Până în prezent, misterul de unde provine materia întunecată nu a fost rezolvat. Există teorii care sugerează că este compus din gaz interstelar la temperatură joasă. În acest caz, substanța nu poate emite nicio radiație. Cu toate acestea, există teorii împotriva acestei idei. Ei spun că gazul este capabil să se încălzească, ceea ce duce la faptul că devin substanțe „barionice” obișnuite. Această teorie este susținută de faptul că o masă de gaz în stare rece nu poate elimina deficitul care apare în acest caz.
Există atât de multe întrebări în teorii despre materia întunecată, încât merită să analizăm acest lucru mai în detaliu.
Ce este materia întunecată?
Întrebarea despre ce este materia întunecată a apărut acum aproximativ 80 de ani. Înapoi la începutul secolului al XX-lea. La acea vreme, astronomului din Elveția F. Zwicky a venit cu ideea că masa tuturor galaxiilor în realitate este mai mare decât masa tuturor acelor obiecte care pot fi văzute cu propriile gaze într-un telescop. Toate numeroasele indicii au sugerat că există ceva necunoscut în spațiu care are o masă impresionantă. S-a decis să denumească această substanță inexplicabilă „materie întunecată”.
Această substanță invizibilă ocupă cel puțin un sfert din întregul Univers. Particularitatea acestei substanțe este că particulele sale nu interacționează bine între ele și cu o altă substanță obișnuită. Această interacțiune este atât de slabă încât oamenii de știință nici măcar nu o pot detecta. De fapt, există doar semne de influență din partea particulelor.
Studiul acestei probleme este condus de cele mai mari minți din întreaga lume, așa că chiar și cei mai mari sceptici din lume cred că va fi posibil să prindeți particule de materie. Cel mai de dorit obiectiv este să o faci într-un cadru de laborator. În minele pe mare adâncime se lucrează, astfel de condiții pentru experimente sunt necesare pentru a elimina interferența pe care o au particulele de raze din spațiu.
Este posibil ca o mulțime de informații noi să fie obținute datorită acceleratoarelor moderne, în special cu ajutorul Large Hadron Collider.
Particulele de materie întunecată au una trăsătură ciudată- distrugerea reciprocă. Ca rezultat al unor astfel de procese, sunt produse raze gamma, antiparticule și particule (cum ar fi un electron și un pozitron). Prin urmare, astrofizicienii încearcă să găsească urme de radiații gamma sau antiparticule. Pentru aceasta se folosesc diverse instalații terestre și spațiale.
Dovezi pentru existența materiei întunecate
Primele îndoieli cu privire la corectitudinea calculelor masei Universului, așa cum am menționat deja, au fost împărtășite de astronomul din Elveția F. Zwicky. Pentru început, a decis să măsoare viteza galaxiilor din clusterul Coma care se mișcă în jurul centrului. Iar rezultatul muncii lui l-a nedumerit puțin, deoarece viteza de mișcare a acestor galaxii s-a dovedit a fi mai mare decât se așteptase. În plus, a calculat această valoare în avans. Dar rezultatele nu s-au potrivit.
Concluzia era evidentă: masa reală a clusterului era mult mai mare decât cea vizibilă. Acest lucru s-ar putea explica prin faptul că majoritatea materia, care se află în această parte a Universului, nu poate fi văzută și, de asemenea, este imposibil de observat. Această substanță își manifestă proprietățile numai sub forma unei mase.
O serie de experimente gravitaționale au confirmat prezența masei invizibile în grupurile de galaxii. În teoria relativității, există o anumită interpretare a acestui fenomen. Dacă o urmărești, atunci fiecare masă este capabilă să deformeze spațiul, în plus, ca o lentilă, curbează un flux direct de raze de lumină. Clusterul de galaxii este distorsionat, influența sa atât de puternică încât devine vizibilă. Cea mai distorsionată vedere a galaxiei, care se află direct în spatele clusterului. Această distorsiune este utilizată pentru a calcula modul în care materia a fost distribuită în acest cluster. Așa se măsoară masa reală. Invariabil se dovedește a fi de câteva ori mai mare decât masa materiei vizibile.
La patru decenii după munca pionierului în acest domeniu, F. Zwicky, astronomul din America V. Rubin a abordat această problemă. Ea a studiat viteza cu care substanța, care este situată la marginile galaxiilor, se rotește în jurul centrului galaxiei. Dacă urmați legile lui Kepler referitoare la legile gravitației, atunci există o anumită relație între viteza de rotație a galaxiilor și distanța până la centru.
Dar, în realitate, măsurătorile au arătat că viteza de rotație nu s-a schimbat odată cu creșterea distanței față de centru. Astfel de date ar putea fi explicate într-un singur fel - substanța galaxiei are aceeași densitate atât în centru, cât și la margini. Însă materia vizibilă avea o densitate mult mai mare în centru și era caracterizată prin rarefiere la margini, iar lipsa densității nu putea fi explicată decât prin prezența unei substanțe care nu este vizibilă pentru ochi.
Pentru a da o explicație a fenomenului, este necesar ca această substanță foarte invizibilă din galaxii să fie de aproape 10 ori mai mult decât substanța pe care o putem vedea. Această substanță necunoscută se numește „materie întunecată” sau „materie întunecată”. Astăzi, pentru astrofizicieni, acest fenomen rămâne cel mai interesant mister.
Există un alt argument în favoarea dovezilor pentru existența materiei întunecate. Rezultă din calcule care descriu procesul de formare a galaxiilor. Se crede că acest lucru a început la aproximativ 300.000 de ani după Big Bang. Rezultatele calculelor spun că atracția dintre fragmentele de materie, apărute în timpul exploziei, nu a putut compensa energia cinetică din expansiune. Adică, substanța nu s-a putut concentra în galaxii, dar o putem vedea astăzi.
Acest fapt inexplicabil numit paradoxul galaxiei, a fost citat ca un argument care distruge teoria Big Bang. Dar o poți privi din cealaltă parte. La urma urmei, particulele din cea mai obișnuită materie ar putea fi amestecate cu particule de materie întunecată. Apoi calculele devin corecte, dar cum s-au format galaxiile, în care s-a acumulat multă materie întunecată și particule de materie obișnuită li s-au alăturat deja datorită gravitației. La urma urmei, materia obișnuită reprezintă o mică parte din întreaga masă a Universului.
Materia vizibilă are o densitate relativ scăzută în comparație cu materie întunecată deoarece este de 20 de ori mai dens. Prin urmare, acele 95% din masa Universului, care lipsește conform calculelor oamenilor de știință - aceasta este materie întunecată.
Cu toate acestea, acest lucru a condus la concluzia că toate lume vizibilă, care a fost studiat în sus și în jos, atât de familiar și de înțeles, doar o mică aplicație în ceea ce constă cu adevărat.
Toate galaxiile, planetele și stelele sunt doar o mică parte din ceea ce nu avem habar. Acesta este ceea ce este expus, iar realul ne este ascuns.
Tot ceea ce vedem în jurul nostru (stele și galaxii) nu reprezintă mai mult de 4-5% din masa totală a Universului!
Conform teoriilor cosmologice moderne, Universul nostru este format din doar 5% din materie obișnuită, așa-numita barionică, care formează toate obiectele observabile; 25% materie întunecată detectată de gravitație; și energie întunecată, care reprezintă până la 70% din total.
Termenii energie întunecată și materie întunecată nu au succes și reprezintă o traducere literală, dar nu semantică din engleză.
În sens fizic, acești termeni înseamnă doar că aceste substanțe nu interacționează cu fotonii și ar putea la fel de bine să fie numite materie și energie invizibile sau transparente.
Mulți oameni de știință moderni sunt convinși că cercetările care vizează studierea energiei întunecate și a materiei vor ajuta probabil să răspundă la întrebarea globală: ce ne așteaptă Universul în viitor?
Aglomerări de mărimea unei galaxii
Materia întunecată este o substanță care, cel mai probabil, constă din particule noi care sunt încă necunoscute în condiții terestre și are proprietăți inerente materiei cele mai obișnuite. De exemplu, este, de asemenea, capabil să se adună în aglomerări și să participe la interacțiuni gravitaționale precum substanțele obișnuite. Dar dimensiunea acestor așa-zise aglomerări poate depăși o întreagă galaxie sau chiar un grup de galaxii.
Abordări și metode pentru studierea particulelor de materie întunecată
Pe acest moment Oamenii de știință din întreaga lume încearcă în toate modurile posibile să descopere sau să obțină artificial particule de materie întunecată în condiții terestre, folosind echipamente super-tehnologice special concepute și multe metode de cercetare diferite, dar până acum toate lucrările nu au fost încununate cu succes.
O metodă implică efectuarea de experimente pe acceleratoare de înaltă energie, cunoscute în mod obișnuit sub numele de ciocnitori. Oamenii de știință, considerând că particulele de materie întunecată sunt de 100-1000 de ori mai grele decât un proton, presupun că vor trebui generate atunci când particulele obișnuite se ciocnesc, accelerate la energii înalte printr-un ciocnitor. Esența unei alte metode este de a înregistra particulele de materie întunecată care sunt peste tot în jurul nostru. Principala dificultate în înregistrarea acestor particule este că ele prezintă interacțiuni foarte slabe cu particulele obișnuite, care sunt în mod inerent transparente pentru ele. Și totuși, particulele de materie întunecată foarte rar, dar se ciocnesc cu nucleele atomice și există o anumită speranță, mai devreme sau mai târziu, de a înregistra acest fenomen.
Există și alte abordări și metode pentru studierea particulelor de materie întunecată și care dintre ele va duce mai întâi la succes, doar timpul ne va spune, dar, în orice caz, descoperirea acestor noi particule va deveni o realizare științifică majoră.
Substanță antigravitațională
Energia întunecată este o substanță și mai neobișnuită decât aceeași materie întunecată. Nu are capacitatea de a se aduna în aglomerări, drept urmare este distribuit uniform în întregul Univers. Dar proprietatea sa cea mai neobișnuită în acest moment este antigravitația.
Natura materiei întunecate și a găurilor negre
Datorită metodelor astronomice moderne, este posibil să se determine rata de expansiune a Universului în prezent și să se simuleze procesul de schimbare a acestuia mai devreme în timp. Ca urmare, s-au obținut informații că în acest moment, precum și în trecutul recent, Universul nostru se extinde, în timp ce ritmul acestui proces este în continuă creștere. De aceea a apărut ipoteza despre antigravitația energiei întunecate, întrucât atracția gravitațională obișnuită ar avea un efect de încetinire a procesului de „recesiune a galaxiilor”, limitând viteza de expansiune a Universului. Acest fenomen nu contrazice teorie generală relativitatea, dar în același timp energia întunecată trebuie să aibă presiune negativă - o proprietate pe care nici una dintre substanțele cunoscute în prezent nu o posedă.
Candidați pentru rolul „Dark Energy”
Masa galaxiilor din clusterul Abel 2744 este mai mică de 5% din masa sa totală. Acest gaz este atât de fierbinte încât doar strălucește înăuntru Gama de raze X(roșu în această imagine). Distribuția materiei întunecate invizibile (reprezentând aproximativ 75 la sută din masa acestui cluster) este colorată în albastru.
Unul dintre presupușii candidați pentru rolul energiei întunecate este vidul, a cărui densitate energetică rămâne neschimbată în timpul expansiunii Universului și confirmă astfel presiunea negativă a vidului. Un alt candidat presupus este „chintesența” - un câmp superslab neexplorat anterior, care se presupune că trece prin întregul Univers. Există și alți posibili candidați, dar niciunul dintre aceștia nu a contribuit momentan la obținerea unui răspuns precis la întrebarea: ce este energia întunecată? Dar este deja clar că energia întunecată este ceva complet supranatural, rămânând principalul mister al fizicii fundamentale a secolului XXI.
O construcție teoretică în fizică numită Model standard, descrie interacțiunile tuturor cunoscută științei particule elementare. Dar aceasta este doar 5% din substanța existentă în Univers, în timp ce restul de 95% au o natură complet necunoscută. Ce este această materie întunecată ipotetică și cum încearcă oamenii de știință să o detecteze? Hayk Hakobyan, student la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova și angajat al Departamentului de Fizică și Astrofizică, vorbește despre acest lucru în cadrul unui proiect special.
Modelul Standard al particulelor elementare, confirmat în final după descoperirea bosonului Higgs, descrie interacțiunile fundamentale (electroslab și puternice) ale particulelor obișnuite cunoscute nouă: leptoni, quarci și purtători de interacțiuni (bosoni și gluoni). Cu toate acestea, se dovedește că toată această teorie complexă uriașă descrie doar aproximativ 5-6% din toată materia, în timp ce restul acestui model nu se potrivește în niciun fel. Observațiile din primele momente din viața Universului nostru ne arată că aproximativ 95% din materia care ne înconjoară este de o natură complet necunoscută. Cu alte cuvinte, vedem indirect prezența acestei materii ascunse datorită ei influența gravitațională, cu toate acestea, nu a fost încă posibil să-l prindă direct. Acest fenomen de masă ascunsă poartă numele de cod „materie întunecată”.
Știința modernă, în special cosmologia, funcționează metoda deductivă Sherlock Holmes
Acum, principalul candidat din grupul WISP este axionul, care apare în teoria interacțiunii puternice și are o masă foarte mică. O astfel de particulă este capabilă să se transforme într-o pereche foton-foton în câmpuri magnetice mari, ceea ce oferă indicii despre cum să încercăm să o detectăm. Experimentul ADMX folosește camere mari care generează un câmp magnetic de 80.000 gauss (acesta este de 100.000 de ori mai mare). camp magnetic Pământ). În teorie, un astfel de câmp ar trebui să stimuleze dezintegrarea axionului într-o pereche foton-foton, pe care detectorii ar trebui să o prindă. În ciuda numeroaselor încercări, nu a fost încă posibil să se detecteze WIMP, axioni sau neutrini sterili.
Astfel, am parcurs un număr imens de ipoteze diferite căutând să explicăm prezența ciudată a masei ascunse și, aruncând la gunoi tot ceea ce este imposibil cu ajutorul observațiilor, am ajuns la câteva ipoteze posibile cu care putem deja lucra.
Un rezultat negativ în știință este, de asemenea, un rezultat, deoarece oferă o restricție asupra diferiților parametri ai particulelor, de exemplu, îndepărtează gama de mase posibile. De la an la an, din ce în ce mai multe observații și experimente în acceleratoare oferă restricții noi și mai stricte asupra masei și altor parametri ai particulelor de materie întunecată. Astfel, aruncând toate opțiunile imposibile și restrângând cercul căutărilor, pe zi ce trece ne apropiem de înțelegerea din ce este alcătuită 95% din materia din Universul nostru.
Materie întunecată- aceasta este o altă dintre descoperirile omenirii, făcută, „la vârful condeiului”. Nimeni nu a simțit-o vreodată, nu iradiază undele electromagneticeși nu interacționează cu ei. De mai bine de o jumătate de secol nu există dovezi experimentale ale existenței materiei întunecate, sunt prezentate doar calcule experimentale, care se presupune că confirmă existența acesteia. Dar în acest moment - aceasta este doar o ipoteză a astrofizicienilor. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că aceasta este una dintre cele mai interesante și mai bine fundamentate ipoteze științifice.
Totul a început la începutul secolului trecut: astronomii au observat că imaginea lumii pe care o observă este nu se încadrează în teoria gravitației.În teorie, galaxiile, cu o masă estimată, se rotesc mai repede decât ar trebui.
Aceasta înseamnă că ele (galaxiile) au o masă mult mai mare decât sugerează calculele din observațiile făcute. Dar, din moment ce încă se rotesc, atunci fie teoria gravitației nu este corectă, fie această teorie nu „funcționează” la obiecte precum galaxiile. Sau există mai multă materie în Univers decât pot detecta instrumentele moderne. Această teorie a devenit mai populară în rândul oamenilor de știință, iar această substanță ipotetică intangibilă a fost numită materie întunecată.
Din calcule, reiese că materia întunecată din galaxii este de aproximativ 10 ori mai comună și materie diferită interacționează între ele doar la nivel gravitațional, adică materia întunecată se manifestă exclusiv sub formă de masă.
Unii savanți sugerează că unii materie întunecată este o substanță comună, dar nu emite radiații electromagnetice. Aceste obiecte includ halouri galactice întunecate, stele neutroniceși pitici maro, precum și altele, în timp ce obiecte ipotetice ale spațiului.
Dacă credeți în concluziile oamenilor de știință, atunci materia obișnuită (conținută în principal în galaxii) va
în jurul zonelor cu cea mai densă concentrație de materie întunecată. Pe spațiul rezultat
hartă militară, materia întunecată este o rețea neuniformă de fire gigantice, cu timpul
schimba creșterea și interceptarea în locurile clusterelor galactice.
Materia întunecată este împărțită în mai multe clase: caldă, caldă și rece (aceasta depinde de viteza particulelor din care este compusă). Așa este emisă materia întunecată fierbinte, caldă și rece. Materia întunecată rece este cea care prezintă cel mai mare interes pentru astronomi, deoarece poate forma obiecte stabile, de exemplu, galaxii întunecate întregi.
Teoria materiei întunecate se încadrează în teoria Big Bang-ului. Prin urmare, oamenii de știință sugerează că la 300 de mii de ani după explozie, primul în sumă uriașă particule de materie întunecată au început să se acumuleze, iar după aceea, prin forța gravitațională, au fost colectate particule de materie obișnuită pe ele și s-au format galaxii.
Aceste descoperiri uimitoare înseamnă că masa materiei obișnuite este doar câteva procente din masa totală a universului!!!
Adică, lumea pe care o vedem este doar o mică parte din ceea ce constă de fapt universul. Și ce fel de „ceva” uriaș nici nu ne putem imagina.
Joacă un rol decisiv în dezvoltarea Universului. Cu toate acestea, până acum se știe puțin despre această substanță ciudată. Profesorul Matthias Bartelmann - Institutul Heidelberg pentru Astrofizică Teoretică - explică modul în care s-a efectuat cercetarea materiei întunecate, răspunzând la o serie de întrebări ale jurnaliştilor.
si cum apare?
Nu am nici o idee! Nimeni încă. Probabil constă din particule elementare grele. Dar nimeni nu știe dacă acestea sunt cu adevărat particule. În orice caz, ele sunt foarte diferite de tot ce am cunoscut până acum.
Sună 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 examinat mișcarea galaxiilor din clusterele galactice, 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 între ele: ele trebuie să zboare separat din cauza vitezei lor mari de rotație.
Lentila gravitațională Fotografie: Wissensschreiber
Ce alte dovezi mai sunt?
O dovadă destul de bună este efectul lentilei gravitaționale. Galaxiile îndepărtate ni se par distorsionate, pe măsură ce fasciculele de lumină se deviază de la materie. Seamănă cu privirea 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 între materia întunecată și radiația electromagnetică. 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, pixul și foaia de hârtie. Dar folosesc și date de la telescoape mari din Hawaii și Chile.
Poate fi reprezentată materia întunecată?
Da, puteți crea un fel de hartă a distribuției sale. Așa cum arată liniile de deal harta geografica contururile muntelui, aici se vede prin densitatea liniilor, unde este în special multă materie întunecată.
Când a apărut ea?
Materia întunecată provine fie direct din Big Bang, sau 10.000-100.000 de ani mai târziu. Dar încă studiem asta.
Câtă materie neagră există?
Nimeni nu poate spune sigur. Dar pe baza cercetare recentă, credem că există de aproximativ șapte până la opt ori mai multă materie întunecată în Univers decât materie vizibilă.
Simulările pe computer arată răspândirea materiei întunecate sub formă de pânză de păianjen 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 o expansiune accelerată a universului, în timp ce materia întunecată ține galaxiile împreună.
De unde a venit?
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 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 cauza în viitor?
Probabil nimic altceva. Anterior, a fost foarte important pentru dezvoltarea Universului. Astăzi, ține doar galaxiile 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 posibil în viitor să afișați direct materia întunecată cu instrumente?
Da, este posibil. De exemplu, puteți măsura vibrațiile care apar atunci când particulele de materie întunecată se ciocnesc cu atomii dintr-un cristal. Același lucru se întâmplă într-un accelerator de particule: dacă particule elementare par să zboare într-o direcție neașteptată fără niciun motiv, atunci o particulă necunoscută poate fi de vină. Atunci 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... Ceva invizibil trebuie să-l fi doborât.
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 habar despre restul.
Vă mulțumesc pentru timpul acordat. Sperăm că veți afla mai multe despre materia întunecată în curând!
