Întrebarea despre originea Universului, trecutul și viitorul său a îngrijorat oamenii din timpuri imemoriale. Timp de multe secole, teoriile au apărut și infirmate, oferind o imagine a lumii bazată pe date cunoscute. Un șoc major pentru lumea științifică a fost teoria relativității a lui Einstein. Ea a adus, de asemenea, o contribuție uriașă la înțelegerea proceselor care formează Universul. Totuși, teoria relativității nu ar putea pretinde a fi adevărul suprem, care nu necesită adăugări. Îmbunătățirea tehnologiilor a permis astronomilor să facă descoperiri de neconceput anterior, care necesitau o nouă bază teoretică sau o extindere semnificativă a prevederilor existente. Un astfel de fenomen este materia întunecată. Dar mai întâi lucrurile.
Lucruri din vremuri trecute
Pentru a înțelege termenul de „materie întunecată” să ne întoarcem la începutul secolului trecut. La acea vreme, domina ideea Universului ca structură staționară. Între timp, teoria generală a relativității (GR) a presupus că mai devreme sau mai târziu va duce la „lipirea împreună” a tuturor obiectelor spațiale într-o singură minge, așa-numitul colaps gravitațional ar avea loc. Nu există forțe de respingere între obiectele spațiale. Atracția reciprocă este compensată forțe centrifuge crearea mișcare constantă stele, planete și alte corpuri. Astfel, echilibrul sistemului este menținut.
Pentru a preveni prăbușirea teoretică a Universului, Einstein a introdus - o valoare care aduce sistemul în starea staționară necesară, dar, în același timp, este inventat efectiv, fără temeiuri evidente.
Univers în expansiune
Calculele și descoperirile lui Friedman și Hubble au arătat că nu era nevoie să se rupă ecuațiile armonioase ale relativității generale cu ajutorul unei noi constante. S-a dovedit, iar astăzi acest fapt este practic dincolo de orice îndoială, că Universul se extinde, a avut cândva un început și nu se poate vorbi de staționaritate. Dezvoltarea ulterioară a cosmologiei a dus la apariția teoriei big bang-ului. Principala confirmare a noilor ipoteze este creșterea observată a distanței dintre galaxii în timp. Este măsurarea vitezei de îndepărtare unul de celălalt a vecinilor sisteme spațialeși a condus la formarea ipotezei că există materie întunecată și energie întunecată.
Date nu sunt conforme cu teoria
Fritz Zwicky în 1931, și apoi Jan Oort în 1932 și în anii 1960, au fost ocupați să calculeze masa substanței galaxiilor dintr-un cluster îndepărtat și raportul acestuia cu viteza de îndepărtare a acestora unele de altele. Din când în când, oamenii de știință au ajuns la aceleași concluzii: această cantitate de materie nu este suficientă pentru ca gravitația pe care o creează să țină împreună galaxiile care se mișcă la viteze atât de mari. Zwicky și Oort au sugerat că există o masă ascunsă, materia întunecată a universului, care nu permite obiectelor cosmice să se împrăștie în laturi diferite.
Cu toate acestea, ipoteza a fost recunoscută de lumea științifică abia în anii șaptezeci, după anunțarea rezultatelor lucrării Verei Rubin.
Ea a construit curbe de rotație care demonstrează clar dependența vitezei de mișcare a materiei galaxiei de distanța care o separă de centrul sistemului. Contrar presupunerilor teoretice, s-a dovedit că viteza stelelor nu scade pe măsură ce se îndepărtează de centrul galactic, ci crește. Un astfel de comportament al luminilor ar putea fi explicat doar prin prezența unui halou în galaxie, care este umplut cu materie întunecată. Astronomia, astfel, se confruntă cu o parte complet neexplorată a universului.
Proprietăți și compoziție
Se numește întuneric pentru că nu poate fi văzut de nimeni modalități existente. Prezența sa este recunoscută printr-un semn indirect: materia întunecată creează un câmp gravitațional, fără a emite unde complet electromagnetice.
Cea mai importantă sarcină care a apărut înaintea oamenilor de știință a fost să obțină un răspuns la întrebarea în ce constă această chestiune. Astrofizicienii au încercat să o „umple” cu materia barionică obișnuită (materia barionică este formată din protoni, neutroni și electroni mai mult sau mai puțin studiati). Haloul întunecat al galaxiilor includea stele compacte, cu radiație slabă și planete uriașe apropiate ca masă de Jupiter. Cu toate acestea, aceste ipoteze nu au rezistat examinării. Materia barionică, familiară și cunoscută, prin urmare, nu poate juca un rol semnificativ în masa ascunsă a galaxiilor.
Astăzi, fizica este angajată în căutarea unor componente necunoscute. Cercetarea practică a oamenilor de știință se bazează pe teoria supersimetriei microcosmosului, conform căreia pentru fiecare particulă cunoscută există o pereche supersimetrică. Acestea sunt cele care alcătuiesc materia întunecată. Cu toate acestea, dovezi pentru existență particule similare până acum nu a fost posibil să se obțină, poate că aceasta este o chestiune de viitor apropiat.
energie întunecată
Descoperirea unui nou tip de materie nu a pus capăt surprizelor pe care Universul le pregătise oamenilor de știință. În 1998, astrofizicienii au mai avut o șansă de a compara datele teoriilor cu faptele. Anul acesta a fost marcat de o explozie într-o galaxie departe de noi.
Astronomii au măsurat distanța până la ea și au fost extrem de surprinși de datele primite: steaua a aprins mult mai departe decât ar fi trebuit să fie conform teoriei existente. S-a dovedit că crește cu timpul: acum este mult mai mare decât era acum 14 miliarde de ani, când se presupune că s-a întâmplat big bang-ul.
După cum știți, pentru a accelera mișcarea corpului, acesta trebuie să transfere energie. Forța care face ca universul să se extindă mai repede se numește energie întunecată. Aceasta nu este o parte mai puțin misterioasă a cosmosului decât materia întunecată. Se știe doar că se caracterizează printr-o distribuție uniformă în tot universul, iar impactul său poate fi înregistrat doar la distanțe cosmice mari.
Și din nou constanta cosmologică
Energia întunecată a zdruncinat teoria Big Bang. O parte a lumii științifice este sceptică cu privire la posibilitatea unei astfel de substanțe și la accelerarea expansiunii cauzată de aceasta. Unii astrofizicieni încearcă să reînvie constanta cosmologică uitată a lui Einstein, care din nou din categoria unei mari greșeli științifice poate intra în numărul de ipoteze de lucru. Prezența sa în ecuații creează antigravitație, ceea ce duce la o accelerare a expansiunii. Cu toate acestea, unele consecințe ale prezenței constantei cosmologice nu sunt de acord cu datele observaționale.
Astăzi, materia întunecată și energia întunecată, care alcătuiesc cea mai mare parte a materiei din univers, sunt mistere pentru oamenii de știință. Nu există un singur răspuns la întrebarea despre natura lor. Mai mult, s-ar putea să nu ultimul secret care ține spațiu de noi. Materia întunecată și energia pot deveni pragul unor noi descoperiri care ne pot schimba înțelegerea structurii Universului.
Termenul „materie întunecată” (sau masă ascunsă) este folosit în zone diferiteștiințe: în cosmologie, astronomie, fizică. Este despre despre un obiect ipotetic - o formă a conținutului spațiului și timpului care interacționează direct cu radiația electromagnetică și nu o trece prin ea însăși.
Materia întunecată - ce este?
Din timpuri imemoriale, oamenii au fost preocupați de originea Universului și de procesele care îl formează. În epoca tehnologiei au fost făcute descoperiri importante, iar baza teoretică a fost extinsă semnificativ. În 1922, fizicianul britanic James Jeans și astronomul olandez Jacobus Kaptein au descoperit că majoritatea materia galactică nu este vizibilă. Apoi, pentru prima dată, a fost numit termenul de materie întunecată - aceasta este o substanță care nu poate fi văzută de niciunul dintre cunoscută omenirii moduri. Prezența unei substanțe misterioase este dată de semne indirecte - un câmp gravitațional, gravitația.
Materia întunecată în astronomie și cosmologie
Presupunând că toate obiectele și părțile universului sunt atrase unele de altele, astronomii au reușit să găsească masa spațiului vizibil. Dar s-a găsit o discrepanță în greutatea reală și cea prezisă. Și oamenii de știință au descoperit că există o masă invizibilă, care reprezintă până la 95% din toată esența necunoscută din Univers. Materia întunecată din spațiu are următoarele caracteristici:
- afectate de gravitație
- afectează alte obiecte spațiale,
- interacțiune redusă cu lumea reală.
Materia întunecată - filozofie
Un loc special îl ocupă materia întunecată în filosofie. Această știință este angajată în studiul ordinii mondiale, al fundamentelor ființei, al sistemului lumilor vizibile și invizibile. O anumită substanță a fost luată ca principiu fundamental, determinată de spațiu, timp și factori de mediu. Descoperită mult mai târziu, misterioasa materie întunecată a cosmosului a schimbat înțelegerea lumii, structura și evoluția ei. ÎN simț filozofic o substanță necunoscută, ca un cheag de energie spațială și temporală, este prezentă în fiecare dintre noi, de aceea oamenii sunt muritori, deoarece sunt formați din timp care are un sfârșit.
Pentru ce este materia întunecată?
Numai Mică parte obiecte spațiale(planete, stele etc.) - materie vizibilă. După standardele diverșilor oameni de știință, energia întunecată și materia întunecată ocupă aproape întreg spațiul din Cosmos. Primul reprezintă 21-24%, în timp ce energia consumă 72%. Fiecare substanță de natură fizică neclară are propriile sale funcții:
- Energia neagră, care nu absoarbe și nu emite lumină, respinge obiectele, determinând extinderea universului.
- Galaxiile sunt construite pe baza masei ascunse, forța sa atrage obiectele din spațiul cosmic, le menține la locul lor. Adică încetinește expansiunea universului.
Din ce este făcută materia întunecată?
materia întunecată în sistem solar- acesta este ceva ce nu poate fi atins, examinat și studiat temeinic. Prin urmare, sunt prezentate mai multe ipoteze cu privire la natura și compoziția sa:
- Nu cunoscută științei particulele implicate în gravitație sunt o componentă a acestei substanțe. Este imposibil să le detectezi cu un telescop.
- Fenomenul este un grup de găuri negre mici (nu mai mari decât luna).
Este posibil să se distingă două tipuri de masă ascunsă, în funcție de viteza particulelor sale constitutive, de densitatea acumulării lor.
- Fierbinte. Nu este suficient pentru formarea galaxiilor.
- Rece. Constă din cheaguri lente, masive. Aceste componente pot fi cunoscute de știință axionilor și bosonilor.
Există materia întunecată?
Toate încercările de a măsura obiecte de natură fizică neexplorată nu au avut succes. În 2012, a fost investigată mișcarea a 400 de stele în jurul Soarelui, dar prezența materiei ascunse în volume mari nu a fost dovedit. Chiar dacă materia întunecată nu există în realitate, ea există în teorie. Cu ajutorul lui, se explică locația obiectelor Universului în locurile lor. Unii oameni de știință găsesc dovezi pentru existența masei cosmice ascunse. Prezența sa în univers explică faptul că grupurile de galaxii nu se împrăștie în direcții diferite și se lipesc împreună.
Materia întunecată - fapte interesante
Natura masei ascunse rămâne un mister, dar continuă să intereseze mințile științifice din întreaga lume. Experimentele sunt efectuate în mod regulat, cu ajutorul cărora se încearcă investigarea substanței în sine și a acesteia efecte secundare. Iar faptele despre ea continuă să se înmulțească. De exemplu:
- Reclamatul Large Hadron Collider, cel mai puternic accelerator de particule din lume, rulează la putere mare pentru a dezvălui existența materiei invizibile în spațiu. Comunitatea mondială așteaptă cu interes rezultatele.
- Oamenii de știință japonezi creează prima hartă de masă ascunsă din lume în spațiu. Este planificat să fie finalizat până în 2019.
- Recent, fizicianul teoretician Lisa Randall a sugerat că materia întunecată și dinozaurii sunt înrudiți. Această substanță a trimis o cometă pe Pământ, care a distrus viața de pe planetă.
Componentele galaxiei noastre și ale întregului Univers sunt materia luminoasă și întunecată, adică obiecte vizibile și invizibile. Dacă cu studiul primului tehnologie moderna face față, metodele sunt în permanență îmbunătățite, atunci este foarte problematică investigarea substanțelor ascunse. Omenirea nu a ajuns încă să înțeleagă acest fenomen. Materia întunecată invizibilă, intangibilă, dar omniprezentă a fost și rămâne unul dintre principalele mistere ale Universului.
Articole ale ciclului, am examinat structura universului vizibil. Am vorbit despre structura sa și despre particulele care formează această structură. Despre jocul de nucleoni rol principal, deoarece din ele constă toată materia vizibilă. Despre fotoni, electroni, neutrini, precum și actori secundari implicați în performanța universală care se desfășoară la 14 miliarde de ani de la Big Bang. S-ar părea că nu mai e nimic de vorbit. Dar nu este. Faptul este că substanța pe care o vedem este doar o mică parte din ceea ce constă lumea noastră. Orice altceva este ceva despre care nu știm aproape nimic. Acest „ceva” misterios se numește materie întunecată.
Dacă umbrele obiectelor nu depind de mărimea acestora din urmă,
dar ar avea propria lor creștere arbitrară, atunci, poate,
în curând nu va fi lăsat deloc globul fără puncte luminoase.
Kozma Prutkov
Ce se va întâmpla cu lumea noastră?
După descoperirea în 1929 de către Edward Hubble a deplasării spre roșu în spectrele galaxiilor îndepărtate, a devenit clar că Universul se extinde. Una dintre întrebările care au apărut în acest sens a fost următoarea: cât va continua extinderea și cum se va termina? Forțele de atracție gravitațională care acționează între părți separate ale Universului tind să încetinească fuga acestor părți. La ce va duce decelerația depinde de masa totală a Universului. Dacă este suficient de mare, forțele gravitaționale vor opri treptat expansiunea și va fi înlocuită prin contracție. Drept urmare, Universul se va „colapsa” din nou până la punctul de la care a început cândva să se extindă. Dacă masa este mai mică decât o anumită masă critică, atunci expansiunea va continua pentru totdeauna. De obicei, se obișnuiește să se vorbească nu despre masă, ci despre densitate, care este legată de masă printr-o relație simplă cunoscută din curs şcolar: Densitatea este masa împărțită la volum.
Valoarea calculată a densității medii critice a Universului este de aproximativ 10 -29 grame pe centimetru cub, ceea ce corespunde unei medii de cinci nucleoni pe metru cub. Trebuie subliniat că vorbim despre densitatea medie. Concentrația caracteristică de nucleoni în apă, pământ și în noi este de aproximativ 10 30 pe metru cub. Cu toate acestea, în golul care separă grupurile de galaxii și ocupă partea leului din volumul Universului, densitatea este cu zece ordine de mărime mai mică. Valoarea concentrației de nucleon, mediată pe întregul volum al Universului, a fost măsurată de zeci și sute de ori, numărând cu atenție metode diferite numărul de stele și nori de gaz și praf. Rezultatele unor astfel de măsurători diferă oarecum, dar concluzia calitativă rămâne aceeași: valoarea densității Universului abia ajunge la câteva procente din valoarea critică.
Prin urmare, până în anii 70 ai secolului XX, prognoza general acceptată a fost expansiunea eternă a lumii noastre, care trebuie să ducă inevitabil la așa-numita moarte termică. Moartea termică este o stare a unui sistem când substanța din acesta este distribuită uniform și diferitele sale părți au aceeași temperatură. În consecință, nici transferul de energie dintr-o parte a sistemului în alta, nici redistribuirea materiei nu este posibilă. Într-un astfel de sistem, nimic nu se întâmplă și nu se mai poate întâmpla niciodată. O analogie clară este apa vărsată pe o suprafață. Dacă suprafața este neuniformă și există cel puțin ușoare diferențe de cotă, apa se deplasează de-a lungul ei din locuri mai înalte în locuri mai joase și în cele din urmă se adună în zonele joase, formând bălți. Mișcarea se oprește. Singura consolare era că moartea prin căldură va avea loc în zeci și sute de miliarde de ani. Prin urmare, nu se poate gândi la această perspectivă sumbră pentru foarte, foarte mult timp.
Cu toate acestea, a devenit treptat clar că adevărata masă a Universului este mult mai mare decât masa vizibilă conținută în stele și norii de gaz și praf și, cel mai probabil, este aproape de critică. Și poate exact egal cu el.
Dovezi pentru existența materiei întunecate
Primul indiciu că ceva nu era în neregulă cu calculul masei universului a apărut la mijlocul anilor 1930. Astronomul elvețian Fritz Zwicky a măsurat viteza cu care galaxiile din Clusterul Comă (unul dintre cele mai mari clustere cunoscute de noi, include mii de galaxii) se mișcă în jurul unui centru comun. Rezultatul a fost descurajator: vitezele galaxiilor s-au dovedit a fi mult mai mari decât se putea aștepta pe baza masei totale observate a clusterului. Aceasta însemna că adevărata masă a clusterului Coma Berenices era mult mai mare decât cea vizibilă. Dar principala cantitate de materie prezentă în această regiune a Universului rămâne, din anumite motive, invizibilă și inaccesibilă observațiilor directe, manifestându-se doar gravitațional, adică doar ca masă.
Prezența unei mase ascunse în clustere de galaxii este evidențiată și de experimente pe așa-numita lentilă gravitațională. Explicația acestui fenomen decurge din teoria relativității. În conformitate cu aceasta, orice masă deformează spațiul și, ca o lentilă, distorsionează cursul rectiliniu al razelor de lumină. Distorsiunea pe care o provoacă un grup de galaxii este atât de mare încât este ușor de observat. În special, din distorsiunea imaginii galaxiei care se află în spatele clusterului, se poate calcula distribuția materiei în clusterul de lentile și, prin urmare, se poate măsura masa totală a acestuia. Și se dovedește că este întotdeauna de multe ori mai mare decât contribuția materiei vizibile a clusterului.
La 40 de ani după lucrările lui Zwicky, în anii 70, astronomul american Vera Rubin a studiat viteza de rotație în jurul centrului galactic al materiei situat la periferia galaxiilor. În conformitate cu legile lui Kepler (și ele decurg direct din lege gravitatie), atunci când se deplasează de la centrul galaxiei la periferia acesteia, viteza de rotație a obiectelor galactice ar trebui să scadă invers proporțional. rădăcină pătrată de la distanta pana la centru. Măsurătorile au arătat că pentru multe galaxii această viteză rămâne aproape constantă la o distanță foarte considerabilă de centru. Aceste rezultate pot fi interpretate într-un singur fel: densitatea materiei în astfel de galaxii nu scade atunci când se îndepărtează de centru, ci rămâne aproape neschimbată. Deoarece densitatea materiei vizibile (conținută în stele și gazul interstelar) scade rapid spre periferia galaxiei, ceva trebuie să furnizeze densitatea lipsă pe care nu o putem vedea din anumite motive. O explicație cantitativă a dependențelor observate ale vitezei de rotație de distanța până la centrul galaxiilor necesită ca acest „ceva” invizibil să fie de aproximativ 10 ori mai mare decât materia vizibilă obișnuită. Acest „ceva” se numește „materie întunecată” (în engleză „ materie întunecată”) și rămâne încă cel mai intrigant mister din astrofizică.
O altă dovadă importantă pentru prezența materiei întunecate în lumea noastră provine din calcule care modelează formarea galaxiilor care a început la aproximativ 300.000 de ani după începerea Big Bang-ului. Aceste calcule arată că forțele de atracție gravitațională care au acționat între fragmentele zburătoare ale materiei apărute în timpul exploziei nu au putut compensa energia cinetică a expansiunii. Pur și simplu, problema nu ar fi trebuit să se adună în galaxii, pe care totuși le observăm era moderna. Această problemă se numește paradoxul galactic și perioadă lungă de timp a fost considerat un argument serios împotriva teoriei Big Bang. Cu toate acestea, dacă presupunem că particulele de materie obișnuită în universul timpuriu au fost amestecate cu particule de materie întunecată invizibilă, apoi totul se încadrează în calcule și capetele încep să convergă - formarea de galaxii din stele, iar apoi grupuri de galaxii devin posibile. În același timp, după cum arată calculele, la început un număr imens de particule de materie întunecată s-au înghesuit în galaxii și abia apoi, din cauza forțelor gravitaționale, s-au adunat pe ele elemente de materie obișnuită, a căror masă totală era doar câteva procente din masa totală a Universului. Se pare că lumea vizibilă familiară și aparent studiată în detaliu, pe care destul de recent am considerat-o aproape înțeleasă, este doar o mică adăugare la ceva din care constă de fapt Universul. Planetele, stelele, galaxiile și tu și cu mine suntem doar un ecran pentru un „ceva” imens despre care habar n-avem.
Fotofact
Un grup de galaxii (în partea stângă jos a zonei încercuite) creează o lentilă gravitațională. Distorsionează forma obiectelor situate în spatele lentilei - întinzându-le imaginile într-o direcție. După dimensiune și direcția de tragere grup international astronomii de la Observatorul Europei de Sud, conduși de oameni de știință de la Institutul de Astrofizică din Paris, au construit distribuția de masă, care este prezentată în imaginea de jos. După cum puteți vedea, în cluster este concentrată mult mai multă masă decât poate fi văzută printr-un telescop.
Vânătoarea de obiecte masive întunecate nu este o afacere rapidă, iar în fotografie rezultatul nu arată cel mai spectaculos. În 1995, telescopul Hubble a observat că una dintre stele din Marele Nor Magellanic a fulgerat mai strălucitor. Această strălucire a durat mai bine de trei luni, dar apoi steaua a revenit la starea sa naturală. Și șase ani mai târziu, un obiect abia luminos a apărut lângă stea. Aceasta a fost pitica rece, care, trecând la o distanță de 600 de ani lumină de stea, a creat o lentilă gravitațională care amplifică lumina. Calculele au arătat că masa acestui pitic este doar 5-10% din masa Soarelui.
În cele din urmă, teoria generală a relativității leagă în mod unic rata de expansiune a universului cu densitate medie substanță conținută în acesta. Presupunând că curbura medie a spațiului este egală cu zero, adică geometria lui Euclid operează în ea și nu a lui Lobaciovski (care este verificată în mod fiabil, de exemplu, în experimente cu radiații de fond), această densitate ar trebui să fie egală cu 10 -29 grame pe centimetru cub. Densitatea materiei vizibile este de aproximativ 20 de ori mai mică. Lipsa 95% din masa universului este materie întunecată. Rețineți că valoarea densității măsurată din rata de expansiune a Universului este critică. Două valori calculate perfect independent căi diferite potrivite! Dacă în realitate densitatea Universului este exact egală cu cea critică, aceasta nu poate fi o coincidență, ci este o consecință a unei proprietăți fundamentale a lumii noastre, care nu a fost încă înțeleasă și înțeleasă.
Ce-i asta?
Ce știm astăzi despre materia întunecată, care reprezintă 95% din masa universului? Aproape nimic. Dar știm ceva. În primul rând, nu există nicio îndoială că materia întunecată există - acest lucru este evidențiat în mod irefutat de faptele citate mai sus. De asemenea, știm cu siguranță că materia întunecată există sub mai multe forme. După să începutul lui XXI secol ca urmare a multor ani de observații în experimente SuperKamiokande(Japonia) și SNO (Canada) s-a constatat că neutrinii au masă, a devenit clar că de la 0,3% la 3% din 95% din masa ascunsă se află în neutrini pe care îi cunoaștem de mult - chiar dacă masa lor este extrem de mică, dar numărul Universului este de aproximativ un miliard de ori mai mare decât numărul de nucleoni: fiecare centimetru cub conține în medie 300 de neutrini. Restul de 92-95% este format din două părți - materie întunecată și energie întunecată. O fracțiune nesemnificativă a materiei întunecate este alcătuită din materie barionică obișnuită construită din nucleoni; aparent, unele particule masive necunoscute care interacționează slab (așa-numita materie întunecată rece) sunt responsabile pentru restul. Bilanțul energetic din Universul modern este prezentat în tabel, iar povestea ultimelor trei coloane ale sale este mai jos.
materie întunecată barionică
O mică parte (4-5%) de materie întunecată este materie obișnuită care nu emite sau aproape nu emite propria radiație și, prin urmare, este invizibilă. Existența mai multor clase de astfel de obiecte poate fi considerată confirmată experimental. Cele mai complexe experimente bazate pe aceeași lentilă gravitațională au dus la descoperirea așa-numitelor obiecte compacte masive de halo, adică situate la periferia discurilor galactice. Acest lucru a necesitat urmărirea a milioane de galaxii îndepărtate de-a lungul mai multor ani. Când un corp masiv întunecat trece între un observator și o galaxie îndepărtată, luminozitatea sa este un timp scurt scade (sau crește, deoarece corpul întunecat acționează ca o lentilă gravitațională). În urma unor percheziții minuțioase, au fost identificate astfel de evenimente. Natura obiectelor halo compacte masive nu este complet clară. Cel mai probabil, acestea sunt fie stele răcite (pitice maro), fie obiecte asemănătoare planetelor care nu sunt asociate cu stelele și călătoresc în jurul galaxiei de la sine. Un alt reprezentant al materiei întunecate barionice este un gaz fierbinte descoperit recent în grupuri de galaxii folosind astronomia cu raze X, care nu strălucește în intervalul vizibil.
Materia întunecată non-barionică
Principalii candidați pentru materia întunecată non-barionică sunt așa-numitele WIMP-uri (prescurtare de la engleză Particule masive slab interactive sunt particule masive care interacționează slab). O caracteristică a WIMP-urilor este că aproape că nu se manifestă în interacțiunea cu materia obișnuită. De aceea sunt adevărata materie întunecată invizibilă și de ce sunt extrem de greu de detectat. Masa unui WIMP trebuie să fie de cel puțin zeci de ori mai mare decât masa unui proton. Căutarea WIMP a fost efectuată în multe experimente în ultimii 20-30 de ani, dar în ciuda tuturor eforturilor, acestea nu au fost încă descoperite.
O idee este că, dacă astfel de particule există, atunci Pământul, în mișcarea sa cu Soarele pe orbită în jurul centrului galaxiei, ar trebui să zboare printr-o ploaie de WIMP. În ciuda faptului că WIMP este o particulă care interacționează extrem de slab, are încă o probabilitate foarte mică de a interacționa cu un atom obișnuit. In acest caz, in instalatii speciale - foarte complexe si costisitoare - se poate inregistra un semnal. Numărul de astfel de semnale ar trebui să se schimbe pe parcursul anului, deoarece, deplasându-se pe orbită în jurul Soarelui, Pământul își schimbă viteza și direcția de mișcare în raport cu vântul, constând din WIMP. Grupul experimental DAMA, care lucrează la laboratorul subteran italian Gran Sasso, raportează variațiile anuale observate în rata de numărare a semnalelor. Cu toate acestea, alte grupuri nu confirmă încă aceste rezultate, iar întrebarea rămâne în esență deschisă.
O altă metodă de căutare WIMP se bazează pe presupunerea că, pe parcursul a miliarde de ani de existență, diferite obiecte astronomice (Pământul, Soarele, centrul galaxiei noastre) ar trebui să captureze WIMP-uri care se acumulează în centrul acestor obiecte și, anihilându-se cu fiecare. altele, dau naștere unui flux de neutrini. Încercările de detectare a fluxului de neutrini în exces din centrul Pământului către Soare și către centrul Galaxiei au fost făcute pe detectoarele de neutrini subterane și subacvatice MACRO, LVD (laboratorul Gran Sasso), NT-200 (Lacul Baikal, Rusia) , SuperKamiokande, AMANDA (stația Scott -Amundsen, polul Sud), dar până acum nu au dus la un rezultat pozitiv.
Experimentele de căutare pentru WIMP sunt, de asemenea, efectuate în mod activ la acceleratoarele de particule elementare. Conform celebrei ecuații a lui Einstein E=mc 2 , energia este echivalentă cu masa. Prin urmare, prin accelerarea unei particule (de exemplu, un proton) la un foarte energie mareși ciocnind-o cu o altă particulă, ne putem aștepta la crearea de perechi de alte particule și antiparticule (inclusiv WIMP), a căror masă totală este egală cu energia totală a particulelor care se ciocnesc. Dar experimentele cu acceleratorul nu au dus încă la un rezultat pozitiv.
energie întunecată
La începutul secolului trecut, Albert Einstein, dorind să ofere model cosmologicîn teorie generală relativitatea independenței timpului, a introdus așa-numita constantă cosmologică în ecuațiile teoriei, pe care le-a desemnat Literă greacă„lambda” - Λ. Acest Λ a fost o constantă pur formală, în care Einstein însuși nu vedea niciun sens fizic. După ce a fost descoperită expansiunea Universului, nevoia acesteia a dispărut. Einstein i-a părut foarte rău pentru graba sa și a numit constanta cosmologică Λ cea mai mare a sa eroare științifică. Cu toate acestea, zeci de ani mai târziu, s-a dovedit că constanta Hubble, care determină rata de expansiune a Universului, se modifică în timp, iar dependența sa de timp poate fi explicată prin alegerea valorii constantei Einstein foarte „eronate” Λ, care contribuie la densitatea latentă a Universului. Această parte a masei ascunse a devenit cunoscută drept „energie întunecată”.
Despre energia întunecată se poate spune și mai puțin decât despre materia întunecată. În primul rând, este distribuit uniform în tot universul, spre deosebire de materia obișnuită și alte forme de materie întunecată. Există la fel de mult în galaxii și grupuri de galaxii ca și în afara lor. În al doilea rând, are câteva proprietăți foarte ciudate care pot fi înțelese doar analizând ecuațiile teoriei relativității și interpretând soluțiile acestora. De exemplu, energia întunecată experimentează antigravitația: datorită prezenței sale, rata de expansiune a Universului este în creștere. Energia întunecată, așa cum spune, se împinge, accelerând astfel împrăștierea materiei obișnuite colectate în galaxii. Energia întunecată are și presiune negativă, din cauza căreia ia naștere o forță în substanță care o împiedică să se întindă.
Principalul candidat pentru rolul energiei întunecate este vidul. Densitatea energiei în vid nu se modifică odată cu expansiunea Universului, ceea ce corespunde presiunii negative. Un alt candidat este un câmp ipotetic foarte slab numit chintesență. Speranțele pentru clarificarea naturii energiei întunecate sunt asociate în primul rând cu noile observații astronomice. Progresul în această direcție va aduce, fără îndoială, cunoștințe radical noi omenirii, deoarece, în orice caz, energia întunecată trebuie să fie o substanță complet neobișnuită, absolut spre deosebire de ceea ce s-a ocupat fizica până acum.
Deci, lumea noastră este 95% din ceva despre care nu știm aproape nimic. Se poate trata un astfel de fapt incontestabil în moduri diferite. Poate provoca anxietate, care însoțește întotdeauna o întâlnire cu ceva necunoscut. Sau dezamăgire pentru că un mod atât de lung și complicat de a construi o teorie fizică care descrie proprietățile lumii noastre a condus la o afirmație: cea mai mare parte a Universului este ascunsă de noi și necunoscută nouă.
Dar majoritatea fizicienilor sunt acum bucuroși. Experiența arată că toate ghicitorile pe care natura le punea omenirii au fost rezolvate mai devreme sau mai târziu. Fără îndoială, se va rezolva și ghicitoarea materiei întunecate. Și acest lucru va aduce cu siguranță cunoștințe și concepte complet noi despre care încă habar nu avem. Și poate ne vom întâlni cu noi mistere, care, la rândul lor, vor fi și ele rezolvate. Dar va fi o cu totul altă poveste, pe care cititorii revistei Chimie și viață o vor putea citi nu mai devreme decât peste câțiva ani. Sau poate peste câteva decenii.
Joacă un rol decisiv în dezvoltarea universului. Cu toate acestea, încă se știe puțin despre această substanță ciudată. Profesorul Matthias Bartelmann - Institutul Heidelberg pentru Astrofizică Teoretică - explică modul în care s-a făcut cercetarea materiei întunecate, răspunzând la o serie de întrebări ale jurnaliştilor.
si cum apare?
Nu am nici o idee! Până acum, nimeni. Probabil constă din particule elementare grele. Dar nimeni nu știe dacă sunt cu adevărat particule. În orice caz, ele sunt foarte diferite de tot ce am cunoscut până acum.
Este ca și cum ai descoperi o specie de animale cu totul nouă?
Da, așa e, este o comparație bună.
Cine a descoperit materia întunecată și când?
În 1933, Fritz Zwicky a luat în considerare mișcarea galaxiilor în clustere de galaxii, care depinde de masa totală a clusterului. Cercetătorul a observat că galaxiile, având în vedere masa lor calculată, se mișcă foarte repede. Acesta a fost primul indiciu de materie întunecată. Nicio materie cunoscută nu ar putea explica de ce stelele din galaxii se lipesc împreună: ele trebuie să se despartă din cauza vitezei lor mari de circulație.
Lentila gravitațională Fotografie: Wissensschreiber
Ce alte dovezi mai sunt?
O dovadă destul de bună este efectul lentilei gravitaționale. Galaxiile îndepărtate ni se par distorsionate, deoarece razele de lumină se abat de la materie pe drumul lor. E ca și cum ai privi prin sticlă canelată. Și efectul este mai puternic decât ar fi dacă ar exista numai materia vizibilă.
Cum arată materia întunecată?
Nu poate fi văzut, deoarece nu există nicio interacțiune a materiei întunecate și radiatie electromagnetica. Aceasta înseamnă că nu reflectă lumina și nu emite nicio radiație.
Atunci cum studiezi materia întunecată? Ce instrumente sunt necesare pentru cercetare?
Nu studiem în mod specific materia întunecată, ci doar manifestările acesteia, de exemplu, efectul unei lentile gravitaționale. Sunt un teoretician. De fapt, am nevoie doar de computerul meu, de un pix și de o foaie de hârtie. Dar folosesc și date de la telescoape mari din Hawaii și Chile.
Este posibil să descriem materia întunecată?
Da, puteți crea un fel de hartă a distribuției sale. Așa cum arată liniile dealurilor harta geografica contururile muntelui, aici se vede prin densitatea liniilor, unde este în special multă materie întunecată.
Când a apărut ea?
Materia întunecată a apărut fie direct la Big Bang, fie 10.000-100.000 de ani mai târziu. Dar încă studiem asta.
Câtă materie neagră există?
Nimeni nu poate spune sigur. Dar, pe baza ultimele cercetări, credem că există aproximativ șapte până la opt ori mai multă materie întunecată în univers decât materie vizibilă.
Modelarea computerizată arată distribuția materiei întunecate sub formă de rețea și vedem acumularea acesteia în zonele cele mai luminoase.
Foto: Volker Springel
Există o relație între energia întunecată și materia întunecată?
Probabil ca nu. Energia întunecată asigură expansiunea accelerată a universului, în timp ce materia întunecată ține galaxiile împreună.
De unde a venit ea?
Materia întunecată este probabil peste tot, doar că nu este distribuită uniform - la fel ca materia vizibilă, formează aglomerări.
Care este semnificația materiei întunecate pentru noi și viziunea noastră asupra lumii?
Pentru Viata de zi cu zi ea nu contează. Dar în astrofizică este foarte important, deoarece joacă un rol decisiv în dezvoltarea Universului.
Din ce este făcut universul nostru? 4,9% - materie vizibilă, 26,8% materie întunecată, 68,3% - energie întunecată Foto: Wissensschreiber
Ce va aduce ea în viitor?
Probabil nimic mai mult. Anterior, pentru dezvoltarea universului, a fost foarte important. Astăzi, ține doar galaxii individuale împreună. Și pe măsură ce universul continuă să se extindă, devine din ce în ce mai dificil să apară noi structuri de materie întunecată.
Va fi posibilă în viitor imaginea directă a materiei întunecate folosind instrumente?
Da, este posibil. De exemplu, se pot măsura vibrațiile care apar atunci când particulele de materie întunecată se ciocnesc cu atomii dintr-un cristal. La fel se întâmplă și în acceleratorul de particule: dacă particule elementare par să zboare într-o direcție neașteptată fără niciun motiv, atunci o particulă necunoscută poate fi de vină. Atunci aceasta ar fi o altă dovadă a existenței materiei întunecate. Imaginează-ți: stai pe un teren de fotbal și există o minge în fața ta. El zboară brusc fără niciunul motiv aparent. Trebuie să fi fost doborât de ceva invizibil.
Ce te interesează cel mai mult în munca ta?
Sunt atras de presupunerea că materia vizibilă este doar o mică parte din tot și nu avem idee despre restul.
Vă mulțumesc pentru timpul acordat. Sperăm că veți afla mai multe despre materia întunecată în curând!
>Ce s-a întâmplat materie întunecată și energie întunecată Univers: structura spațiului cu o fotografie, volumul în procente, influența asupra obiectelor, cercetarea, extinderea Universului.
Aproximativ 80% din spațiu este reprezentat de material care este ascuns observării directe. Este vorba despre materie întunecată- o substanta care nu produce energie si lumina. Cum au înțeles cercetătorii că domină?
În anii 1950, oamenii de știință au început să studieze în mod activ alte galaxii. În cursul analizelor, s-a observat că Universul este plin cu mai mult material decât poate fi surprins de „ochiul vizibil”. Susținătorii materiei întunecate au apărut în fiecare zi. Deși nu existau dovezi directe ale existenței sale, teoriile au crescut, la fel ca și ocolurile observației.
Materialul pe care îl vedem se numește materie barionică. Este reprezentat de protoni, neutroni și electroni. Se crede că materia întunecată este capabilă să combine materia barionică cu cea nebarionică. Pentru ca Universul să rămână în integritatea sa obișnuită, materia întunecată trebuie să fie în proporție de 80%.
Materia evazivă poate fi incredibil de dificil de găsit dacă conține materie barionică. Printre solicitanți sunt numite pitice maro și albe, precum și stele neutronice. Găurile negre supermasive se pot adăuga, de asemenea, la diferență. Dar ar fi trebuit să aibă un impact mai mare decât ceea ce au văzut oamenii de știință. Sunt cei care cred că materia întunecată trebuie să fie compusă din ceva mai neobișnuit și mai rar.
Imagine compozită Hubble care arată inelul fantomatic al materiei întunecate din clusterul de galaxii Cl 0024+17
Majoritatea lumii științifice consideră că materia necunoscută este reprezentată în principal de materie non-barionică. Cel mai popular candidat este WIMPS (particule masive care contactează slab), a căror masă este de 10-100 de ori mai mare decât a unui proton. Dar interacțiunea lor cu materia obișnuită este prea slabă, ceea ce face mai greu de găsit.
Neutrinii sunt acum luați în considerare cu atenție - particule ipotetice masive care sunt mai mari decât neutrinii în masă, dar se disting prin încetineala lor. Încă nu au fost găsite. Axioma neutră mai mică și fotonii curați sunt, de asemenea, luați în considerare ca opțiuni.
O altă opțiune este cunoștințele învechite despre gravitație care trebuie actualizate.
Materia întunecată invizibilă și energie întunecată
Dar, dacă nu vedem ceva, cum putem demonstra că există? Și de ce am decis că materia întunecată și energia întunecată sunt ceva real?
Masa obiectelor mari este calculată din deplasarea lor spațială. În anii 1950, cercetătorii care se uitau la galaxii de tip spirală au presupus că materialul apropiat de centru se va mișca mult mai repede decât materialul îndepărtat. Dar s-a dovedit că stelele s-au mișcat cu aceeași viteză, ceea ce înseamnă că a existat mult mai multă masă decât se credea anterior. Gazul studiat în tipuri eliptice a arătat aceleași rezultate. Și-a sugerat aceeași concluzie: dacă ne concentrăm doar pe masa aparenta, atunci clusterele de galaxii s-ar fi prăbușit cu mult timp în urmă.
Albert Einstein a reușit să demonstreze că obiectele mari din univers sunt capabile să îndoaie și să distorsioneze razele de lumină. Acest lucru le-a permis să fie folosite ca lentilă naturală de mărire. Investigând acest proces, oamenii de știință au reușit să creeze o hartă a materiei întunecate.
Se pare că cea mai mare parte a lumii noastre este reprezentată de o substanță încă evazivă. Veți afla mai multe lucruri interesante despre materia întunecată dacă urmăriți videoclipul.
Materie întunecată
Fizicianul Dmitri Kazakov despre echilibrul energetic general al Universului, teoria masei ascunse și a particulelor de materie întunecată:
Dacă vorbim despre materie, atunci cel întunecat conduce cu siguranță în ceea ce privește procent. Dar, în general, este nevoie de doar un sfert din tot. Universul abundă energie întunecată.
De cand Marea explozie spațiul a început un proces de expansiune care continuă și astăzi. Cercetătorii credeau că în cele din urmă energia inițială se va epuiza și va încetini. Dar supernovele îndepărtate demonstrează că spațiul nu se oprește, ci crește viteză. Toate acestea sunt posibile numai dacă cantitatea de energie este atât de mare încât depășește influența gravitațională.
Materia întunecată și energia întunecată: clarificarea ghicitorii
Știm că Universul, în cea mai mare parte, este reprezentat de energie întunecată. Aceasta este o forță misterioasă care face ca spațiul să crească rata de expansiune a universului. O altă componentă misterioasă este materia întunecată, care menține contactul cu obiectele doar cu ajutorul gravitației.
Oamenii de știință nu pot vedea materia întunecată în mod direct, dar efectele pot fi studiate. Ei reușesc să capteze lumina care este îndoită de forța gravitațională a obiectelor invizibile (lentila gravitațională). Observați și momentele în care steaua face revoluții în jurul galaxiei mult mai repede decât ar trebui.
Toate acestea se datorează prezenței sumă uriașă o substanță evazivă care afectează masa și viteza. De fapt, această substanță este învăluită în secrete. Se pare că cercetătorii sunt mai predispuși să spună nu ceea ce se află în fața lor, ci ce „nu” este.
Acest colaj prezintă imagini cu șase grupuri de galaxii diferite, luate cu telescopul spațial NASA Hubble. Clusterele au fost descoperite în timpul încercărilor de a studia comportamentul materiei întunecate din clusterele de galaxii atunci când acestea se ciocnesc.
Materia întunecată... întunecată. Nu produce lumină și nu este observată în vedere directă. Prin urmare, excludem stelele și planetele.
Nu acționează ca un nor de materie obișnuită (astfel de particule se numesc barioni). Dacă barionii ar fi prezenți în materia întunecată, atunci s-ar manifesta prin observare directă.
Excludem, de asemenea, găurile negre, deoarece acţionează ca lentile gravitaţionale care emit lumină. Oamenii de știință nu observă suficiente evenimente de lentilă pentru a calcula cantitatea de materie întunecată care ar trebui să fie prezentă.
Deși Universul este un loc imens, totul a început cu cele mai mici structuri. Se crede că materia întunecată a început să se condenseze pentru a crea „blocuri de construcție” cu materia normală, producând primele galaxii și clustere.
Pentru a găsi materia întunecată, oamenii de știință folosesc diverse metode:
- Marele Ciocnitor de Hadroni.
- instrumente precum WNAP și observatorul spațial Planck.
- experimente de revizuire directă: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP și ArDM.
- detecție indirectă: detectoare de raze gamma (Fermi), telescoape neutrino (IceCube), detectoare de antimaterie (PAMELA), senzori de raze X și radio.
Metode de căutare a materiei întunecate
Fizicianul Anton Baushev despre interacțiunile slabe dintre particule, radioactivitate și căutarea urmelor de anihilare:
Aprofundarea în misterul materiei întunecate și al energiei întunecate
De mai multe ori, oamenii de știință nu au reușit să vadă literalmente materia întunecată, deoarece aceasta nu intră în contact cu materia barionică, ceea ce înseamnă că rămâne evazivă la lumină și alte tipuri de radiații electromagnetice. Dar cercetătorii sunt încrezători în prezența sa, deoarece observă impactul asupra galaxiilor și clusterelor.
Fizica standard spune că stelele situate la marginile unei galaxii spirale ar trebui să încetinească. Dar se dovedește că apar stele a căror viteză nu se supune principiului locației în raport cu centrul. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că stelele simt influența materiei întunecate invizibile în haloul din jurul galaxiei.
Prezența materiei întunecate este, de asemenea, capabilă să descifreze unele dintre iluziile observate în adâncurile universale. De exemplu, prezența inelelor ciudate și a arcelor de lumină în galaxii. Adică, lumina din galaxiile îndepărtate trece prin distorsiune și este amplificată de un strat invizibil de materie întunecată (lentila gravitațională).
Până acum, avem câteva idei despre ce este materia întunecată. ideea principala- Acestea sunt particule exotice care nu intră în contact cu materia obișnuită și lumina, dar au putere în sens gravitațional. Acum mai multe grupuri (unele care folosesc Large Hadron Collider) lucrează la crearea particulelor de materie întunecată pentru a le studia în laborator.
Alții cred că influența poate fi explicată printr-o modificare fundamentală a teoriei gravitaționale. Apoi obținem mai multe forme de gravitație, care diferă semnificativ de imaginea obișnuită și de legile stabilite de fizică.
Universul în expansiune și energia întunecată
Situația cu energia întunecată este și mai complicată, iar descoperirea în sine din anii 1990 a devenit imprevizibilă. Fizicienii au crezut întotdeauna că forța gravitației lucrează pentru a încetini și într-o zi poate opri procesul de expansiune universală. Două echipe au luat simultan măsurarea vitezei și ambele, spre surprinderea lor, au dezvăluit accelerația. E ca și cum ai arunca un măr în aer și știi că trebuie să cadă și se îndepărtează din ce în ce mai mult de tine.
A devenit clar că o anumită forță influențează accelerația. Mai mult, se pare că cu cât Universul este mai larg, cu atât această forță primește mai multă „putere”. Oamenii de știință au decis să o desemneze drept energie întunecată.
