения върху масата и други параметри на частиците тъмна материя. Така, изхвърляйки всички невъзможни варианти и стеснявайки кръга от търсения, ден след ден се доближаваме до разбирането от какво се състои 95% от материята в нашата Вселена.
Тъмна материя- това е още едно от откритията на човечеството, направени "на върха на писалката". Никой никога не го е усещал, не излъчва електромагнитни вълнии не взаимодейства с тях. Повече от половин век няма експериментални доказателства за съществуването на тъмна материя; предоставят се само експериментални изчисления, които уж потвърждават нейното съществуване. Но в момента това е само хипотеза на астрофизиците. Все пак трябва да се отбележи, че това е една от най-интригуващите и много разумни научни хипотези.
Всичко започна в началото на миналия век: астрономите забелязаха, че картината на света, която наблюдаваха не се вписва в теорията на гравитацията.Теоретично, галактиките, които имат изчислената маса, се въртят по-бързо, отколкото би трябвало.
Това означава, че те (галактики) имат много по-голяма маса, отколкото предполагат изчисленията от направените наблюдения. Но тъй като те все още се въртят, тогава или теорията за гравитацията не е правилна, или тази теория не „работи“ върху обекти като галактики. Или във Вселената има повече материя, отколкото съвременните инструменти могат да открият. Тази теория става все по-популярна сред учените и това нематериално хипотетично вещество се нарича тъмна материя.
От изчисленията се оказва, че тъмната материя в галактиките е приблизително 10 пъти повече от обикновено и различните материи взаимодействат помежду си само на гравитационно ниво, тоест тъмната материя се проявява изключително под формата на маса.
Някои учени предполагат, че някои тъмна материя- Това е обикновено вещество, но не излъчва електромагнитно излъчване. Такива обекти включват тъмни галактически ореоли, неутронни звездии кафяви джуджета, както и други все още хипотетични космически обекти.
Ако вярвате на заключенията на учените, тогава се събира обикновена материя (съдържаща се главно в галактиките).
около зони с най-плътни концентрации на тъмна материя. На полученото пространство
На картата тъмната материя е неравномерна мрежа от гигантски нишки във времето
увеличаване и намаляване на местата на галактическите купове.
Тъмната материя се разделя на няколко класа: гореща, топла и студена (това зависи от скоростта на частиците, от които се състои). Така се разграничава гореща, топла и студена тъмна материя. Студената тъмна материя е от най-голям интерес за астрономите, тъй като може да образува стабилни обекти, например цели тъмни галактики.
Теорията за тъмната материя също се вписва в теорията за Големия взрив. Затова учените предполагат, че 300 хиляди години след експлозията, първо в огромен бройЧастиците от тъмната материя започнаха да се групират заедно и след това под силата на гравитацията върху тях се събраха частици от обикновената материя и се образуваха галактики.
Тези изненадващи открития означават че масата на обикновената материя е само няколко процента от общата маса на Вселената!!!
Тоест видимият за нас свят е само малка част от това, от което всъщност се състои Вселената. И дори не можем да си представим какво е това огромно „нещо“.
Играе решаваща роля в развитието на Вселената. Все още обаче малко се знае за това странно вещество. Професор Матиас Бартелман от Хайделбергския институт за теоретична астрофизика обяснява как са проведени изследванията на тъмната материя, като отговаря на редица въпроси на журналисти.
и как възниква?
Нямам идея! Все още никой. Вероятно се състои от тежки елементарни частици. Но никой не знае дали това наистина са частици. Във всеки случай те са много различни от всичко, което познавахме 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 въртене.
Гравитационна леща Снимка: Wissensschreiber
Какви други доказателства има?
Доста добро доказателство е ефектът на гравитационната леща. Далечните галактики ни изглеждат изкривени, защото 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 между тъмната материя и електромагнитното 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. Всъщност 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 показват линиите на надморската височина географска картаКонтурите на планината могат да се видят тук по плътността на линиите, където има особено много тъмна материя.
Кога се появи тя?
Тъмната материя е възникнала или директно от Голям взрив, или 10 000-100 000 години по-късно. Но ние все още изучаваме това.
Колко тъмна материя съществува?
Никой не може да каже това 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 разпространението 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 задвижва ускореното разширяване на Вселената, докато тъмната материя държи галактиките заедно.
Откъде се е появила тя?
Тъмната материя вероятно е навсякъде, но не е разпределена равномерно - точно като видимата материя, тя образува бучки.
Какво означава тъмната материя за нас и нашия мироглед?
За Ежедневиетоняма 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 енергияСнимка: Wissensschreiber
Какво ще причини в бъдеще?
Вероятно нищо повече. Преди това беше много важно за развитието на Вселената. Днес тя само продължава да държи отделните 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, възможно е да се измерват вибрации, които възникват, когато частици от тъмна материя се сблъскат с атоми в кристал. Същото се случва в ускорителя на частици: ако елементарни частици, привидно безпричинно летящ в неочаквана посока, 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. Трябва да го е ударило нещо невидимо.
Какво ви интересува най-много в работата ви?
Привлечен съм от предположението, че видимата материя е само малка част от цялото и нямаме представа за останалата част.
Благодаря ви за отделеното време. Надяваме се, че скоро ще научите още повече за тъмната материя!
