Materia e errët është një tjetër nga zbulimet e njerëzimit, e bërë "në majë të një stilolapsi". Askush nuk e ka ndjerë ndonjëherë, nuk rrezaton valët elektromagnetike dhe nuk ndërvepron me ta. Për më shumë se gjysmë shekulli, nuk ka asnjë provë eksperimentale për ekzistencën e materies së errët, jepen vetëm llogaritjet eksperimentale që supozohet se konfirmojnë ekzistencën e saj. Por në ky moment- kjo është vetëm një hipotezë e astrofizikanëve. Megjithatë, duhet theksuar se kjo është një nga hipotezat më intriguese dhe shumë të vërtetuara shkencore.
E gjitha filloi në fillim të shekullit të kaluar: astronomët vunë re që ata vëzhgonin pamjen e botës nuk përshtatet në teorinë e gravitetit. Teorikisht, galaktikat, që kanë një masë të llogaritur, rrotullohen më shpejt se sa duhet.
Kjo do të thotë se ato (galaktikat) kanë një masë shumë më të madhe sesa sugjerojnë llogaritjet nga vëzhgimet e bëra. Por nëse ato rrotullohen, atëherë ose teoria e gravitetit nuk është e saktë, ose kjo teori nuk "funksionon" në objekte të tilla si galaktikat. Ose ka më shumë lëndë në Univers sesa instrumentet moderne mund të zbulojnë. Kjo teori u bë më e popullarizuar në mesin e shkencëtarëve dhe kjo substancë hipotetike e paprekshme u quajt materie e errët.
Nga llogaritjet, rezulton se ka rreth 10 herë më shumë lëndë të errët në përbërjen e galaktikave sesa materia e zakonshme, dhe materia e ndryshme ndërvepron me njëra-tjetrën vetëm në nivelin gravitacional, domethënë, materia e errët manifestohet ekskluzivisht në formën e masë.
Disa studiues sugjerojnë se disa materie e errët- kjo është një substancë e zakonshme, por nuk lëshon rrezatim elektromagnetik. Objekte të tilla përfshijnë halo të errëta galaktike, yje neutron dhe xhuxhë kafe, si dhe objekte të tjera hapësinore ende hipotetike.
Nëse besoni gjetjet e shkencëtarëve, atëherë materia e zakonshme (kryesisht e përmbajtur në galaktika) mblidhet
rreth zonave me përqendrimin më të dendur të materies së errët. Në hapësirën që rezulton
harta e venave, materia e errët është një rrjet i pabarabartë i fijeve gjigante, pasi
ndryshime që rriten dhe kryqëzohen në vendet e grupimeve galaktike.
Lënda e errët ndahet në disa klasa: e nxehtë, e ngrohtë dhe e ftohtë (kjo varet nga shpejtësia e grimcave nga të cilat përbëhet). Kështu izolohet materia e errët e nxehtë, e ngrohtë dhe e ftohtë. Është materia e errët e ftohtë që është me interes më të madh për astronomët, pasi mund të formojë objekte të qëndrueshme, për shembull, galaktika të tëra të errëta.
Teoria e materies së errët gjithashtu përshtatet në teorinë e Big Bengut. Prandaj, shkencëtarët sugjerojnë se 300,000 vjet pas shpërthimit, grimcat e materies së errët fillimisht filluan të grumbullohen në sasi të mëdha, dhe pas kësaj, grimcat e materies së zakonshme të mbledhura mbi to nga graviteti dhe u formuan galaktikat.
Këto gjetje befasuese nënkuptojnë se masa e materies së zakonshme është vetëm disa për qind e masës totale të universit!!!
Kjo do të thotë, bota që ne shohim është vetëm një pjesë e vogël e asaj që në të vërtetë përbëhet Universi. Dhe ne as nuk mund ta imagjinojmë se çfarë është kjo "diçka" e madhe.
Deri më sot, misteri se nga erdhi materia e errët nuk është zgjidhur. Ka teori që sugjerojnë se ai përbëhet nga gazi ndëryjor me temperaturë të ulët. Në këtë rast, substanca nuk mund të japë asnjë rrezatim. Megjithatë, ka teori që e kundërshtojnë këtë ide. Ata thonë se gazi është në gjendje të nxehet, gjë që çon në faktin se ato bëhen substanca të zakonshme "barion". Në favor të kësaj teorie është fakti se masa e gazit në gjendje të ftohtë nuk mund të eliminojë deficitin që ndodh në këtë rast.
Ka kaq shumë pyetje në teoritë për materien e errët sa ia vlen ta kuptojmë këtë në pak më shumë detaje.
Çfarë është lënda e errët?
Pyetja se çfarë është materia e errët u shfaq rreth 80 vjet më parë. Qysh në fillim të shekullit të 20-të. Në atë kohë, astronomi zviceran F. Zwicky doli me idenë se masa e të gjitha galaktikave në realitet është më e madhe se masa e të gjitha atyre objekteve që mund të shihen me gazet e tyre përmes një teleskopi. Të gjitha të dhënat e shumta lë të kuptohet se ka diçka të panjohur në hapësirë që ka një masë mbresëlënëse. U vendos që kësaj substance të pashpjegueshme t'i jepet emri "materie e errët".
Kjo substancë e padukshme zë të paktën një të katërtën e të gjithë universit. E veçanta e kësaj substance është se grimcat e saj nuk ndërveprojnë mirë me njëra-tjetrën dhe me substanca të tjera të zakonshme. Ky ndërveprim është aq i dobët sa shkencëtarët as që mund ta regjistrojnë atë. Në fakt, ka vetëm shenja ndikimi nga grimcat.
Studimi i kësaj çështjeje po kryhet nga mendjet më të mëdha në mbarë botën, kështu që edhe skeptikët më të mëdhenj në botë besojnë se do të jetë e mundur të kapen grimca të materies. Qëllimi më i dëshirueshëm është ta bëni këtë në një mjedis laboratorik. Në miniera në thellësi e madhe puna është duke u zhvilluar, kushte të tilla për eksperimente janë të nevojshme për të përjashtuar ndërhyrjen nga grimcat e rrezeve nga hapësira.
Ka të ngjarë që shumë informacione të reja do të merren falë përshpejtuesve modernë, në veçanti, me ndihmën e Përplasësit të Madh të Hadronit.
Grimcat e materies së errët kanë një veçori të çuditshme - asgjësimin e ndërsjellë. Si rezultat i proceseve të tilla shfaqen rrezatimi gama, antigrimcat dhe grimcat (si elektroni dhe pozitroni). Prandaj, astrofizikanët po përpiqen të gjejnë gjurmë të rrezatimit gama ose antigrimcave. Për këtë përdoren instalime të ndryshme tokësore dhe hapësinore.
Dëshmi për ekzistencën e materies së errët
Dyshimet e para në lidhje me korrektësinë e llogaritjeve të masës së Universit, siç u përmend tashmë, u ndanë nga astronomi nga Zvicra F. Zwicky. Si fillim, ai vendosi të matë shpejtësinë e galaktikave nga grupi Koma që lëvizin rreth qendrës. Dhe rezultati i punës së tij e hutoi disi, sepse shpejtësia e lëvizjes së këtyre galaktikave doli të ishte më e lartë se sa priste. Përveç kësaj, ai e ka parallogaritur këtë vlerë. Por rezultatet nuk përputheshin.
Përfundimi ishte i qartë: masa aktuale e grupit ishte shumë më e madhe se ajo e dukshme. Kjo mund të shpjegohet me faktin se pjesa më e madhe e lëndës që është në këtë pjesë të universit nuk mund të shihet, dhe gjithashtu është e pamundur të vëzhgohet. Kjo substancë e shfaq vetinë e saj vetëm në formën e një mase.
Një numër eksperimentesh gravitacionale kanë konfirmuar praninë e një mase të padukshme në grupimet e galaktikave. Në teorinë e relativitetit ka disa interpretime të këtij fenomeni. Nëse e ndiqni atë, atëherë çdo masë është e aftë të deformojë hapësirën, përveç kësaj, si një lente, ajo përkul një rrjedhë të drejtpërdrejtë të rrezeve të dritës. Grumbulli i galaktikave shkakton një shtrembërim, ndikimi i tij është aq i fortë sa bëhet i dukshëm. Pamja më e shtrembëruar e galaktikës, e cila ndodhet direkt pas grumbullit. Ky shtrembërim përdoret për të llogaritur se si shpërndahet lënda në këtë grup. Kështu matet masa reale. Pa ndryshim rezulton të jetë disa herë më i madh se masa e materies së dukshme.
Katër dekada pas punës së pionierit në këtë fushë, F. Zwicky, astronomi nga Amerika, V. Rubin, u mor me këtë çështje. Ajo studioi shpejtësinë me të cilën substanca që ndodhet në skajet e galaktikave rrotullohet rreth qendrës së galaktikës. Nëse ndiqni ligjet e Keplerit në lidhje me ligjet e gravitetit, atëherë ekziston një marrëdhënie e caktuar midis shpejtësisë së rrotullimit të galaktikave dhe distancës nga qendra.
Por në realitet, matjet treguan se shpejtësia e rrotullimit nuk ndryshoi me rritjen e distancës nga qendra. Të dhëna të tilla mund të shpjegohen vetëm në një mënyrë - lënda e galaktikës ka të njëjtën densitet si në qendër ashtu edhe përgjatë skajeve. Por lënda e dukshme kishte një dendësi shumë më të madhe në qendër dhe karakterizohej nga rrallimi në skajet, dhe mungesa e densitetit mund të shpjegohej vetëm me praninë e një substance që nuk është e dukshme për syrin.
Për të dhënë një shpjegim për fenomenin, është e nevojshme që kjo substancë shumë e padukshme në galaktika të jetë pothuajse 10 herë më shumë se substanca që mund të shohim. Është kjo substancë e panjohur që ka marrë emrin "materie e errët", ose "materie e errët". Deri më sot, për astrofizikanët, ky fenomen mbetet misteri më interesant.
Ekziston një argument tjetër në favor të provave për ekzistencën e materies së errët. Kjo rrjedh nga llogaritjet që përshkruajnë procesin se si u formuan galaktikat. Besohet se kjo filloi rreth 300,000 vjet pasi ndodhi Big Bengu. Rezultatet e llogaritjes tregojnë se tërheqja midis fragmenteve të materies që u shfaqën gjatë shpërthimit nuk mund të kompensonte energjinë kinetike nga zgjerimi. Kjo do të thotë, materia nuk mund të përqendrohej në galaktika, por ne mund ta shohim këtë sot.
Kjo fakt i pashpjegueshëm i quajtur paradoksi galaktik, ai u citua si një argument që shkatërron teorinë e Big Bengut. Por ju mund ta shikoni atë nga ana tjetër. Në fund të fundit, grimcat e materies më të zakonshme mund të përzihen me grimcat e materies së errët. Pastaj llogaritjet bëhen të sakta, por si u formuan galaktikat, në të cilat është grumbulluar shumë lëndë e errët dhe grimcat e materies së zakonshme tashmë janë bashkuar me to për shkak të gravitetit. Në fund të fundit, materia e zakonshme përbën një pjesë të vogël të të gjithë masës së universit.
Lënda e dukshme ka një densitet relativisht të ulët në krahasim me lëndën e errët, sepse është 20 herë më e dendur. Prandaj, ato 95% të masës së Universit, që mungojnë sipas llogaritjeve të shkencëtarëve, kjo është materie e errët.
Megjithatë, kjo çoi në përfundimin se botë e dukshme, e cila është studiuar shumë e gjerë, aq e njohur dhe e kuptueshme, vetëm një aplikim i vogël për atë që përbëhet në të vërtetë.
Të gjitha galaktikat, planetët dhe yjet janë vetëm një pjesë e vogël e asaj që ne nuk kemi asnjë ide. Kjo është ajo që shfaqet dhe e vërteta fshihet prej nesh.
Prezantimi
Ka argumente të forta në favor të faktit se një pjesë e konsiderueshme e materies në Univers nuk lëshon ose thith asgjë dhe për këtë arsye është e padukshme. Prania e një lënde të tillë të padukshme mund të njihet nga ndërveprimi i saj gravitacional me lëndën rrezatuese. Studimi i grupimeve të galaktikave dhe kthesave të rrotullimit galaktik dëshmon për ekzistencën e kësaj të ashtuquajture materie të errët. Pra, sipas përkufizimit, materia e errët është materia që nuk ndërvepron me rrezatimin elektromagnetik, domethënë nuk e emeton ose nuk e thith atë.
Zbulimi i parë i lëndës së padukshme daton në shekullin e kaluar. Në 1844, Friedrich Bessel, në një letër drejtuar Karl Gauss, shkroi se pabarazia e pashpjegueshme në lëvizjen e Sirius mund të jetë rezultat i ndërveprimit të tij gravitacional me ndonjë trup fqinj, dhe ky i fundit në këtë rast duhet të ketë një masë mjaft të madhe. Në kohën e Besselit, një shoqërues kaq i errët i Siriusit ishte i padukshëm, ai u zbulua optikisht vetëm në 1862. Doli të ishte një xhuxh i bardhë, i quajtur Sirius-B, ndërsa vetë Sirius quhej Sirius-A.
Dendësia e materies në Univers ρ mund të vlerësohet nga vëzhgimet e lëvizjes së galaktikave individuale. Zakonisht ρ jepet në njësi të të ashtuquajturës dendësi kritike ρ me:
Në këtë formulë, G është konstanta gravitacionale, H është konstanta e Hubble, e cila njihet me një saktësi të vogël (0.4< H < 1), к тому же, вероятно, зависит от времени:
V = HR është formula e Hubble për shkallën e zgjerimit të Universit,
H = 100 h km∙s -1 ∙Mps -1 .
Për ρ > ρ s Universi është i mbyllur, d.m.th. forca gravitacionale është mjaft e fortë që zgjerimi i universit të zëvendësohet nga tkurrja.
Kështu, dendësia kritike jepet nga:
ρ s \u003d 2 ∙ 1 -29 h 2 g ∙ cm -3.
Dendësia kozmologjike Ω = ρ/ρ s e përcaktuar nga dinamika e grupimeve dhe supergrupeve galaktike është 0,1< Ω < 0.3.
Nga vëzhgimi i natyrës së heqjes së rajoneve në shkallë të gjerë të Universit me ndihmën e satelitit astronomik infra të kuqe IRAS, u përftua se 0.25< Ω < 2.
Nga ana tjetër, vlerësimi i densitetit të barionit Ω b nga ndriçimi i galaktikave jep një vlerë shumë më të vogël: Ω b< 0.02.
Kjo mospërputhje zakonisht merret si një tregues i ekzistencës së materies së padukshme.
Kohët e fundit, shumë vëmendje i është kushtuar problemit të kërkimit të lëndës së errët. Kur merren parasysh të gjitha format e materies barionike, si pluhuri ndërplanetar, xhuxhët kafe dhe të bardhë, yjet neutronike dhe vrimat e zeza, rezulton se një pjesë e konsiderueshme e materies jobarionike nevojitet për të shpjeguar të gjitha fenomenet e vëzhguara. Kjo deklaratë mbetet e vlefshme edhe pasi të merren parasysh të dhënat moderne mbi të ashtuquajturat objekte MACHO ( MA ssive C kompakte H alo O objektet janë objekte masive kompakte galaktike) të zbuluara duke përdorur efektin e lenteve gravitacionale.
. Dëshmi për ekzistencën e materies së errët
2.1. Kurbat e rrotullimit galaktik
Kur galaktikat spirale shpejtësia e rrotullimit të yjeve individuale rreth qendrës së galaktikës përcaktohet nga kushti i qëndrueshmërisë së orbitave. Barazimi i forcave centrifugale dhe gravitacionale:
për shpejtësinë e rrotullimit kemi:
ku M r është e gjithë masa e materies brenda një sfere me rreze r. Në rastin e simetrisë ideale sferike ose cilindrike, ndikimi i masës që ndodhet jashtë kësaj sfere kompensohet reciprokisht. Në përafrimin e parë, rajoni qendror i galaktikës mund të konsiderohet sferik, d.m.th.
ku ρ është dendësia mesatare.
Në pjesën e brendshme të galaktikës, pritet një rritje lineare e shpejtësisë së rrotullimit me rritjen e distancës nga qendra. Në rajonin e jashtëm të galaktikës, masa Mr është praktikisht konstante, dhe varësia e shpejtësisë në distancë korrespondon me rastin me një masë pikë në qendër të galaktikës:
Shpejtësia e rrotullimit v(r) përcaktohet, për shembull, duke matur zhvendosjen Doppler në spektrin e emetimit të rajoneve He-II rreth yjeve O. Sjellja e kthesave rrotulluese të matura eksperimentalisht të galaktikave spirale nuk korrespondon me një ulje të v(r) me rreze në rritje. Studimi i linjës 21 cm (tranzicioni i strukturës hiperfine në atomin e hidrogjenit) të emetuar nga materia ndëryjore çoi në një rezultat të ngjashëm. Qëndrueshmëria e v(r) në vlera të mëdha të rrezes do të thotë që masa Mr gjithashtu rritet me rritjen e rrezes: Mr ~ r. Kjo tregon praninë e lëndës së padukshme. Yjet po lëvizin më shpejt nga sa prisni, bazuar në sasinë e dukshme të materies.
Bazuar në këtë vëzhgim, u supozua ekzistenca e një haloje sferike të materies së errët që rrethon galaktikën dhe përgjegjëse për sjelljen jo-zvogëluese të kthesave të rrotullimit. Përveç kësaj, një halo sferike mund të kontribuojë në stabilitetin e formës së diskut të galaktikave dhe të konfirmojë hipotezën për formimin e galaktikave nga një protogalaktikë sferike. Llogaritjet e modelit të kryera për Rrugën e Qumështit, të cilat ishin në gjendje të riprodhonin kthesat e rrotullimit, duke marrë parasysh praninë e një halo, tregojnë se një pjesë e konsiderueshme e masës duhet të jetë në këtë halo. Dëshmi në favor të ekzistencës së halove sferike jepen edhe nga grupimet globulare - grupimet sferike të yjeve, të cilat janë objektet më të lashta në galaktikë dhe të cilat janë të shpërndara në mënyrë sferike.
por studim i fundit transparenca e galaktikave hodhi një hije dyshimi mbi këtë foto. Duke marrë parasysh shkallën e errësimit të galaktikave spirale në funksion të këndit të prirjes, mund të konkludohet se objekte të tilla janë transparente. Nëse galaktika do të ishte plotësisht transparente, atëherë shkëlqimi i saj total nuk do të varej nga këndi në të cilin vërehet kjo galaktikë, pasi të gjithë yjet do të ishin njësoj të dukshëm (duke neglizhuar madhësinë e yjeve). Nga ana tjetër, një shkëlqim konstant i sipërfaqes do të thotë që galaktika nuk është transparente. Në këtë rast, vëzhguesi sheh gjithmonë vetëm yjet e jashtëm, d.m.th. gjithmonë i njëjti numër i tyre për njësi sipërfaqe, pavarësisht nga këndi i shikimit. U vërtetua eksperimentalisht se shkëlqimi i sipërfaqes mbetet mesatarisht konstant, gjë që mund të tregojë errësirën pothuajse të plotë të galaktikave spirale. Në këtë rast, përdorimi i metodave optike për të përcaktuar densitetin e masës së universit nuk është plotësisht i saktë. Një analizë më e plotë e rezultateve të matjes çoi në përfundimin për retë molekulare si një material thithës (diametri i tyre është rreth 50 ps dhe temperatura është rreth 20 K). Sipas ligjit të zhvendosjes së Wien-it, re të tilla duhet të rrezatojnë në rajonin nënmilimetër. Ky rezultat mund të japë një shpjegim për sjelljen e kthesave rrotulluese pa supozimin e materies së errët ekzotike shtesë.
Dëshmi për ekzistencën e materies së errët janë gjetur edhe në galaktikat eliptike. Aureolët e gaztë me temperatura rreth 10 7 K janë zbuluar nga përthithja e tyre me rreze X. Shpejtësia e këtyre molekulave të gazit është më e madhe se shpejtësia e zgjerimit:
v r = (2GM/r) 1/2,
duke supozuar se masat e tyre korrespondojnë me shkëlqimin. Për galaktikat eliptike, raporti i masës ndaj shkëlqimit është afërsisht dy rend të madhësisë më i madh se ai i Diellit, i cili është shembull tipik ylli i mesëm. Një vlerë kaq e madhe zakonisht lidhet me ekzistencën e materies së errët.
2.2. Dinamika e grupimeve të galaktikave
Dinamika e grupimeve të galaktikave dëshmon në favor të ekzistencës së materies së errët. Kur lëvizja e një sistemi, energjia potenciale e të cilit është një funksion homogjen i koordinatave ndodh në një rajon hapësinor të kufizuar, atëherë vlerat mesatare në kohë të energjive kinetike dhe potenciale lidhen me njëra-tjetrën nga teorema virale. Mund të përdoret për të vlerësuar densitetin e materies në grupime një numër i madh galaktikat.
Nëse energjia potenciale U është një funksion homogjen i vektorëve të rrezes r i i shkallës k, atëherë U dhe energjia kinetike T lidhen si 2T = kU . Meqenëse T + U = E = E, rrjedh se
U = 2E/(k + 2), T = kE/(k + 2),
ku E − energji totale. Për bashkëveprimin gravitacional (U ~ 1/r) k = -1, pra 2T = -U . Energjia mesatare kinetike e një grupi N galaktikash jepet nga:
T=N
Këto galaktika N mund të ndërveprojnë me njëra-tjetrën në çifte. Prandaj, ekzistojnë N(N–1)/2 çifte të pavarura galaktikash, energjia totale mesatare potenciale e të cilave ka formën
U = GN(N − 1)m 2 /2r.
Për Nm = M dhe (N − 1) ≈ N për masën dinamike, marrim M ≈ 2
Matjet mesatare të distancës
Edhe ky argument ka të vetin pika të dobëta. Ekuacioni virial është i vlefshëm vetëm kur mesatarizohet për një periudhë të gjatë kohore, kur sistemet e mbyllura janë në ekuilibër. Megjithatë, matjet e grupimeve të galaktikave janë diçka si fotografi. Për më tepër, grupimet e galaktikave nuk janë sisteme të mbyllura, ato janë të lidhura me njëra-tjetrën. Së fundi, nuk është e qartë nëse ata kanë arritur një gjendje ekuilibri apo jo.
2.3. Dëshmi kozmologjike
Përkufizimi i densitetit kritik ρs u dha më sipër. Formalisht, ajo mund të merret në bazë të dinamikës Njutoniane duke llogaritur shpejtësinë kritike të zgjerimit të një galaktike sferike:
Marrëdhënia për ρc rrjedh nga shprehja për E nëse supozojmë se H = r"/r = ·v/r.
Përshkrimi i dinamikës së Universit bazohet në ekuacionet e fushës së Ajnshtajnit (Teoria e Përgjithshme e Relativitetit - Relativiteti i Përgjithshëm). Ato thjeshtohen disi nën supozimin e homogjenitetit dhe izotropisë së hapësirës. Në metrikën Robertson-Walker, elementi i linjës infinitimale jepet nga:
ku r, θ, φ janë koordinatat sferike të pikës. Shkallët e lirisë së kësaj metrike përfshihen në parametrin k dhe faktorin e shkallës R. Vlera e k merr vetëm vlera diskrete (nëse nuk merret parasysh gjeometria fraktale) dhe nuk varet nga koha. Vlera k është karakteristikë e modelit të Universit (k = -1 − metrikë hiperbolike (universi i hapur), k = 0 − metrikë euklidiane ( univers i sheshtë), k = +1 − metrikë sferike (universi i mbyllur)).
Dinamika e Universit specifikohet plotësisht nga funksioni i shkallëzimit R(t) (distanca midis dy pikave fqinje të hapësirës me koordinatat r, θ, φ ndryshon me kohën si R(t)). Në rastin e një metrike sferike, R(t) është rrezja e universit. Ky funksion i shkallës plotëson ekuacionet Einstein-Friedmann-Lemaitre:
ku p(t) është presioni total dhe Λ është konstanta kozmologjike, e cila interpretohet në kuadrin e teorive moderne të fushës kuantike si dendësia e energjisë vakum. Më tej supozojmë se Λ = 0, siç bëhet shpesh për të shpjeguar faktet eksperimentale pa futur lëndën e errët. Koeficienti R 0 "/R 0 përcakton konstanten Hubble H 0 , ku indeksi "0" shënon vlerat moderne të sasive përkatëse. dhe një Univers i mbyllur (kjo vlerë, si të thuash, ndan skenarin në të cilin Universi zgjerohet përgjithmonë, nga skenari kur Universi pritet të shembet në fund të fazës së zgjerimit të përkohshëm):
Parametri i densitetit të përdorur shpesh
ku q 0 është parametri i frenimit: q(t) = –R(t)R""(t)/(R"(t)) 2. Kështu, tre raste janë të mundshme:
Ω 0 < 1 − открытая Вселенная,
Ω 0 = 1 − univers i sheshtë,
Ω 0 > 1 − Univers i mbyllur.
Matjet e parametrit të densitetit dhanë një vlerësim: Ω 0 ≈ 0,2, në bazë të të cilit duhet pritur karakter i hapur Universi. Megjithatë, një sërë idesh teorike janë të vështira për t'u pajtuar me hapjen e Universit, për shembull, i ashtuquajturi problem i "rrafshësisë" dhe gjeneza e galaktikave.
Problemi i rrafshimit
Siç mund të shihet, dendësia e Universit është shumë afër kritikës. Nga ekuacionet Einstein-Friedmann-Lemaitre (për Λ = 0) rezulton se
Meqenëse dendësia ρ(t) është proporcionale me 1/R(t) 3, atëherë duke përdorur shprehjen për Ω 0 (k nuk është e barabartë me 0) kemi:
Kështu, vlera e Ω ≈ 1 është shumë e paqëndrueshme. Çdo devijim nga një rast krejtësisht i sheshtë rritet shumë ndërsa universi zgjerohet. Kjo do të thotë se në kohën e shkrirjes bërthamore origjinale, universi duhet të ketë qenë shumë më i sheshtë se sa është tani.
Nje nga zgjidhjet e mundshme i këtij problemi jepet në modelet inflacioniste. Supozohet se zgjerimi i Universit të hershëm (midis 10 -34 s dhe 10 -31 s pas Big Bengut) ndodhi në mënyrë eksponenciale në fazën e inflacionit. Në këto modele, parametri i densitetit zakonisht nuk varet nga koha (Ω = 1). Megjithatë, ka indikacione teorike që vlera e parametrit të densitetit në intervalin 0.01< Ω 0 < 2 также согласуется с
моделью инфляции.
Zanafilla e galaktikave
Për gjenezën e galaktikave, inhomogjenitetet e densitetit janë të nevojshme. Galaktikat duhet të kishin lindur në rajone të tilla hapësinore ku dendësia ishte më e madhe se përreth, në mënyrë që si rezultat i ndërveprimit gravitacional, këto rajone të kishin kohë të grumbulloheshin më shpejt sesa ndodhi rrallimi i tyre për shkak të zgjerimit të përgjithshëm.Megjithatë, ky lloj akumulimi i materies mund të fillojë vetëm pas formimit të atomeve nga bërthamat dhe elektronet, d.m.th. rreth 150,000 vjet pas Big Bengut në temperatura rreth 3000 K (që fazat e hershme materia dhe rrezatimi ishin në një gjendje ekuilibri dinamik: çdo mpiksje e formuar e materies u shkatërrua menjëherë nën ndikimin e rrezatimit, dhe në të njëjtën kohë, rrezatimi nuk mund të shpëtonte nga materia). Luhatjet e ndjeshme në densitetin e lëndës së zakonshme në atë kohë u përjashtuan në një nivel shumë të ulët nga izotropia e rrezatimit të sfondit. Pas fazës së formimit të atomeve neutrale, rrezatimi pushon së qeni në një gjendje ekuilibri termik me lëndën, kështu që luhatjet në densitetin e materies që lindin pas kësaj nuk e gjejnë më reflektimin e tyre në natyrën e rrezatimit.
Por nëse llogarisim evolucionin në kohë të procesit të ngjeshjes së materies, i cili sapo filloi, rezulton se koha që ka kaluar që atëherë nuk është e mjaftueshme që struktura të tilla të mëdha si galaktikat ose grupimet e tyre të kenë kohë për t'u formuar. Me sa duket, është e nevojshme të kërkohet ekzistenca e grimcave masive që kanë lënë gjendjen e ekuilibrit termik për më shumë. faza fillestare, në mënyrë që këto grimca të kenë mundësinë të manifestohen si disa mikrobe për kondensimin e lëndës së zakonshme rreth tyre. Kandidatë të tillë mund të jenë të ashtuquajturat grimca WIMP. Në këtë rast, është e nevojshme të merret parasysh kërkesa që rrezatimi kozmik i sfondit të jetë izotropik. Një anizotropi e vogël (10 -4) në CMB (temperatura rreth 2.7 K) u zbulua vetëm kohët e fundit me ndihmën e satelitit COBE.
III. Kandidatët për Materien e Errët
3.1. materia e errët e barionit
Kandidati më i dukshëm për rolin e materies së errët mund të jetë materia e zakonshme barionike, e cila nuk rrezaton dhe ka një bollëk përkatës. Një mundësi mund të realizohet nga gazi ndëryjor ose ndërgalaktik. Megjithatë, në këtë rast, duhet të shfaqen linja karakteristike të shkarkimit ose thithjes, të cilat nuk zbulohen.Një kandidat tjetër mund të jenë xhuxhët kafe - trupa kozmikë me masë shumë më të vogël se masa e Diellit (M< 0.08M солнца). Гравитационного давления внутри этих объектов оказывается недостаточно для создания температур, при которых начинает процесс слияния протонов в гелий. Из-за отсутствия ядерного синтеза излучение коричневых карликов очень слабо, если не считать излучения тех из них, которые находятся на ранней стадии своего развития. Планеты также могли бы входить в эту группу. Однако из-за отсутствия знания о происхождении звезд и планет, а также из-за ограниченности фотометрической детектируемости trupat qiellorë disa vite dritë larg, është veçanërisht e vështirë të vlerësohet numri i objekteve të tilla.
Objekte shumë kompakte në fazat e fundit të zhvillimit yjor (xhuxhët e bardhë, yjet neutron dhe vrimat e zeza) mund të jenë gjithashtu pjesë e materies së errët. Meqenëse pothuajse çdo yll arrin një nga këto tre faza përfundimtare gjatë jetës së tij, pjesa më e madhe e masës së yjeve të hershëm dhe më të rëndë duhet të jetë e pranishme në formë jo-rrezatuese si xhuxhë të bardhë, yje neutron ose vrima të zeza. Një pjesë e kësaj lënde kthehet në hapësirën ndëryjore përmes shpërthimeve të supernovës ose në mënyra të tjera dhe merr pjesë në formimin e yjeve të rinj. Në këtë rast, nuk duhet të merren parasysh yjet me masë M< 0.9M солнца, так как их время жизни больше, чем возраст Вселенной, и они еще не достигли конечных стадий в своем развитии.
Kufijtë e sipërm të densitetit të mundshëm të materies barionike në univers mund të merren nga të dhënat mbi bashkimin fillestar bërthamor, i cili filloi rreth 3 minuta pas Big Bengut. Me rëndësi të veçantë janë matjet e bollëkut aktual të deuteriumit -
(D/H) 0 ≈ 10 -5, pasi gjatë shkrirjes bërthamore fillestare u formua kryesisht deuteriumi. Megjithëse deuteriumi gjithashtu u shfaq më vonë si një produkt i ndërmjetëm i reaksioneve të shkrirjes bërthamore, megjithatë, sasia totale e deuteriumit nuk u rrit shumë për shkak të kësaj. Një analizë e proceseve që ndodhin në fazën e shkrirjes së hershme bërthamore jep kufirin e sipërm - Ω o,b< 0.1–0.2 для плотности возможной барионной материи во Вселенной. При этом учтена вся материя, которая была сформирована во время ядерного синтеза в ранней Вселенной. Данное значение хорошо согласуется с оценками, полученными из рассмотрения характера вращения галактик.
Nga ana tjetër, tashmë është mjaft e qartë se lënda barionike në vetvete nuk është në gjendje të plotësojë kërkesën Ω = 1, e cila rrjedh nga modelet inflacioniste. Përveç kësaj, problemi i formimit të galaktikave mbetet i pazgjidhur. E gjithë kjo çon në nevojën për ekzistencën e materies së errët jo-barionike, veçanërisht kur kushti Ω = 1 kërkohet të plotësohet në konstantën kozmologjike zero.
3.2. Materie e errët jo-barionike
Modelet teorike ofrojnë zgjedhje e madhe kandidatët e mundshëm për rolin e materies së errët jo-barionike, duke përfshirë: neutrinot e lehta dhe të rënda, grimcat supersimetrike të modeleve SUSY, aksione, kozmionë, monopole magnetike, grimca Higgs - ato janë të përmbledhura në tabelë. Tabela përmban gjithashtu teori që shpjegojnë të dhënat eksperimentale pa futjen e materies së errët (konstanta gravitacionale e varur nga koha në gravitetin jo-njutonian dhe konstanta kozmologjike). Emërtimet: DM - materie e errët, GUT - Teoria e Unifikimit të Madh, SUSY - teori supersimetrike, SUGRA - supergravitet, QCD - kromodinamikë kuantike, QED - elektrodinamikë kuantike, GR - teori e përgjithshme e relativitetit. Termi WIMP (Grimcat masive ndërvepruese të dobëta) përdoret për të treguar grimcat me masë më të madhe se disa GeV/c 2 që marrin pjesë vetëm në ndërveprime të dobëta. Duke marrë parasysh matjet e reja rrezatimi relikt nga sateliti COBE dhe zhvendosja e kuqe me ndihmën e satelitit IRAS, së fundmi është ri-kryer një studim i shpërndarjes së galaktikave në distanca të mëdha dhe i formimit të strukturave në shkallë të gjerë në galaktikën tonë. Në bazë të analizave modele te ndryshme formimi i strukturave, u arrit në përfundimin se është i mundur vetëm një model i kënaqshëm i universit me Ω = 1, në të cilin materia e errët ka karakter të përzier: 70% ekziston në formën e materies së errët të ftohtë dhe 30% në formën e errësirës së nxehtë. materie, kjo e fundit përbëhet nga dy neutrino pa masë dhe një neutrino me masë 7,2 ± 2 eV. Kjo nënkupton ringjalljen e modelit të hedhur më parë të lëndës së errët të përzier.neutrinot e lehta
Ndryshe nga të gjithë kandidatët e tjerë për rolin e materies së errët, neutrinot kanë një avantazh të qartë: dihet se ekzistojnë. Përhapja e tyre në Univers dihet afërsisht. Në mënyrë që neutrinot të jenë kandidatë për rolin e materies së errët, ato padyshim që duhet të kenë masë. Për të arritur densitetin kritik të Universit, masat e neutrinos duhet të shtrihen në rajonin e disa GeV/c 2 ose në rajonin nga 10 në 100 eV/c 2 .Neutrinot e rënda janë gjithashtu të mundshme si kandidatë të tillë, pasi produkti kozmologjikisht i rëndësishëm m ν exp(-m ν /kT f) bëhet i vogël edhe për masa të mëdha. Këtu T f është temperatura në të cilën neutrinot e rënda pushojnë së qeni në një gjendje ekuilibri termik. Ky faktor Boltzmann jep bollëkun e neutrinoteve me masë m ν në raport me bollëkun e neutrinoteve pa masë.
Për çdo lloj neutrine në Univers, dendësia e neutrinës lidhet me densitetin e fotonit nga relacioni n ν = (3/11)n γ . Në mënyrë të rreptë, kjo shprehje është e vlefshme vetëm për neutrinot e lehta Majorana (për neutrinot Dirac, në rrethana të caktuara, është e nevojshme të futet një faktor statistikor i barabartë me dy). Dendësia e fotoneve mund të përcaktohet në bazë të rrezatimit të sfondit 3 K dhe arrin n γ ≈ 400 cm -3.
| Grimca | Pesha | Teoria | Manifestimi |
|---|---|---|---|
| G(R) | - | graviteti jonjutonian | DM transparente në një shkallë të gjerë |
| Λ (konstante hapësinore) | - | relativiteti i përgjithshëm | Ω=1 pa DM |
| Axion, marjoram, gur ari. bozon | 10 -5 eV | QCD; shkelje sim. Pechei-Quina | DM i ftohtë |
| Neutrino e rregullt | 10-100 eV | GUT | DM e nxehtë |
| Higgsino e lehtë, photino, gravitino, axino, sneutrino | 10-100 eV | SUSY/DM | |
| Parafotoni | 20-400 eV | I modifikuar QED | Nxehte, e ngrohte DM |
| Neutrinot e duhura | 500 eV | Ndërveprim super i dobët | DM e ngrohte |
| Gravitino etj. | 500 eV | SUSY/SUGRA | DM e ngrohte |
| Fotino, gravitino, axion, pasqyra. grimca, neutrino simpson | keV | SUSY/SUGRA | DM e ngrohtë/ e ftohtë |
| Fotino, sneutrino, higgsino, gluino, neutrino e rëndë | MeV | SUSY/SUGRA | DM i ftohtë |
| materie hije | MeV | SUSY/SUGRA | nxehtë/ftohtë (si barione) DM |
| Preon | 20-200 TeV | Modele të Përbëra | DM i ftohtë |
| Monopoli | 10 16 GeV | GUT | DM i ftohtë |
| Pyrgon, Maksimoni, Poli i Perrit, Njutoriti, Schwarzschild | 10 19 GeV | Teoritë e dimensioneve më të larta | DM i ftohtë |
| Superstrings | 10 19 GeV | SUSY/SUGRA | DM i ftohtë |
| "Butat" e kuarkut | 10 15 g | QCD, GUT | DM i ftohtë |
| Kozm. vargjet, muret e domenit | (10 8 -10 10)M diell | GUT | Formimi i galaktikave mund të mos kontribuojë shumë në |
| Kozmion | 4-11 GeV | Problemi i neutrinos | Formimi i një rryme neutrinosh në Diell |
| Vrimat e zeza | 10 15 -10 30 g | relativiteti i përgjithshëm | DM i ftohtë |
Primak J.R., Seckel D., Sadoulet B., 1988, Ann. Rev. Nukl. Part.Sci., 38, 751 Rezulton se dendësia e masës së neutrinës është afër kritike nëse gjendja
ku g ν është një faktor statistikor që merr parasysh numrin e gjendjeve të ndryshme të helicitetit për çdo lloj neutrine. Për neutrinot Majorana, ky faktor është i barabartë me 2. Për neutrinot Dirac, ai duhet të jetë i barabartë me 4. Megjithatë, zakonisht supozohet se përbërësit e djathtë e kanë lënë gjendjen e ekuilibrit termik shumë më herët, kështu që mund të supozojmë gjithashtu se g ν = 2 edhe për rastin Dirac.
Meqenëse densiteti i neutrinos është i të njëjtit rend të madhësisë si dendësia e fotonit, ka rreth 10 9 herë më shumë neutrino se barionet, kështu që edhe një masë e vogël neutrinosh mund të përcaktojë dinamikën e universit. Për të arritur Ω = ρ ν /ρ σ = 1, kërkohen masa neutrinosh m ν c 2 ≈ 15–65 eV/N ν, ku N ν është numri i llojeve të neutrinoteve të lehta. Kufijtë e sipërm eksperimental për masat e tre llojeve të njohura të neutrinos janë: m(ν e)< 7.2 эВ/c 2 , m(ν μ) < 250 кэВ/c 2 ,
m(ν τ) < 31 МэВ/c 2 .
Таким образом, электронное нейтрино практически исключается в качестве кандидата
на доминирующую фракцию темной материи. Экспериментальные данные для остальных
двух типов нейтрино не столь критичны, так что мюонные и тау-нейтрино остаются
среди возможных кандидатов. Нейтрино вышли из состояния термического равновесия
примерно через 1 с после Большого Взрыва при температуре 10 10 К (что
отвечает энергии 1 МэВ). В это время они обладают релятивистскими энергиями и
тем самым считаются частицами горячей темной материи. Нейтрино также могут
давать вклад в процесс формирования галактик. В расширяющейся Вселенной, в
которой доминируют частицы массой m i ,
согласно критерию Джинса, та масса, которая может коллапсировать за счет
гравитационных сил, равна
Në një univers të dominuar nga neutrinot, shkalla e kërkuar e ngjeshjes mund të vendoset në një fazë relativisht të vonë, strukturat e para do të korrespondonin me supergrupet e galaktikave. Kështu, grupimet e galaktikave dhe galaktikave mund të evoluojnë duke i fragmentuar këto struktura primare (modeli nga lart-poshtë). Megjithatë, kjo qasje ngre probleme kur merret parasysh formimi i strukturave shumë të vogla si galaktikat xhuxh. Për të shpjeguar formimin e kontraktimeve mjaft masive, është gjithashtu e nevojshme të merret parasysh parimi Pauli për fermionet.
Neutrinot e rënda
Sipas të dhënave të LEP dhe SLAC në lidhje me matjet precize të gjerësisë së zbërthimit të bosonit Z 0, ekzistojnë vetëm tre lloje neutrinosh të lehta dhe ekzistenca e neutrinoteve të rënda deri në masat 45 GeV/c 2 përjashtohet.Kur neutrinot me masa kaq të mëdha u larguan nga gjendja e ekuilibrit termik, ato tashmë kishin shpejtësi jorelativiste, prandaj quhen grimca të materies së errët të ftohtë. Prania e neutrinos së rëndë mund të çojë në tkurrjen e hershme gravitacionale të materies. Në këtë rast, së pari do të formoheshin struktura më të vogla. Grumbujt dhe supergrupet e galaktikave do të ishin formuar më vonë duke u grumbulluar grupe individuale galaktikat (modeli nga poshtë lart).
aksione
Aksione janë grimca hipotetike që lindin në lidhje me problemin e shkeljes së CP në ndërveprim të fortë (problem θ). Ekzistenca e një grimce të tillë pseudoskalare është për shkak të shkeljes së simetrisë kirale Pechei-Kuin. Masa e një aksioni jepet nga
Ndërveprimi me fermionet dhe bozonet matës përshkruhet nga konstantat e mëposhtme të bashkimit, përkatësisht:
Konstante e zbërthimit të aksionit f a përcaktohet nga vlera e pritjes së vakumit të fushës Higgs. Sepse f a është një konstante e lirë që mund të marrë çdo vlerë midis shkallës elektrodobët dhe Planck, atëherë vlerat e mundshme të masave të aksionit ndryshojnë me 18 rend të madhësisë. Bëhet dallimi midis aksioneve DFSZ, të cilat ndërveprojnë drejtpërdrejt me elektronet, dhe të ashtuquajturave aksione hadronike, të cilat bashkëveprojnë me elektronet vetëm në teorinë e rendit të parë të shqetësimit. Në përgjithësi besohet se aksione përbëjnë lëndën e errët të ftohtë. Në mënyrë që dendësia e tyre të mos kalojë atë kritike, është e nevojshme të ketë f a< 10 12 ГэВ. Стандартный аксион Печеи-Куина с f Një ≈ 250 GeV tashmë është përjashtuar eksperimentalisht, variante të tjera me masa më të vogla dhe, në përputhje me rrethanat, parametrat e mëdhenj të bashkimit janë gjithashtu të kufizuara ndjeshëm nga të dhëna të ndryshme, kryesisht ato astrofizike.
Grimcat supersimetrike
Shumica e teorive supersimetrike përmbajnë një grimcë të qëndrueshme, e cila është një kandidat i ri për materien e errët. Ekzistenca e një grimce supersimetrike të qëndrueshme rrjedh nga ruajtja e numrit kuantik shumëzues, i ashtuquajturi barazi R, i cili merr vlerën +1 për grimcat e zakonshme dhe –1 për superpartnerët e tyre. Eshte Ligji i ruajtjes së barazisë R. Sipas këtij ligji të ruajtjes, grimcat SUSY mund të formohen vetëm në çifte. Grimcat SUSY mund të zbërthehen vetëm në një numër tek të grimcave SUSY. Prandaj, grimca supersimetrike më e lehtë duhet të jetë e qëndrueshme.Është e mundur të shkelet ligji i ruajtjes së barazisë R. Numri kuantik R lidhet me numrin e barionit B dhe numrin e leptonit L nga relacioni R = (–1) 3B+L+2S, ku S është rrotullimi i grimcës. Me fjalë të tjera, shkelja e B dhe/ose L mund të rezultojë në mosruajtje të barazisë R. Megjithatë, ka kufizime shumë të ngushta për mundësinë e shkeljes së paritetit R.
Supozohet se grimca më e lehtë supersimetrike (LSP) nuk merr pjesë në ndërveprimin elektromagnetik, por në bashkëveprimin e fortë. Përndryshe, ajo do të kombinohej me materien e zakonshme dhe do të shfaqej në kohën e tanishme si një grimcë e rëndë e pazakontë. Atëherë bollëku i një LSP të tillë, i normalizuar me bollëkun e protonit, do të ishte i barabartë me 10 -10 për ndërveprimin e fortë dhe 10 -6 për atë elektromagnetik. Këto vlera bien ndesh me kufijtë e sipërm eksperimental: n(LSP)/n(p)< 10 -15 - 10 -30 . Приведенные оценки зависят от масс и в këtë rast korrespondojnë me rajonin e masës 1 GeV< m LSP c 2 < 10 7 ГэВ. Поэтому был сделан вывод о том, что легчайшая SUSY-частица, помимо гравитационного взаимодействия, принимает участие только в слабом.
Ndër kandidatët e mundshëm për rolin e grimcës supersimetrike neutrale më të lehtë janë photino (S = 1/2) dhe zino (S = 1/2), të cilat zakonisht quhen geijino, si dhe higgsino (S = 1/2), sneutrino (S = 0) dhe gravitino (S = 3/2). Në shumicën e teorive, një grimcë LSP është një kombinim linear i grimcave spin 1/2 SUSY të përmendura më sipër. Masa e kësaj të ashtuquajture neutralino duhet të jetë më shumë se 10 GeV/c2. Konsiderimi i grimcave SUSY si lëndë e errët është interes të veçantë, pasi ato u shfaqën në një kontekst krejtësisht të ndryshëm dhe nuk u prezantuan në mënyrë specifike për të zgjidhur problemin e materies së errët (jo-barionike). Kozmionet Kozmionet fillimisht u prezantuan për të zgjidhur problemin e neutrinos diellore. Për shkak të shpejtësisë së tyre të madhe, këto grimca kalojnë nëpër sipërfaqen e yllit pothuajse të papenguara. Në rajonin qendror të yllit, ato përplasen me bërthamat. Nëse humbja e energjisë është mjaft e madhe, atëherë ata nuk mund ta lënë këtë yll përsëri dhe të grumbullohen në të me kalimin e kohës. Brenda Diellit, kozmionet e bllokuara ndikojnë në natyrën e transferimit të energjisë dhe kështu kontribuojnë në ftohjen e rajonit qendror të Diellit. Kjo do të çonte në një probabilitet më të ulët të prodhimit të neutrinos nga 8 V dhe do të shpjegonte pse fluksi i neutrinos i matur në Tokë është më i vogël se sa pritej. Për të zgjidhur këtë problem të neutrinos, masa e kozmionit duhet të shtrihet në intervalin nga 4 në 11 GeV/c 2 dhe seksioni kryq i reaksionit për bashkëveprimin e kozmioneve me lëndën duhet të ketë një vlerë prej 10 -36 cm 2 . Megjithatë, të dhënat eksperimentale duket se përjashtojnë një zgjidhje të tillë për problemin e neutrinos diellore.
Defektet topologjike të hapësirë-kohës
Përveç grimcave të mësipërme, defektet topologjike mund të kontribuojnë gjithashtu në lëndën e errët. Supozohet se në Universin e hershëm në t ≈ 10-36 s, E ≈ 10 15 GeV, T ≈ 10 28 K, ndodhi thyerja e simetrisë GUT, e cila çoi në ndarjen e ndërveprimeve të përshkruara nga SU(3) dhe SU (2)×U grupe (një). Fusha 24-dimensionale e Higgs fitoi një shtrirje të caktuar, dhe orientimi i këndeve fazore të thyerjes spontane të simetrisë mbeti arbitrar. Si pasojë e kësaj tranzicioni fazor duhet të ishin formuar rajone hapësinore me orientime të ndryshme. Këto zona u zgjeruan me kalimin e kohës dhe përfundimisht ranë në kontakt me njëra-tjetrën.Sipas koncepteve moderne, pikat topologjikisht të qëndrueshme të defekteve u formuan në sipërfaqet kufitare, ku takoheshin rajone me orientime të ndryshme. Ato mund të kenë dimensione nga zero në tre dhe përbëhen nga një vakum simetrie të pandërprerë. Pas thyerjes së simetrisë, ky vakum fillestar ka një densitet shumë të lartë të energjisë dhe lëndës.
Më të rëndësishmet janë defektet si pika. Ata duhet të mbajnë një ngarkesë magnetike të izoluar, d.m.th. të jenë monopole magnetike. Masa e tyre lidhet me temperaturën e kalimit fazor dhe është rreth 10 16 GeV/c 2 . Deri më tani, me gjithë kërkimet intensive, nuk është regjistruar ekzistenca e objekteve të tilla.
Ngjashëm me monopolet magnetike, mund të formohen edhe defekte lineare, vargje kozmike. Këto objekte filamentoze kanë një densitet masiv karakteristik linear të rendit 10 22 g⋅cm–1 dhe mund të jenë ose të mbyllura ose të hapura. Për shkak të tërheqjes gravitacionale, ato mund të shërbenin si fara për kondensimin e materies, si rezultat i së cilës u formuan galaktikat.
Masat më të mëdha do të bënin të mundur zbulimin e vargjeve të tilla nëpërmjet efektit të lenteve gravitacionale. Vargjet do të përkulnin hapësirën përreth në atë mënyrë që të krijohej një imazh i dyfishtë i objekteve pas tyre. Drita nga galaktikat shumë të largëta mund të devijohet nga kjo varg sipas ligjeve të teorisë së përgjithshme të gravitetit. Një vëzhgues në Tokë do të shihte dy imazhe pasqyre ngjitur të galaktikave me përbërje identike spektrale. Ky efekt i lenteve gravitacionale është zbuluar tashmë për kuazarët e largët, kur galaktika midis kuazarit dhe Tokës shërbente si një lente gravitacionale.
Diskutohet gjithashtu mundësia e pranisë së një gjendje superpërcjellëse në vargjet kozmike. Grimcat e ngarkuara elektrike, si elektronet, në një vakum simetrik, vargjet do të ishin pa masë, sepse ato fitojnë masat e tyre vetëm si rezultat i thyerjes së simetrisë për shkak të mekanizmit Higgs. Kështu, çiftet grimcë-antigrimcë që lëvizin me shpejtësinë e dritës mund të krijohen këtu me shumë pak input energjie. Rezultati është një rrymë superpërçuese. Vargjet superpërcjellëse mund të kalonin në një gjendje të ngacmuar përmes ndërveprimit me grimcat e ngarkuara, heqja e këtij ngacmimi do të kryhej duke emetuar valë radio.
Gjithashtu merren parasysh defekte me dimensione më të larta, duke përfshirë "muret e domenit" dydimensionale dhe, në veçanti, defektet ose "teksturat" tredimensionale. Kandidatë të tjerë ekzotikë
- Materie hije. Nën supozimin se vargjet janë objekte të zgjatura njëdimensionale, në teoritë e superstringut bëhen përpjekje për të përsëritur suksesin e modeleve supersimetrike në eliminimin e divergjencave edhe në gravitet dhe për të depërtuar në rajonet energjetike përtej masës Planck. Nga pikëpamja matematikore, teoritë e superstringut pa anomali mund të merren vetëm për grupet e matësve SO(32) dhe E 8 *E 8" . Ky i fundit ndahet në dy sektorë, njëri prej të cilëve përshkruan lëndën e zakonshme, ndërsa tjetri korrespondon me materie hije (E 8 "). Këta dy sektorë mund të ndërveprojnë me njëri-tjetrin vetëm në mënyrë gravitacionale.
- "Quark Nuggets" u propozuan në 1984. Këto janë objekte makroskopike të qëndrueshme të lëndës kuarke, të përbërë nga u-, d- dhe s-kuarkë. Dendësia e këtyre objekteve shtrihet në zonën e densitetit bërthamor prej 10 15 g/cm 3, dhe masat e tyre mund të variojnë nga disa GeV/c 2 deri në masat e yjeve neutronike. Ato formohen gjatë një tranzicioni hipotetik të fazës QCD, por zakonisht konsiderohen shumë të pamundur.
3.3. Teoritë e modifikuara (konstanta kozmologjike, teoria MOND, konstanta gravitacionale e varur nga koha)
Fillimisht, konstanta kozmologjike Λ u fut nga Ajnshtajni në ekuacionet e fushës të relativitetit të përgjithshëm për të siguruar, sipas pikëpamjeve të asaj kohe, stacionaritetin e Universit. Sidoqoftë, pas zbulimit nga Hubble në fund të viteve 20 të shekullit tonë të zgjerimit të Universit, ai doli të ishte i tepërt. Prandaj, ata filluan të supozojnë se Λ = 0. Megjithatë, në kuadër të teoritë moderne fushë, kjo konstante kozmologjike interpretohet si dendësia e energjisë së vakumit ρ v. Ekuacioni i mëposhtëm vlen:Rasti Λ = 0 korrespondon me supozimin se vakuumi nuk kontribuon në densitetin e energjisë. Kjo fotografi korrespondon me idetë e fizikës klasike. Në teorinë kuantike të fushës, vakuumi përmban të ndryshme fushat kuantike, të cilat janë në gjendjen me energjinë më të ulët, e cila nuk është domosdoshmërisht e barabartë me zero.
Duke marrë parasysh konstantën kozmologjike jozero, duke përdorur relacionet
marrim një densitet kritik më të ulët dhe një vlerë më të madhe të parametrit të densitetit nga sa pritej sipas formulave të mësipërme. Vëzhgimet astronomike të bazuara në numërimin e galaktikave japin një kufi të sipërm për konstantën aktuale kozmologjike
Λ < 3·10 -56 см –2 .
Поскольку критическая плотность ρ с0 не может быть отрицательной, легко оценить
верхнюю границу
ku për H 0,max përdoret vlera 100 km∙s –1 ∙Mps –1. Ndërsa një konstante kozmologjike jo zero është dëshmuar e nevojshme për interpretimin e fazës së hershme të evolucionit, disa shkencëtarë kanë arritur në përfundimin se një Λ jo zero mund të luajë një rol në fazat e mëvonshme të universit.
Konstante kozmologjike
mund të çojë në vlerën Ω(Λ = 0), edhe pse në fakt Ω(Λ ≠ 0). Parametri Ω(Λ = 0) i përcaktuar nga ρ 0 do të jepte Ω = 1, siç kërkohet në modelet inflacioniste, me kusht që konstanta kozmologjike të jetë e barabartë me
Përdorimi i vlerave numerike H 0 = 75 ± 25 km s −1 ∙ Mps −1 dhe Ω 0, obs = 0,2 ± 0,1 çon në
Λ= (1,6 ± 1,1)∙10 −56 cm −2 . Dendësia e energjisë së vakumit që korrespondon me këtë vlerë mund të zgjidhë kontradiktën midis vlerës së vëzhguar të parametrit të densitetit dhe vlerës Ω = 1 të kërkuar nga teoritë moderne.
Përveç futjes së një konstante kozmologjike jozero, ka modele të tjera që heqin, sipas të paktën, pjesë e problemit pa përfshirë hipotezën e materies së errët.
Teoria MOND (Dinamika e Modifikuar Njutoniane)
Kjo teori supozon se ligji i gravitetit ndryshon nga forma e zakonshme Njutoniane dhe është si më poshtë:
Në këtë rast, forca tërheqëse do të jetë më e madhe dhe duhet të kompensohet nga një lëvizje periodike më e shpejtë, e cila është në gjendje të shpjegojë sjelljen e sheshtë të kthesave të rrotullimit.
Konstante gravitacionale në varësi të kohës
Varësia kohore e konstantës gravitacionale G(t) mund të ketë një rëndësi të madhe për procesin e formimit të galaktikave. Sidoqoftë, deri më tani, matjet e sakta nuk kanë dhënë ndonjë tregues të ndryshimit të përkohshëm të G.Letërsia
- G.V. Clapdor-Kleingrothaus, A. Staudt. "Fizika jo-përshpejtuese e grimcave elementare".
- C. Naranyan. "Astrofizika e përgjithshme dhe kozmologjia".
- Bottino A. et al., 1994, Astropart. Fiz., 2, 67, 77.
Termi "materies e errët" (ose masë e fshehur) përdoret në zona të ndryshme shkencat: në kozmologji, astronomi, fizikë. Është rreth për një objekt hipotetik - një formë e përmbajtjes së hapësirës dhe kohës që ndërvepron drejtpërdrejt me rrezatimin elektromagnetik dhe nuk e kalon atë në vetvete.
Lënda e errët - çfarë është ajo?
Që nga kohra të lashta, njerëzit kanë qenë të shqetësuar për origjinën e Universit dhe proceset që e formojnë atë. Në epokën e teknologjisë u bënë zbulime të rëndësishme, dhe baza teorike është zgjeruar ndjeshëm. Në vitin 1922, fizikani britanik James Jeans dhe astronomi holandez Jacobus Kaptein zbuluan se pjesa më e madhe e materies galaktike nuk është e dukshme. Pastaj për herë të parë u emërua termi materie e errët - kjo është një substancë që nuk mund të shihet nga asnjë prej tyre të njohura për njerëzimin mënyrat. Prania e një substance misterioze jepet nga shenja indirekte - një fushë gravitacionale, graviteti.
Lënda e errët në astronomi dhe kozmologji
Duke supozuar se të gjitha objektet dhe pjesët në univers tërhiqen nga njëri-tjetri, astronomët ishin në gjendje të gjenin masën e hapësirës së dukshme. Por u konstatua një mospërputhje në peshën reale dhe të parashikuar. Dhe shkencëtarët kanë zbuluar se ekziston një masë e padukshme, e cila përbën deri në 95% të të gjithë esencës së panjohur në Univers. Materie e errët në hapësirë ka këto karakteristika:
- të prekur nga graviteti
- ndikon në objekte të tjera hapësinore,
- pak ndërveprim me botën reale.
Materia e errët - filozofi
Një vend të veçantë zë materia e errët në filozofi. Kjo shkencë merret me studimin e rendit botëror, themelet e qenies, sistemin e botëve të dukshme dhe të padukshme. Një substancë e caktuar u mor si parim themelor, i përcaktuar nga hapësira, koha dhe faktorët mjedisorë. E zbuluar shumë më vonë, materia e errët misterioze e kozmosit ndryshoi kuptimin e botës, strukturën dhe evolucionin e saj. Në kuptimin filozofik, një substancë e panjohur, si një mpiksje energjie hapësinore dhe kohore, është e pranishme në secilin prej nesh, prandaj njerëzit janë të vdekshëm, sepse përbëhen nga koha që ka një fund.
Për çfarë shërben materia e errët?
Vetëm pjesë e vogël objektet hapësinore(planetet, yjet etj.) - materie e dukshme. Sipas standardeve të shkencëtarëve të ndryshëm, energjia e errët dhe materia e errët zënë pothuajse të gjithë hapësirën në Kozmos. E para përbën 21-24%, ndërsa energjia merr 72%. Çdo substancë e natyrës fizike të paqartë ka funksionet e veta:
- Energjia e zezë, e cila nuk thith dhe nuk lëshon dritë, i largon objektet, duke bërë që universi të zgjerohet.
- Galaktikat janë ndërtuar mbi bazën e masës së fshehur, forca e saj tërheq objektet në hapësirë kozmike duke i mbajtur në vend. Kjo do të thotë, ajo ngadalëson zgjerimin e universit.
Nga se përbëhet materia e errët?
materie e errët në sistem diellor- kjo është diçka që nuk mund të preket, shqyrtohet dhe studiohet tërësisht. Prandaj, parashtrohen disa hipoteza në lidhje me natyrën dhe përbërjen e tij:
- Jo i njohur për shkencën grimcat e përfshira në gravitet janë një përbërës i kësaj substance. Është e pamundur t'i zbulosh ato me teleskop.
- Fenomeni është një grup vrimash të vogla të zeza (jo më të mëdha se hëna).
Është e mundur të dallohen dy lloje të masës së fshehur, në varësi të shpejtësisë së grimcave përbërëse të saj, dendësisë së akumulimit të tyre.
- E nxehtë. Nuk mjafton për formimin e galaktikave.
- Ftohtë. Përbëhet nga mpiksje të ngadalta, masive. Këta komponentë mund të njihen nga aksionet dhe bozonet shkencore.
A ekziston materia e errët?
Të gjitha përpjekjet për të matur objekte të natyrës fizike të paeksploruar nuk kanë qenë të suksesshme. Në vitin 2012, u hetua lëvizja e 400 yjeve rreth Diellit, por prania e materies së fshehur në vëllime të mëdha nuk është vërtetuar. Edhe nëse materia e errët nuk ekziston në realitet, ajo ekziston në teori. Me ndihmën e tij, shpjegohet vendndodhja e objekteve të Universit në vendet e tyre. Disa shkencëtarë po gjejnë prova për ekzistencën e një mase të fshehur kozmike. Prania e tij në univers shpjegon faktin se grupimet e galaktikave nuk fluturojnë larg në anët e ndryshme dhe rrinë së bashku.
Materia e errët - fakte interesante
Natyra e masës së fshehur mbetet një mister, por ajo vazhdon të interesojë mendjet shkencore në mbarë botën. Eksperimentet kryhen rregullisht, me ndihmën e të cilave ata përpiqen të hetojnë vetë substancën dhe të saj efekte anësore. Dhe faktet rreth saj vazhdojnë të shumohen. Për shembull:
- Përplasësi i njohur Large Hadron, përshpejtuesi më i fuqishëm i grimcave në botë, po punon me fuqi të lartë për të zbuluar ekzistencën e materies së padukshme në hapësirë. Komuniteti botëror po pret me interes rezultatet.
- Shkencëtarët japonezë krijojnë hartën e parë masive të fshehur në hapësirë në botë. Është planifikuar të përfundojë deri në vitin 2019.
- Kohët e fundit, fizikantja teorike Lisa Randall sugjeroi se materia e errët dhe dinosaurët janë të lidhur. Kjo substancë dërgoi një kometë në Tokë, e cila shkatërroi jetën në planet.
Përbërësit e galaktikës sonë dhe të gjithë universit janë materia e lehtë dhe e errët, domethënë objekte të dukshme dhe të padukshme. Nëse me studimin e të parës Teknologji moderne përballon, metodat janë duke u përmirësuar vazhdimisht, atëherë është shumë problematike të hetohen substancat e fshehura. Njerëzimi ende nuk ka arritur ta kuptojë këtë fenomen. Materia e errët e padukshme, e paprekshme, por e kudogjendur ka qenë dhe mbetet një nga misteret kryesore të Universit.
Luan një rol vendimtar në zhvillimin e universit. Megjithatë, pak dihet ende për këtë substancë të çuditshme. Profesor Matthias Bartelmann - Instituti i Heidelberg për Astrofizikën Teorike - shpjegon se si është bërë hulumtimi i lëndës së errët, duke iu përgjigjur një sërë pyetjesh nga gazetarët.
dhe si lind?
Nuk e kam idenë! Deri më tani, askush. Ndoshta përbëhet nga grimca të rënda elementare. Por askush nuk e di nëse ato janë me të vërtetë grimca. Në çdo rast, ato janë shumë të ndryshme nga çdo gjë që kemi njohur më parë.
A është si të zbulosh një specie krejtësisht të re të kafshëve?
Po, është e drejtë, ky është një krahasim i mirë.
Kush e zbuloi materien e errët dhe kur?
Në vitin 1933, Fritz Zwicky shqyrtoi lëvizjen e galaktikave në grupimet e galaktikave, e cila varet nga masa totale e grumbullimit. Studiuesi vuri re se galaktikat, duke pasur parasysh masën e tyre të llogaritur, lëvizin shumë shpejt. Ky ishte aludimi i parë i materies së errët. Asnjë çështje e njohur nuk mund të shpjegojë pse yjet në galaktika ngjiten së bashku: ata duhet të fluturojnë larg për shkak të shpejtësisë së tyre të lartë të qarkullimit.
Lente gravitacionale Foto: Wissensschreiber
Çfarë dëshmie të tjera ka?
Dëshmi mjaft e mirë është efekti i lenteve gravitacionale. Galaktikat e largëta na duken të shtrembëruara, ndërsa rrezet e dritës devijojnë nga materia në rrugën e tyre. Është njësoj si të shikosh përmes xhamit të hapur. Dhe efekti është më i fortë se sa do të ishte nëse do të ekzistonte vetëm materia e dukshme.
Si duket materia e errët?
Nuk mund të shihet, pasi nuk ka ndërveprim midis materies së errët dhe rrezatimit elektromagnetik. Kjo do të thotë se nuk reflekton dritë dhe nuk lëshon rrezatim.
Si e studioni materien e errët atëherë? Cilat instrumente nevojiten për kërkime?
Ne nuk po studiojmë në mënyrë specifike lëndën e errët, por vetëm manifestimet e saj, për shembull, efektin e një lente gravitacionale. Unë jam një teoricien. Në fakt, më duhet vetëm kompjuteri im, një stilolaps dhe një fletë letre. Por unë përdor gjithashtu të dhëna nga teleskopë të mëdhenj në Hawaii dhe Kili.
A është e mundur të përshkruhet lënda e errët?
Po, ju mund të krijoni një lloj harte të shpërndarjes së saj. Ashtu siç tregojnë vijat e kodrave harta gjeografike konturet e malit, këtu mund të shihni nga dendësia e vijave, ku ka veçanërisht shumë lëndë të errët.
Kur u shfaq ajo?
Materia e errët ka origjinën ose drejtpërdrejt nga Big Bang, ose 10,000-100,000 vjet më vonë. Por ne ende jemi duke e studiuar këtë.
Sa lëndë e errët ka?
Askush nuk mund të thotë me siguri. Por bazuar në hulumtimet e fundit, ne besojmë se ka rreth shtatë deri në tetë herë më shumë lëndë të errët në univers sesa lëndë e dukshme.
Modelimi kompjuterik tregon shpërndarjen e materies së errët në formën e një rrjeti dhe ne shohim akumulimin e saj në zonat më të ndritshme.
Foto: Volker Springel
A ka një lidhje midis energjisë së errët dhe materies së errët?
Me siguri jo. Energjia e errët siguron zgjerimin e përshpejtuar të universit, ndërsa materia e errët mban së bashku galaktikat.
Nga erdhi ajo?
Lënda e errët është ndoshta kudo, vetëm se ajo nuk është e shpërndarë në mënyrë të barabartë - ashtu si materia e dukshme, ajo formon grumbullime.
Cila është rëndësia e materies së errët për ne dhe botëkuptimin tonë?
Për Jeta e përditshme ajo nuk ka rëndësi. Por në astrofizikë është shumë e rëndësishme, pasi luan një rol vendimtar në zhvillimin e Universit.
Nga se përbëhet universi ynë? 4.9% - lëndë e dukshme, 26.8% lëndë e errët, 68.3% - energji e errët Foto: Wissenschreiber
Çfarë do të sjellë ajo në të ardhmen?
Ndoshta asgjë më shumë. Më parë, për zhvillimin e universit, ishte shumë e rëndësishme. Sot, ajo ende mban së bashku vetëm galaktika individuale. Dhe ndërsa universi vazhdon të zgjerohet, bëhet gjithnjë e më e vështirë që strukturat e reja të materies së errët të shfaqen.
A do të jetë e mundur në të ardhmen të imazhohet drejtpërdrejt materija e errët duke përdorur instrumente?
Po është e mundur. Për shembull, mund të maten dridhjet që ndodhin kur grimcat e materies së errët përplasen me atomet në një kristal. E njëjta gjë ndodh edhe në përshpejtuesin e grimcave: nëse grimcat elementare duket se fluturon në një drejtim të papritur pa asnjë arsye, atëherë një grimcë e panjohur mund të jetë fajtore. Atëherë kjo do të ishte një tjetër provë e ekzistencës së materies së errët. Imagjinoni: jeni duke qëndruar në një fushë futbolli dhe ka një top para jush. Ai fluturon papritmas pa asnjë arsye e dukshme. Ai duhet të jetë rrëzuar nga diçka e padukshme.
Çfarë ju intereson më shumë në punën tuaj?
Unë jam i tërhequr nga supozimi se materia e dukshme është vetëm një pjesë e vogël e gjithçkaje, dhe ne nuk kemi asnjë ide për pjesën e mbetur.
Faleminderit që gjetët kohë. Shpresojmë që së shpejti të mësoni më shumë për lëndën e errët!
