Završna obrada. Okov. Popravak. Montaža. Izbor. Otvor blende
Ima odlučujuću ulogu u razvoju svemira. Međutim, do sada se malo zna o ovoj čudnoj tvari. Profesor Matthias Bartelmann - Heidelberg Institut za teorijsku astrofiziku - objašnjava kako je sprovedeno istraživanje tamne materije, odgovarajući na brojna pitanja novinara.
i kako nastaje?
Nemam pojma! Još niko. Vjerojatno se sastoji od teških elementarnih čestica. Ali nitko ne zna jesu li to zaista čestice. U svakom slučaju, oni se jako razlikuju od svega što smo do sada znali.
Zvuči kao otkrivanje potpuno nove životinjske vrste?
Da, tako je, to je dobro poređenje.
Ko je otkrio tamnu materiju i kada?
Fritz Zwicky je 1933. godine ispitivao kretanje galaksija u galaktičkim jatima, što ovisi o ukupnoj masi jata. Istraživač je primijetio da se galaksije, s obzirom na njihovu izračunatu masu, kreću vrlo brzo. Ovo je bio prvi nagovještaj tamne materije. Nijedna poznata materija ne može objasniti zašto se zvijezde u galaksijama drže zajedno: one se moraju razletjeti zbog velike brzine rotacije.
Gravitaciono sočivo Foto: Wissensschreiber
Koji drugi dokazi postoje?
Prilično dobar dokaz je efekat gravitacionog sočiva. Udaljene galaksije djeluju nam iskrivljeno, jer se svjetlosne zrake odbijaju na svom putu od materije. Podseća na gledanje kroz kanelovano staklo. A učinak je jači nego što bi bio da postoji samo vidljiva materija.
Kako izgleda tamna materija?
Ne može se vidjeti jer nema interakcije između tamne materije i elektromagnetskog zračenja. To znači da ne reflektira svjetlost i ne emitira zračenje.
Kako onda proučavate tamnu materiju? Koji su instrumenti potrebni za istraživanje?
Ne proučavamo posebno tamnu materiju, već samo njezine manifestacije, na primjer, učinak gravitacijske leće. Ja sam teoretičar. Zapravo, samo mi treba računar, olovka i list papira. Ali također koristim podatke s velikih teleskopa na Havajima i u Čileu.
Može li se prikazati tamna materija?
Da, možete stvoriti neku vrstu karte njegove distribucije. Baš kao što linije uzvišenja pokazuju konture planine na geografskoj karti, ovdje možete vidjeti po gustoći linija, gdje ima posebno mnogo tamne tvari.
Kada se pojavila?
Tamna materija nastala je ili direktno iz Velikog praska ili 10.000-100.000 godina kasnije. Ali ovo još uvijek proučavamo.
Koliko tamne materije postoji?
Niko ne može sa sigurnošću reći. No, na temelju nedavnih istraživanja, vjerujemo da u svemiru postoji oko sedam do osam puta više tamne materije nego što je vidljive.
Računarske simulacije pokazuju širenje tamne materije u obliku paukove mreže, a njeno nakupljanje vidimo u najsvjetlijim područjima
Fotografija: Volker Springel
Postoji li veza između tamne energije i tamne materije?
Vjerovatno ne. Tamna energija osigurava ubrzano širenje svemira, dok tamna materija drži galaksije na okupu.
Odakle je došao?
Tamna materija je vjerovatno posvuda, samo što nije ravnomjerno raspoređena - baš kao i vidljiva materija, stvara grudvice.
Kakav je značaj tamne materije za nas i naš pogled na svijet?
Za svakodnevni život to nije važno. No, u astrofizici je to vrlo važno jer igra odlučujuću ulogu u razvoju svemira.
Od čega je sazdan naš Univerzum? 4,9% vidljive materije, 26,8% tamne materije, 68,3% tamne energije Foto: Wissensschreiber
Šta će to uzrokovati u budućnosti?
Verovatno ništa drugo. Ranije je to bilo vrlo važno za razvoj svemira. Danas samo još drži pojedinačne galaksije na okupu. I kako se svemir nastavlja širiti, postaje sve teže pojavljivati se nove strukture tamne materije.
Hoće li u budućnosti biti moguće izravno prikazivati tamnu materiju instrumentima?
Da, moguće je. Na primjer, možete mjeriti vibracije koje se javljaju pri sudaru čestica tamne materije s atomima u kristalu. Isto se događa i u akceleratoru čestica: ako elementarne čestice, naizgled, bez razloga lete u neočekivanom smjeru, onda je možda kriva nepoznata čestica. Tada bi to bio još jedan dokaz postojanja tamne materije. Zamislite: stojite na fudbalskom igralištu i lopta je ispred vas. Odjednom odleti bez očiglednog razloga. Mora da ga je nešto nevidljivo srušilo.
Šta vas najviše zanima u vašem poslu?
Privlači me pretpostavka da je vidljiva materija samo mali dio svega, a mi nemamo pojma o ostatku.
Hvala vam što ste odvojili vrijeme. Nadamo se da ćete uskoro saznati više o tamnoj materiji!
U člancima ciklusa ispitivali smo strukturu vidljivog univerzuma. Govorili smo o njegovoj strukturi i česticama koje je čine. O nukleonima, koji igraju glavnu ulogu, budući da se od njih sastoji sva vidljiva materija. O fotonima, elektronima, neutrinima, kao i o sporednim glumcima uključenim u univerzalnu predstavu koja se odvija 14 milijardi godina od Velikog praska. Čini se da nema više o čemu da se priča. Ali to nije slučaj. Činjenica je da je tvar koju vidimo samo mali dio onoga što se sastoji od našeg svijeta. Sve ostalo je nešto o čemu ne znamo gotovo ništa. Ovo misteriozno "nešto" naziva se tamna materija.
Ako sjene objekata ne ovise o veličini potonjeg,
ali bi imali svoj vlastiti proizvoljan rast, tada bi, možda,
uskoro neće biti ni jedne svijetle točke na cijeloj kugli zemaljskoj.
Kozma Prutkov
Šta će se dogoditi s našim svijetom?
Nakon što je Edward Hubble 1929. otkrio crveni pomak u spektrima udaljenih galaksija, postalo je jasno da se svemir širi. Jedno od pitanja koje se postavilo u tom smislu bilo je sljedeće: koliko će se proširenje nastaviti i kako će završiti? Sile gravitacijske privlačnosti, koje djeluju između zasebnih dijelova Univerzuma, usporavaju raspršivanje ovih dijelova. Do kakvog će usporavanja doći ovisi o ukupnoj masi svemira. Ako je dovoljno velika, sile teže će postupno zaustaviti širenje i zamijenit će je kompresija. Kao rezultat toga, Univerzum će se na kraju opet "srušiti" do tačke s koje se nekada počeo širiti. Ako je masa manja od određene kritične mase, tada će se ekspanzija nastaviti zauvijek. Obično je uobičajeno govoriti ne o masi, već o gustoći, koja je povezana s masom jednostavnim omjerom poznatim iz školskog predmeta: gustoća se masa dijeli s volumenom.
Izračunata vrijednost kritične prosječne gustoće Univerzuma je oko 10 -29 grama po kubnom centimetru, što odgovara prosjeku od pet nukleona po kubnom metru. Treba naglasiti da govorimo o prosječnoj gustoći. Karakteristična koncentracija nukleona u vodi, zemlji i vama i meni je oko 10 30 po kubnom metru. Međutim, u praznini koja razdvaja jate galaksija i zauzima lavovski dio volumena Svemira, gustoća je desetine redova manja. Vrijednost koncentracije nukleona, prosječna po cijelom volumenu Univerzuma, mjerena je desetinama i stotinama puta, pažljivo izračunavajući broj zvijezda i oblaka plina i prašine različitim metodama. Rezultati takvih mjerenja su nešto drugačiji, ali kvalitativni zaključak je nepromijenjen: vrijednost gustoće Univerzuma jedva doseže nekoliko posto kritične vrijednosti.
Stoga je do 70-ih godina XX. Stoljeća bilo općenito prihvaćeno predviđanje vječne ekspanzije našeg svijeta, koja bi neizbježno trebala dovesti do takozvane toplotne smrti. Toplotna smrt je stanje sistema u kojem je tvar u njemu ravnomjerno raspoređena, a različiti dijelovi imaju istu temperaturu. Kao posljedica toga, nije moguć ni prijenos energije iz jednog dijela sistema u drugi, niti preraspodjela tvari. U takvom sistemu ništa se ne događa i ne može se ponoviti. Jasna analogija je voda prolivena po nekoj površini. Ako je površina neravna i postoje čak i male razlike u nadmorskoj visini, voda se po njoj kreće s viših mjesta na niža i na kraju se skuplja u nizinama, tvoreći lokve. Kretanje se zaustavlja. Ostalo je samo da se utješim činjenicom da će toplotna smrt nastupiti za desetke i stotine milijardi godina. Zbog toga se jako, jako dugo ne može razmišljati o ovoj mračnoj perspektivi.
Međutim, postupno je postalo jasno da je prava masa Univerzuma mnogo veća od vidljive mase sadržane u zvijezdama i oblacima plina i prašine te je, najvjerojatnije, blizu kritične. A možda i ravno njoj.
Dokazi o postojanju tamne materije
Prvi pokazatelji da nešto nije u redu s izračunavanjem mase Svemira pojavili su se sredinom 1930-ih. Švicarski astronom Fritz Zwicky izmjerio je brzinu kojom galaksije u skupu Coma (a ovo je jedno od najvećih jata koje nam je poznato, uključuje hiljade galaksija) kruže oko zajedničkog centra. Rezultat je bio obeshrabrujući: pokazalo se da su brzine galaksija mnogo veće nego što bi se moglo očekivati na osnovu promatrane ukupne mase jata. To je značilo da je prava masa grupe Koma mnogo veća od vidljive mase. No, glavna količina materije prisutna na ovom području svemira ostaje, iz nekog razloga, nevidljiva i nedostupna za izravno promatranje, koja se manifestira samo gravitacijski, to jest samo kao masa.
Prisutnost skrivene mase u jatima galaksija dokazuju i eksperimenti na takozvanom gravitacionom sočivu. Objašnjenje ovog fenomena slijedi iz teorije relativnosti. U skladu s tim, svaka masa deformira prostor i poput leće iskrivljuje pravocrtnu putanju svjetlosnih zraka. Izobličenje koje uzrokuje skup galaksija je toliko veliko da ga je lako uočiti. Konkretno, iz iskrivljenja slike galaksije koja se nalazi iza jata, moguće je izračunati raspodjelu materije u grozdu leća i na taj način izmjeriti njenu ukupnu masu. I pokazalo se da je uvijek višestruko veći od doprinosa vidljive materije klastera.
40 godina nakon Zwickyjevog rada, 70 -ih godina, američka astronomka Vera Rubin proučavala je brzinu rotacije oko galaktičkog središta materije koje se nalazi na periferiji galaksija. U skladu s Keplerovim zakonima (i oni direktno slijede iz zakona univerzalne gravitacije), pri kretanju iz središta galaksije prema njenoj periferiji, brzina rotacije galaktičkih objekata trebala bi se smanjivati obrnuto proporcionalno kvadratnom korijenu udaljenosti do centar. Mjerenja su pokazala da za mnoge galaksije ta brzina ostaje gotovo konstantna na vrlo značajnoj udaljenosti od centra. Ovi se rezultati mogu tumačiti samo na jedan način: gustoća tvari u takvim galaksijama ne smanjuje se pri pomicanju iz središta, već ostaje gotovo nepromijenjena. Budući da gustoća vidljive tvari (sadržane u zvijezdama i međuzvjezdanom plinu) brzo pada prema periferiji galaksije, gustoću koja nedostaje mora osigurati nešto što iz nekog razloga ne možemo vidjeti. Za kvantitativno objašnjenje uočenih ovisnosti brzine rotacije o udaljenosti do središta galaksija, potrebno je da ovo nevidljivo "nešto" bude oko 10 puta veće od uobičajene vidljive materije. Ovo "nešto" je dobilo naziv "tamna materija" (na engleskom " Crna materija») I dalje ostaje najintrigantnija misterija astrofizike.
Drugi važan dokaz prisutnosti tamne tvari u našem svijetu dolazi iz proračuna koji simuliraju nastanak galaksija, a koji je započeo oko 300 hiljada godina nakon početka Velikog praska. Ovi proračuni pokazuju da sile gravitacijskog privlačenja, koje su djelovale između raspršenih fragmenata materije nastale eksplozijom, nisu mogle kompenzirati kinetičku energiju raspršenja. Tvar jednostavno nije trebala biti sakupljena u galaksijama, koje ipak promatramo u modernoj eri. Ovaj problem nazvan je galaktički paradoks i dugo se smatrao ozbiljnim argumentom protiv teorije Velikog praska. Međutim, ako pretpostavimo da su čestice obične tvari u ranom svemiru bile pomiješane s česticama nevidljive tamne tvari, tada u proračunima sve pada na svoje mjesto i krajevi počinju da se konvergiraju - formiranje galaksija iz zvijezda, a zatim jata iz galaksija postaju moguće. U isto vrijeme, kako pokazuju proračuni, isprva se u galaksijama skupio ogroman broj čestica tamne tvari, a tek su se zbog gravitacijskih sila na njima sakupili elementi obične tvari čija je ukupna masa bila samo nekoliko postotaka ukupne mase Univerzuma. Ispostavilo se da je poznato i naizgled proučeno do detalja vidljivog svijeta, koje smo nedavno smatrali gotovo razumljivim, samo mali dodatak nečemu od čega se svemir zapravo sastoji. Planete, zvijezde, galaksije pa čak i ti i ja samo smo paravan za ogromno "nešto" o čemu nemamo pojma.
Fotografska činjenica
Skup galaksija (u donjem lijevom dijelu zaokruženog područja) stvara gravitacijsko sočivo. Iskrivljuje oblik objekata koji se nalaze iza objektiva - rastežući njihove slike u jednom smjeru. Prema veličini i smjeru povlačenja, međunarodna grupa astronoma iz Evropske južne opservatorije, predvođena naučnicima s pariškog Instituta za astrofiziku, iscrtala je raspodjelu mase, koja je prikazana na donjoj slici. Kao što vidite, u grupi je koncentrirano mnogo više mase nego što se može vidjeti teleskopom.
Lov na tamne masivne predmete nije brz, a rezultat ne izgleda baš impresivno na fotografiji. Hubble teleskop je 1995. primijetio da je jedna od zvijezda Velikog Magelanovog oblaka svjetlije zasvijetlila. Ovaj sjaj trajao je više od tri mjeseca, ali se tada zvijezda vratila u svoje prirodno stanje. A šest godina kasnije, pored zvijezde pojavio se jedva svjetleći objekt. Bio je to hladni patuljak koji je, prolazeći 600 svjetlosnih godina od zvijezde, stvorio gravitacijsko sočivo koje pojačava svjetlost. Proračuni su pokazali da je masa ovog patuljka samo 5-10% mase Sunca.
Konačno, opća teorija relativnosti nedvosmisleno povezuje brzinu širenja Univerzuma sa prosječnom gustoćom materije koja se u njemu nalazi. Pretpostavljajući da je prosječna zakrivljenost prostora nula, odnosno geometrija Euklida, a ne Lobačevskog (što je pouzdano provjereno, na primjer, u eksperimentima s reliktnim zračenjem), ta gustoća bi trebala biti jednaka 10 - 29 grama po kubnom centimetru. Gustoća vidljive tvari je oko 20 puta manja. 95% mase univerzuma koje nedostaje je tamna materija. Imajte na umu da je vrijednost gustoće izmjerena brzinom širenja Univerzuma jednaka kritičnoj vrijednosti. Dvije vrijednosti, neovisno izračunate na potpuno različite načine, su iste! Ako je u stvarnosti gustoća Univerzuma potpuno jednaka kritičnoj, to ne može biti slučajna slučajnost, već je posljedica neke temeljne osobine našeg svijeta koju tek treba shvatiti i shvatiti.
Šta je?
Šta danas znamo o tamnoj materiji, koja čini 95% mase svemira? Skoro ništa. Ali još uvijek znamo nešto. Prije svega, nema sumnje da tamna materija postoji - to nepobitno dokazuju gore navedene činjenice. Takođe pouzdano znamo da tamna materija postoji u nekoliko oblika. Nakon što je do početka XXI stoljeća, kao rezultat višegodišnjih promatranja u eksperimentima SuperKamiokande(Japan) i SNO (Kanada), otkriveno je da neutrini imaju masu, postalo je jasno da od 0,3% do 3% od 95% skrivene mase leži u neutrinima koji su nam dugo poznati - čak i ako njihova masa je izuzetno mala, ali je broj Postoji oko milijardu puta veći broj nukleona u svemiru: svaki kubni centimetar sadrži u prosjeku 300 neutrina. Preostalih 92-95% sastoji se od dva dijela - tamne materije i tamne energije. Beznačajan dio tamne tvari je obična barionska materija, izgrađena od nukleona; očigledno su neke nepoznate masivne čestice sa slabom interakcijom (tzv. Hladna tamna tvar) odgovorne za ostatak. Energetski bilans u modernom svemiru prikazan je u tablici, a priča o njegove posljednje tri kolone prikazana je u nastavku.
Barionska tamna materija
Mali (4-5%) dio tamne tvari je obična tvar koja ne emitira ili gotovo ne emitira vlastito zračenje pa je stoga nevidljiva. Postojanje nekoliko klasa takvih objekata može se smatrati eksperimentalno potvrđenim. Najsloženiji eksperimenti zasnovani na istom gravitacionom sočivu doveli su do otkrića takozvanih masivnih kompaktnih halo objekata, odnosno lociranih na periferiji galaktičkih diskova. To je zahtijevalo praćenje miliona udaljenih galaksija kroz nekoliko godina. Kad tamno masivno tijelo prođe između promatrača i udaljene galaksije, njegova svjetlina se na kratko smanjuje (ili povećava, budući da tamno tijelo djeluje kao gravitacijsko sočivo). Kao rezultat mukotrpnih pretraživanja, takvi su događaji identificirani. Priroda masivnih kompaktnih haloobjekata nije potpuno jasna. Najvjerojatnije su to ili ohlađene zvijezde (smeđi patuljci) ili objekti nalik planeti koji nisu povezani sa zvijezdama i sami putuju kroz galaksiju. Drugi predstavnik barionske tamne materije je vrući plin koji je nedavno otkriven u jatima galaksija rendgenskom astronomijom, a koji ne svijetli u vidljivom rasponu.
Nebarionska tamna tvar
Glavni kandidati za ne-barionsku tamnu materiju su takozvani WIMP (kratica za engleski) Slabo interaktivne masivne čestice- slabe interakcije masivnih čestica). Posebnost WIMP -a je u tome što se teško manifestiraju na bilo koji način u interakciji s običnom tvari. Zbog toga su oni vrlo stvarna nevidljiva tamna materija, i zato ih je izuzetno teško otkriti. Masa WIMP -a trebala bi biti najmanje deset puta veća od mase protona. Pretrage WIMP-a provedene su u mnogim eksperimentima u posljednjih 20-30 godina, ali unatoč svim naporima, oni još uvijek nisu pronađeni.
Jedna od ideja je da ako takve čestice postoje, onda bi Zemlja u svom kretanju sa Suncem u orbiti oko središta Galaksije trebala letjeti kroz kišu, koja se sastoji od WIMP -a. Unatoč činjenici da je WIMP čestica koja ima izuzetno slabu interakciju, ipak ima vrlo malu vjerojatnost interakcije s običnim atomom. U isto vrijeme, u posebnim instalacijama - vrlo složenim i skupim - signal se može snimiti. Broj takvih signala trebao bi se mijenjati tijekom godine, jer Zemlja, krećući se po orbiti oko Sunca, mijenja brzinu i smjer kretanja u odnosu na vjetar, koji se sastoji od WIMP -a. Eksperimentalna grupa DAMA u podzemnoj laboratoriji Gran Sasso u Italiji izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi broja signala. Međutim, druge skupine još nisu potvrdile ove rezultate, a pitanje ostaje u biti otvoreno.
Druga metoda traženja WIMP -a temelji se na pretpostavci da bi tijekom milijardi godina svog postojanja različiti astronomski objekti (Zemlja, Sunce, središte naše galaksije) trebali hvatati WIMP -ove koji se nakupljaju u središtu tih objekata i uništavajući ih međusobno, uzrokuju tok neutrina ... Pokušaji otkrivanja viška neutrinskog fluksa iz središta Zemlje prema Suncu i središtu Galaksije poduzeti su pomoću podzemnih i podvodnih neutrinskih detektora MACRO, LVD (laboratorija Gran Sasso), NT-200 (jezero Bajkal, Rusija), SuperKamiokande, AMANDA (stanica Scott -Amundsen, Južni pol), ali još nisu dovele do pozitivnog rezultata.
Eksperimenti u potrazi za WIMP -ovima također se aktivno provode na akceleratorima čestica. Prema Einsteinovoj poznatoj jednadžbi E = mc 2, energija je ekvivalentna masi. Stoga, ubrzavanjem čestice (na primjer, protona) na vrlo visoku energiju i sudarom s drugom česticom, može se očekivati proizvodnja parova drugih čestica i antičestica (uključujući WIMP), čija je ukupna masa jednaka ukupna energija čestica koje se sudaraju. No, eksperimenti s akceleratorima još nisu doveli do pozitivnog rezultata.
Tamna energija
Početkom prošlog stoljeća Albert Einstein, želeći osigurati kozmološki model u općoj teoriji relativnosti, neovisnost o vremenu, uveo je u jednadžbe teorije takozvanu kozmološku konstantu, koju je označio grčkim slovom " lambda " - Λ. Ovo Λ je bila čisto formalna konstanta, u kojoj sam Ajnštajn nije vidio nikakvo fizičko značenje. Nakon što je otkriveno širenje svemira, potreba za njim je nestala. Ajnštajn je jako požalio zbog svoje žurbe i nazvao je kosmološku konstantu svojom najvećom naučnom greškom. Međutim, desetljećima kasnije pokazalo se da se Hubbleova konstanta, koja određuje brzinu širenja svemira, mijenja s vremenom, a njezina ovisnost o vremenu može se objasniti odabirom vrijednosti iste „pogrešne“ Einsteinove konstante Λ, što doprinosi do latentne gustine Univerzuma. Ovaj dio latentne mase dobio je naziv "tamna energija".
O tamnoj energiji može se reći čak i manje nego o tamnoj materiji. Prvo, ravnomjerno je raspoređen po svemiru, za razliku od obične materije i drugih oblika tamne materije. Ima ga isto toliko u galaksijama i skupovima galaksija koliko i izvan njih. Drugo, ima nekoliko vrlo čudnih svojstava koja se mogu razumjeti samo analizom jednadžbi teorije relativnosti i tumačenjem njihovih rješenja. Na primjer, tamna energija doživljava antigravitaciju: zbog svoje prisutnosti povećava se brzina širenja svemira. Tamna energija, takoreći, gura se, ubrzavajući u isto vrijeme rasipanje obične materije sakupljene u galaksijama. I tamna energija ima negativan pritisak, zbog čega u tvari nastaje sila koja sprječava njeno istezanje.
Glavni kandidat za ulogu tamne energije je vakuum. Gustoća energije vakuuma se ne mijenja s širenjem Univerzuma, što odgovara negativnom tlaku. Drugi kandidat je hipotetičko superslabo polje koje se naziva kvintesencija. Nada za pojašnjenje prirode tamne energije povezana je prvenstveno s novim astronomskim opažanjima. Napredak u tom smjeru nesumnjivo će donijeti radikalno novo znanje čovječanstvu, jer bi u svakom slučaju tamna energija trebala biti potpuno neobična supstanca, potpuno drugačija od onoga čime se fizika do sada bavila.
Dakle, naš svijet je 95% sastavljen od nečega o čemu ne znamo gotovo ništa. Moguće je različito se odnositi prema takvoj činjenici koja nije predmet sumnje. Može izazvati tjeskobu, koja uvijek prati susret s nečim nepoznatim. Ili nažalost, jer je tako dug i kompliciran put izgradnje fizičke teorije koja opisuje svojstva našeg svijeta doveo do izjave: većina svemira skrivena je od nas i nama je nepoznata.
Ali većina fizičara je sada uzbuđena. Iskustvo pokazuje da su sve zagonetke koje je priroda postavila čovječanstvu prije ili kasnije riješene. Nesumnjivo će i misterija tamne materije biti riješena. A to će zasigurno donijeti potpuno nova znanja i koncepte, o kojima još nemamo pojma. A možda ćemo se susresti s novim zagonetkama, koje će se također riješiti. Ali to će biti sasvim druga priča, koju će čitatelji Hemije i života moći pročitati najranije za nekoliko godina. A možda za nekoliko decenija.
Izraz "tamna tvar" (ili latentna masa) koristi se u različitim područjima znanosti: kozmologiji, astronomiji, fizici. Govorimo o hipotetičkom objektu - obliku sadržaja prostora i vremena, koji direktno stupa u interakciju s elektromagnetskim zračenjem i ne propušta ga kroz sebe.
Šta je tamna materija?
Ljudi su od pamtivijeka bili zabrinuti zbog postanka univerzuma i procesa koji ga formiraju. U doba tehnologije došlo je do važnih otkrića, a teorijska se baza značajno proširila. Godine 1922. britanski fizičar James Jeans i holandski astronom Jacobus Kaptein otkrili su da je veliki dio galaktičke materije nevidljiv. Tada je prvi put nazvan izraz tamna materija - to je tvar koja se ne može vidjeti na bilo koji način poznat čovječanstvu. Prisutnost misteriozne tvari naznačena je posrednim znakovima - gravitacijskim poljem, težinom.
Tamna materija u astronomiji i kosmologiji
Pretpostavljajući da se svi objekti i dijelovi u svemiru međusobno privlače, astronomi su uspjeli pronaći masu vidljivog prostora. Ali došlo je do neslaganja u težini stvarnog i predviđenog. Naučnici su otkrili da postoji nevidljiva masa, koja čini do 95% sve nepoznate esencije u Univerzumu. Tamna materija u svemiru ima sljedeće karakteristike:
- podložan gravitaciji;
- utiče na druge svemirske objekte,
- slabo komunicira sa stvarnim svijetom.
Tamna materija - filozofija
Posebno mjesto u filozofiji zauzima tamna materija. Ova nauka bavi se proučavanjem svjetskog poretka, osnova života, sistema vidljivih i nevidljivih svjetova. Određena tvar, određena prostorom, vremenom i okolnim faktorima, uzeta je kao primarni princip. Tajanstvena tamna materija svemira, otkrivena mnogo kasnije, promijenila je razumijevanje svijeta, njegovu strukturu i evoluciju. U filozofskom smislu, nepoznata tvar, poput ugruška energije prostora i vremena, prisutna je u svakome od nas, stoga su ljudi smrtni, jer se sastoje od vremena koje ima kraj.
Čemu služi tamna materija?
Samo mali dio svemirskih objekata (planete, zvijezde itd.) Je vidljiva materija. Prema standardima različitih naučnika, tamna energija i tamna materija zauzimaju gotovo sav prostor u kosmosu. Prvi čine 21-24%, dok energija 72%. Svaka tvar nejasne fizičke prirode ima svoje funkcije:
- Crna energija, koja ne apsorbira i ne emitira svjetlost, odbija objekte uzrokujući širenje svemira.
- Galaksije su izgrađene na bazi skrivene mase, njena sila privlači objekte u svemiru i drži ih na mjestu. To jest, usporava širenje svemira.
Od čega se sastoji tamna materija?
Tamna materija u Sunčevom sistemu je nešto što se ne može dodirnuti, ispitati i temeljito proučiti. Stoga se postavlja nekoliko hipoteza o njegovoj prirodi i sastavu:
- Sastav ove tvari su čestice nepoznate nauci koje sudjeluju u gravitaciji. Nemoguće ih je otkriti teleskopom.
- Fenomen je skup malih crnih rupa (koje nisu veće od Mjeseca).
Možete razlikovati dvije vrste skrivene mase, ovisno o brzini sastavnih čestica, gustoći njihovog nakupljanja.
- Vruće. Nije dovoljno za formiranje galaksija.
- Hladno. Sastoji se od sporih, masivnih ugrušaka. Ove komponente mogu biti aksioni i bozoni poznati nauci.
Postoji li tamna materija?
Svi pokušaji mjerenja objekata neistražene fizičke prirode bili su neuspješni. 2012. godine istraživano je kretanje 400 zvijezda oko Sunca, ali prisutnost skrivene tvari u velikim količinama nije dokazana. Čak i ako tamna materija ne postoji u stvarnosti, ona postoji u teoriji. Uz njegovu pomoć objašnjava se pronalazak objekata Svemira na njihovim mjestima. Neki naučnici pronalaze dokaze o postojanju skrivene kosmičke mase. Njegovo prisustvo u Univerzumu objašnjava činjenicu da jata galaksija ne lete u različitim smjerovima i drže se zajedno.
Tamna materija - zanimljive činjenice
Priroda skrivene mase ostaje misterija, ali nastavlja zanimati znanstvene umove diljem svijeta. Redovito se provode eksperimenti uz pomoć kojih se pokušava istražiti sama tvar i njeni nuspojave. A činjenice o njoj nastavljaju se množiti. Na primjer:
- Senzacionalni Veliki hadronski sudarač, najmoćniji svjetski akcelerator čestica, radi povećanom snagom kako bi otkrio postojanje nevidljive materije u svemiru. Svjetska zajednica sa zanimanjem iščekuje rezultate.
- Japanski naučnici stvorili su prvu mapu skrivene mase u svemiru na svijetu. Planirano je da se završi do 2019.
- Nedavno je teoretska fizičarka Lisa Randall predložila da su tamna materija i dinosaurusi povezani. Ova tvar je poslala kometu na Zemlju, koja je uništila život na planeti.
Komponente naše galaksije i čitavog Univerzuma su svijetla i tamna materija, odnosno vidljivi i nevidljivi objekti. Ako se suvremena tehnologija nosi s proučavanjem prvog, metode se stalno poboljšavaju, tada je vrlo problematično istražiti skrivene tvari. Čovečanstvo još nije shvatilo ovaj fenomen. Nevidljiva, neopipljiva, ali sveprisutna tamna materija bila je i ostala jedna od glavnih misterija Univerzuma.
>Šta tamna materija i tamna energija Univerzum: struktura prostora sa fotografijom, zapremina u procentima, uticaj na objekte, istraživanje, širenje univerzuma.
Oko 80% prostora predstavlja materijal koji je skriven od direktnog promatranja. Ovo je otprilike Crna materija- tvar koja ne proizvodi energiju i svjetlost. Kako su istraživači znali da je dominantna?
Pedesetih godina prošlog stoljeća naučnici su počeli aktivno proučavati druge galaksije. Tokom analiza primijetili su da je Univerzum ispunjen s više materijala nego što ga može uhvatiti "vidljivo oko". Zagovornici tamne materije pojavljivali su se svaki dan. Iako nije bilo direktnih dokaza o njegovom prisustvu, teorije su rasle, kao i zaobilazna rješenja za promatranje.
Materijal koji vidimo naziva se barionska materija. Predstavljaju ga protoni, neutroni i elektroni. Vjeruje se da je tamna tvar sposobna kombinirati barionsku i nebarionsku materiju. Da bi svemir ostao u svom uobičajenom integritetu, tamna materija mora biti u količini od 80%.
Neuhvatljivu materiju može biti nevjerojatno teško pronaći ako sadrži barionsku materiju. Među pretendentima su smeđi i bijeli patuljci, kao i neutronske zvijezde. Supermasivne crne rupe također mogu dodati razliku. Ali trebali su imati veći utjecaj od onoga što su naučnici vidjeli. Ima i onih koji misle da tamnu materiju treba sačiniti od nečeg neobičnijeg i rijetkog.
Sastavljena slika teleskopa Hubble koji prikazuje sablasni prsten tamne materije u galaksiji Cl 0024 + 17
Većina znanstvenog svijeta vjeruje da je nepoznata tvar zastupljena uglavnom nebarionskom materijom. Najpopularniji kandidat je WIMPS (slabo kontaktujuće masivne čestice), čija je masa 10-100 puta veća od mase protona. Ali njihova interakcija s običnom materijom je preslaba, što otežava pronalaženje.
Neutralini se sada vrlo pažljivo razmatraju - masivne hipotetičke čestice koje premašuju neutrine po masi, ali se razlikuju po sporosti. Još nisu pronađeni. Manje neutralni aksiom i netaknuti fotoni također se uzimaju u obzir kao moguće opcije.
Druga je mogućnost zastarjelo znanje o gravitaciji koje je potrebno ažurirati.
Nevidljiva tamna materija i tamna energija
Ali, ako nešto ne vidimo, kako dokazati da to postoji? I zašto smo odlučili da su tamna materija i tamna energija nešto stvarno?
Masa velikih objekata izračunava se prema njihovom prostornom pomicanju. Pedesetih godina prošlog stoljeća istraživači koji su gledali spiralne galaksije pretpostavili su da će se materijal blizu centra kretati mnogo brže od udaljenog materijala. No pokazalo se da su se zvijezde kretale istom brzinom, što znači da je masa bila mnogo veća nego što se ranije mislilo. Proučeni plin u eliptičnim tipovima pokazao je iste rezultate. Isti se zaključak sam nameće: da se neko vodi samo prividnom masom, onda bi se galaktička jata odavno urušila.
Albert Einstein je uspio dokazati da su veliki univerzalni objekti sposobni savijati i iskrivljavati svjetlosne zrake. To im je omogućilo da se koriste kao prirodno povećalo. Istražujući ovaj proces, naučnici su uspjeli stvoriti kartu tamne materije.
Ispostavilo se da je većina našeg svijeta predstavljena još uvijek nedostižnom tvari. Više o tamnoj materiji možete saznati ako pogledate video.
Crna materija
Fizičar Dmitrij Kazakov o općoj energetskoj bilanci svemira, teoriji skrivene mase i čestica tamne tvari:
Ako govorimo o materiji, onda je tamna nesumnjivo vodeća u postotku. Ali općenito, zauzima samo četvrtinu svega. Univerzum obiluje tamna energija.
Od Velikog praska svemir je pokrenuo proces proširenja koji se nastavlja i danas. Istraživači su vjerovali da će na kraju početna energija prestati i da će se usporiti. Ali udaljene supernove pokazuju da svemir ne staje, već da ubrzava. Sve je to moguće samo ako je količina energije toliko velika da nadilazi gravitacijski utjecaj.
Tamna materija i tamna energija: Objašnjena zagonetka
Znamo da je svemir uglavnom tamna energija. To je misteriozna sila koja uzrokuje da prostor poveća brzinu širenja svemira. Još jedna misteriozna komponenta je tamna materija, koja održava kontakt s objektima samo uz pomoć gravitacije.
Naučnici ne mogu vidjeti tamnu materiju direktnim posmatranjem, ali su efekti dostupni za proučavanje. Uspijevaju uhvatiti svjetlost savijenu gravitacionom silom nevidljivih objekata (gravitaciono sočivo). Oni također primjećuju trenutke kada zvijezda kruži oko galaksije mnogo brže nego što bi trebalo.
Sve je to zbog prisutnosti ogromne količine neuhvatljive tvari koja utječe na masu i brzinu. U stvari, ova tvar je obavijena misterijom. Ispostavilo se da istraživači radije mogu reći ne ono što je ispred njih, već ono što "nije".
Ovaj kolaž prikazuje slike šest različitih galaktičkih jata snimljenih NASA -inim svemirskim teleskopom Hubble. Jata su otkrivena pokušavajući istražiti ponašanje tamne tvari u galaktičkim jatima pri njihovom sudaru
Tamna materija ... tamna. Ne proizvodi svjetlost i ne promatra se izravno. Stoga isključujemo zvijezde i planete.
Ne djeluje kao oblak obične materije (takve čestice se zovu barioni). Da su barioni prisutni u tamnoj materiji, onda bi se to očitovalo direktnim promatranjem.
Također isključujemo crne rupe jer djeluju kao gravitacijska sočiva koja emitiraju svjetlost. Naučnici ne posmatraju dovoljno događaja sočiva da bi izračunali količinu tamne materije koja bi trebala biti prisutna.
Iako je Univerzum najveće mjesto, sve je počelo s najmanjim strukturama. Vjeruje se da se tamna materija počela kondenzirati kako bi stvorila "građevne blokove" s normalnom materijom, stvarajući prve galaksije i jata.
Da bi pronašli tamnu materiju, naučnici koriste različite metode:
- Veliki hadronski sudarač.
- instrumenti poput WNAP -a i Planckove svemirske opservatorije.
- eksperimenti direktnog pogleda: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP i ArDM.
- indirektno otkrivanje: detektori gama zraka (Fermi), neutrinski teleskopi (IceCube), detektori antimaterije (PAMELA), rendgenski i radio detektori.
Metode pretraživanja tamne materije
Fizičar Anton Baušev o slabim interakcijama između čestica, radioaktivnosti i potrazi za tragovima uništenja:
Uranjajući u misteriju tamne materije i tamne energije
Više puta naučnici nisu mogli doslovno vidjeti tamnu materiju jer ne dolazi u kontakt s barionskom materijom, što znači da ostaje nedostižna za svjetlost i druge vrste elektromagnetskog zračenja. No, istraživači su sigurni u njegovu prisutnost, jer promatraju utjecaj na galaksije i jata.
Standardna fizika kaže da bi se zvijezde na rubu spiralne galaksije trebale usporiti. Ali ispostavilo se da se pojavljuju zvijezde čija brzina ne poštuje princip lokacije u odnosu na centar. To se može objasniti samo činjenicom da na zvijezde utječe nevidljiva tamna materija u oreolu oko galaksije.
Prisutnost tamne materije može dešifrirati i neke iluzije uočene u dubinama svemira. Na primjer, prisutnost čudnih prstenova i svjetlosnih lukova u galaksijama. Odnosno, svjetlost iz udaljenih galaksija prolazi kroz izobličenje i pojačava se nevidljivim slojem tamne materije (gravitaciono sočivo).
Do sada imamo nekoliko ideja o tome šta je tamna materija. Glavna ideja su egzotične čestice koje nisu u dodiru s običnom materijom i svjetlošću, ali imaju moć u gravitacijskom smislu. Sada nekoliko grupa (neke koriste veliki hadronski sudarač) rade na stvaranju čestica tamne materije za proučavanje u laboratoriji.
Drugi misle da se utjecaj može objasniti temeljnom modifikacijom teorije gravitacije. Tada dobivamo nekoliko oblika gravitacije, koji se značajno razlikuju od uobičajene slike i zakona koje je uspostavila fizika.
Svemir koji se širi i tamna energija
Situacija s tamnom energijom još je zbunjujuća, a samo otkriće devedesetih postalo je nepredvidivo. Fizičari su oduvijek mislili da sila gravitacije usporava i može jednog dana obustaviti proces univerzalnog širenja. Dva tima su se mjerila brzinom odjednom i oba su, na njihovo iznenađenje, otkrila ubrzanje. Kao da bacate jabuku u zrak i znate da mora pasti, a ona se sve više udaljava od vas.
Postalo je jasno da je na ubrzanje utjecala neka sila. Štaviše, čini se da što je širi univerzum, ta sila dobija više "moći". Naučnici su odlučili da je označe kao tamnu energiju.
Odnosi se na "Teoriju svemira"Tamna materija i tamna energija u svemiru
V. A. Rubakov,
Institut za nuklearna istraživanja RAS, Moskva, Rusija
1. Uvod
Prirodna je nauka sada na početku nove, neobično zanimljive faze u svom razvoju. To je izvanredno, prije svega, zato što su nauka o mikrokosmosu - fizika elementarnih čestica - i nauka o univerzumu - kosmologija - postala jedinstvena nauka o temeljnim svojstvima svijeta oko nas. Koristeći različite metode, oni odgovaraju na ista pitanja: kakvom je materijom svemir danas ispunjen? Kakva je bila njegova evolucija u prošlosti? Koji su procesi koji su se odvijali između elementarnih čestica u ranom svemiru na kraju doveli do njegovog sadašnjeg stanja? Ako je relativno nedavno rasprava o takvim pitanjima prestala na razini hipoteza, danas postoje brojni eksperimentalni i opservacijski podaci koji omogućuju dobivanje kvantitativnih (!) Odgovora na ova pitanja. Ovo je još jedna karakteristika sadašnje faze: kosmologija je postala egzaktna nauka u posljednjih 10-15 godina. Već danas su podaci o posmatračkoj kosmologiji vrlo tačni; u narednim godinama će se dobiti još više informacija o modernom i ranom univerzumu.
Nedavno pribavljeni kozmološki podaci zahtijevaju radikalni dodatak modernim shvatanjima strukture materije i fundamentalnih interakcija elementarnih čestica. Danas znamo sve ili gotovo sve o tim "ciglama" koje čine običnu materiju - atome, atomska jezgra, protone i neutrone koji čine jezgre - i kako te "cigle" međusobno djeluju na udaljenostima do 1/1000 veličine atomskog jezgra (slika 1). Ovo znanje je stečeno kao rezultat dugogodišnjeg eksperimentalnog istraživanja, uglavnom na ubrzivačima, i teorijskog razumijevanja ovih eksperimenata. Kozmološki podaci ukazuju na postojanje novih vrsta čestica koje još nisu otkrivene u zemaljskim uvjetima i koje čine "tamnu materiju" u svemiru. Najvjerojatnije govorimo o čitavom sloju novih pojava u fizici mikrosvijeta, a sasvim je moguće da će ovaj sloj fenomena biti otkriven u zemaljskim laboratorijima u bliskoj budućnosti.
|
Još iznenađujući rezultat promatračke kozmologije bio je pokazatelj postojanja potpuno novog oblika materije - "tamne energije i".
Koja su svojstva tamne materije i tamne energije i? Koji kozmološki dokazi ukazuju na njihovo postojanje? Šta kaže sa stanovišta fizike mikrosvijeta? Kakvi su izgledi za proučavanje tamne materije i tamne energije u zemaljskim uslovima? Ovo predavanje je posvećeno ovim pitanjima.
2. Proširenje univerzuma
Postoji niz činjenica koje govore o svojstvima Univerzuma danas i u relativno nedavnoj prošlosti.
|
Univerzum u celini homogen: sva područja u svemiru izgledaju isto. Naravno, to se ne odnosi na mala područja: postoje područja gdje su mnoge zvijezde galaksije; postoje područja u kojima postoji mnogo galaksija - ovo su skupovi galaksija; postoje i regioni u kojima ima malo galaksija - to su džinovske praznine. Ali regioni od 300 miliona svjetlosnih godina ili više izgledaju isto. To jasno dokazuju astronomska opažanja, uslijed kojih je sastavljena "karta" Univerzuma na udaljenosti od oko 10 milijardi svjetlosnih godina od nas. Mora se reći da ova "karta" služi kao izvor najvrjednijih informacija o modernom svemiru, jer omogućuje kvantitativno određivanje kako je materija raspoređena u svemiru.
Uključeno pirinač. 2 prikazuje fragment ove karte koji pokriva relativno mali volumen Univerzuma. Može se vidjeti da u svemiru postoje strukture prilično velike veličine, ali općenito su galaksije u njemu "raštrkane" jednoliko.
Universe proširuje: galaksije se udaljuju jedna od druge. Prostor se proteže u svim smjerovima, a što je ova ili ona galaksija udaljenija od nas, to se brže odmiče od nas. Danas je stopa ovog širenja mala: sve će se udaljenosti udvostručiti za oko 15 milijardi godina, ali ranije je stopa širenja bila mnogo brža. Gustoća tvari u Svemiru vremenom se smanjuje, a u budućnosti će se Svemir sve više rjeđivati. Naprotiv, Univerzum je nekada bio mnogo gušći nego što je sada. O širenju Univerzuma izravno svjedoči "crvenilo" svjetlosti koju emitiraju udaljene galaksije ili svijetle zvijezde: zbog općeg rastezanja prostora, valna duljina svjetlosti se povećava za vrijeme dok leti prema nama. Upravo je ovaj fenomen ustanovio E. Hubble 1927. godine i poslužio je kao opservacijski dokaz širenja svemira, koji je tri godine ranije predvidio Alexander Friedman.
Izvanredno je da moderni opservacijski podaci omogućuju mjerenje ne samo brzine širenja Univerzuma u sadašnje vrijeme, već i praćenje stope njegovog širenja u prošlosti. Govorit ćemo o rezultatima ovih mjerenja i dalekosežnim zaključcima koji iz njih slijede. Ovdje ćemo reći o sljedećem: sama činjenica širenja Univerzuma, zajedno s teorijom gravitacije - općom teorijom relativnosti - svjedoči o činjenici da je u prošlosti Univerzum bio izuzetno gust i da se širio izuzetno brzo. Ako evoluciju Univerzuma pratimo u prošlost, koristeći poznate zakone fizike, dolazimo do zaključka da je ova evolucija započela od trenutka Velikog praska; u tom je trenutku materija u svemiru bila toliko gusta, a gravitacijska interakcija bila toliko jaka da su poznati zakoni fizike bili neprimjenjivi. Od tada je prošlo 14 milijardi godina, ovo je doba modernog svemira.
Univerzum je "topao": sadrži elektromagnetno zračenje, karakterizirano temperaturom od T = 2,725 stupnjeva Kelvina (reliktni fotoni, koji su danas radio valovi). Naravno, ova temperatura danas nije visoka (ispod temperature tekućeg helija), ali to je bilo daleko od prošlosti. U procesu širenja, Univerzum se hladi, tako da je u ranim fazama svoje evolucije temperatura, poput gustoće materije, bila mnogo veća nego danas. U prošlosti je svemir bio vruć, gust i brzo se širio.
Fotografija prikazana na pirinač. 3 , dovelo je do nekoliko važnih i neočekivanih zaključaka. Prvo, omogućio je da se ustanovi da je naš trodimenzionalni prostor s dobrim stepenom tačnosti euklidski: zbir kutova trokuta u njemu iznosi 180 stepeni čak i za trokute sa stranicama, čije su dužine uporedive sa veličini vidljivog dijela univerzuma, tj., uporedivom sa 14 milijardi svjetlosnih godina. Općenito govoreći, opća relativnost pretpostavlja da prostor možda nije euklidski, već zakrivljen; opservacijski podaci ukazuju da to nije slučaj (barem za našu regiju Univerzuma). Metoda mjerenja "zbroja kutova trokuta" na skalama kozmološke udaljenosti je sljedeća. Moguće je pouzdano izračunati karakterističnu prostornu veličinu regija u kojima se temperatura razlikuje od prosjeka: u vrijeme prijelaza plazma-plin ta veličina je određena starošću svemira, tj. Proporcionalna je 300 tisuća svjetlosti godine. Uočena kutna veličina ovih regija ovisi o geometriji trodimenzionalnog prostora, što omogućava utvrđivanje da je ova geometrija euklidska.
U slučaju euklidske geometrije trodimenzionalnog prostora, opća teorija relativnosti nedvosmisleno povezuje brzinu širenja svemira s ukupnom gustoća svih oblika energije i, baš kao i u Newtonovoj teoriji gravitacije, brzina Zemljine revolucije oko Sunca određena je masom Sunca. Izmjerena brzina širenja odgovara ukupnoj gustoći energije u modernom svemiru
U smislu gustoće mase (budući da je energija i relacijom povezana s masom E = mc 2 ) ovaj broj je
Da je energija I u Univerzumu u potpunosti određena energijom mirovanja obične materije, tada bi u svemiru u prosjeku bilo 5 protona po kubnom metru. Vidjet ćemo, međutim, da u svemiru postoji mnogo manje uobičajena materija.
Drugo, sa fotografije pirinač. 3 moguće je utvrditi šta je bilo magnitude(amplituda) heterogenosti temperatura i gustoća u ranom svemiru - iznosila je 10 –4 –10 –5 prosječnih vrijednosti. Upravo zbog ovih nehomogenosti gustoće nastale su galaksije i jata galaksija: regioni veće gustoće privukli su okolnu materiju zbog gravitacijskih sila, postali još gušći i na kraju formirali galaksije.
Budući da su početne nehomogenosti gustoće poznate, može se izračunati proces formiranja galaksija, a rezultat se može uporediti s promatranom distribucijom galaksija u svemiru. Ovaj proračun je u skladu s zapažanjima samo ako pretpostavimo da pored obične materije u svemiru postoji još jedna vrsta materije - Crna materija, čiji doprinos ukupnoj gustoći energije i dalje iznosi oko 25%.
|
Druga faza u evoluciji Univerzuma odgovara još ranijim vremenima, od 1 do 200 sekundi (!) Od trenutka Velikog praska, kada je temperatura Univerzuma dosegla milijarde stepeni. U to vrijeme u univerzumu su se odvijale termonuklearne reakcije, slične reakcijama u središtu Sunca ili u termonuklearnoj bombi. Kao rezultat ovih reakcija, dio protona se vezao s neutronima i formirao laka jezgra - jezgre helija, deuterija i litija -7. Može se izračunati broj formiranih lakih jezgri, pri čemu je jedini nepoznati parametar gustoća broja protona u Univerzumu (potonji se, naravno, smanjuje zbog širenja Univerzuma, ali njegove vrijednosti u različitim vremenima jednostavno su povezani jedno s drugim).
Poređenje ovog izračuna s opaženom količinom svjetlosnih elemenata u svemiru dano je u pirinač. 4 : linije predstavljaju rezultate teorijskih proračuna ovisno o jedinom parametru - gustoći obične tvari (barioni), a pravokutnici predstavljaju podatke promatranja. Izvanredno, postoji saglasnost za sva tri laka jezgra (helijum-4, deuterijum i litijum-7); slažu se i sa podacima o reliktnom zračenju (prikazano vertikalnom prugom na slici 4, označenom CMB - kosmička mikrotalasna pozadina). Ovaj sporazum ukazuje na to da opća teorija relativnosti i poznati zakoni nuklearne fizike ispravno opisuju Univerzum u dobi od 1–200 sekundi, kada je materija u njemu imala temperaturu od milijardu stepeni ili više. Za nas je važno da svi ti podaci dovedu do zaključka da je gustoća mase obične tvari u modernom svemiru
to jest, obična materija doprinosi samo 5% ukupnoj gustoći energije u svemiru.
4. Energetski bilans u savremenom univerzumu
Dakle, udio obične tvari (protoni, atomska jezgra, elektroni) u ukupnoj energiji u modernom svemiru je samo 5%. Osim obične tvari u svemiru, postoje i reliktni neutrini - oko 300 neutrina svih vrsta po kubnom centimetru. Njihov doprinos ukupnoj energiji u (masi) u svemiru je mali, budući da su mase neutrina male i zasigurno ne više od 3%. Preostalih 90-95% ukupne energije u svemiru je "nepoznato šta". Štaviše, ovo "nepoznato šta" sastoji se od dvije frakcije - tamne materije i tamne energije i, kako je prikazano na slici pirinač. 5 .
|
U ovom slučaju, tvari u zvijezdama su i dalje 10 puta manje; uobičajena materija nalazi se uglavnom u oblacima gasa.
5. Tamna materija
Tamna materija slična je običnoj materiji u smislu da se može okupiti u nakupine (veličine, recimo, galaksije ili jata galaksija) i učestvuje u gravitacionim interakcijama na isti način kao i obična materija. Najvjerojatnije se sastoji od novih čestica koje još nisu otkrivene u zemaljskim uvjetima.
|
Osim kozmoloških podataka, mjerenja gravitacijskog polja u jatima galaksija i u galaksijama idu u prilog postojanju tamne tvari. Postoji nekoliko načina za mjerenje gravitacionog polja u jatima galaksija, od kojih je jedan gravitaciono sočivo, ilustrovano u pirinač. 6 .
Gravitaciono polje jata savija zrake svjetlosti koje emitira galaksija iza jata, odnosno gravitaciono polje djeluje kao leća. U isto vrijeme ponekad se pojavi nekoliko slika ove udaljene galaksije; na levoj polovini sl. 6 plave su. Zakrivljenost svjetlosti ovisi o raspodjeli mase u grozdu, bez obzira na to koje čestice stvaraju tu masu. Ovako obnovljena raspodjela mase prikazana je na desnoj polovici Sl. 6 u plavoj boji; može se vidjeti da se jako razlikuje od distribucije svjetlosne tvari. Na ovaj način izmjerene mase galaktičkih jata u skladu su s činjenicom da tamna materija doprinosi oko 25% ukupnoj gustoći energije u svemiru. Podsjetimo se da se isti broj dobiva usporedbom teorije formiranja struktura (galaksija, jata) s opažanjima.
|
Tamna materija se takođe nalazi u galaksijama. Ovo opet slijedi iz mjerenja gravitacionog polja, sada u galaksijama i njihovoj okolini. Što je gravitaciono polje jače, zvezde i oblaci gasa se brže okreću oko galaksije, tako da merenja brzina rotacije u zavisnosti od udaljenosti do centra galaksije omogućavaju rekonstrukciju raspodele mase u njoj. Ovo je ilustrovano u pirinač. 7 : s udaljenošću od središta galaksije, orbitalne brzine se ne smanjuju, što ukazuje na to da u galaksiji postoji nesvijetleća, tamna tvar, uključujući i daleko od njenog svjetlećeg dijela. U našoj Galaksiji, u blizini Sunca, masa tamne tvari približno je jednaka masi obične tvari.
Šta su čestice tamne materije? Jasno je da te čestice ne bi trebale propadati u druge, lakše čestice, u protivnom bi se raspadale za vrijeme postojanja Univerzuma. Ova činjenica sama po sebi svjedoči o činjenici da priroda djeluje novo još nije otvoren zakon o očuvanju sprečavajući raspadanje ovih čestica. Analogija je ovdje sa zakonom očuvanja električnog naboja: elektron je najlakša čestica s električnim nabojem i zato se ne raspada na lakše čestice (na primjer, neutrine i fotone). Nadalje, čestice tamne tvari izuzetno slabo stupaju u interakciju s našom materijom, inače bi već bile otkrivene u zemaljskim eksperimentima. Tada počinje područje hipoteza. Čini se da je najvjerojatnija (ali daleko od jedine!) Hipoteza da su čestice tamne tvari 100–1000 puta teže od protona i da je njihova interakcija s običnom materijom po intenzitetu usporediva s onom neutrina. U okviru ove hipoteze današnja gustoća tamne tvari pronalazi jednostavno objašnjenje: čestice tamne tvari intenzivno su se rađale i uništavale u vrlo ranom svemiru na ultra visokim temperaturama (oko 10 15 stepeni), a neke od njih su preživjele do ovaj dan. S navedenim parametrima ovih čestica, njihov trenutni broj u Svemiru je upravo ono što je potrebno.
Možemo li očekivati otkriće čestica tamne materije u bliskoj budućnosti pod zemaljskim uslovima? Budući da danas ne poznajemo prirodu ovih čestica, nemoguće je na ovo pitanje odgovoriti potpuno nedvosmisleno. Ipak, izgleda da su izgledi vrlo optimistični.
Postoji nekoliko načina za traženje čestica tamne materije. Jedan od njih povezan je s eksperimentima na budućim ubrzivačima i sudaračima velike energije. Ako su čestice tamne tvari doista 100–1000 puta teže od protona, tada će se one proizvesti u sudarima običnih čestica ubrzanih na sudarima do velikih energija d (energija d postignuta na postojećim sudionicima nije dovoljna za to). Neposredni izgledi ovdje povezani su s velikim hadronskim sudaračem (LHC) koji se gradi u CERN -ovom međunarodnom centru u blizini Ženeve, a koji će primati sudarajuće zrake protona s energijom od 7x7 teraelektronvolti. Mora se reći da su prema danas popularnim hipotezama čestice tamne materije samo jedan predstavnik nove porodice elementarnih čestica, pa se, uz otkriće čestica tamne materije, može nadati otkriću cijele klase nove čestice i nove interakcije na akceleratorima. Kozmologija sugerira da svijet elementarnih čestica nije iscrpljen poznatim danas "ciglama"!
Drugi način je registrirati čestice tamne materije koje lete oko nas. Ne postoji ih nekoliko: s masom jednakom 1000 protonskih masa, ovdje i sada bi trebalo biti 1000 ovih čestica u kubnom metru. Problem je u tome što izuzetno slabo stupaju u interakciju s običnim česticama, tvar im je prozirna. Ipak, čestice tamne tvari povremeno se sudaraju s atomskim jezgrama, pa se nadamo da se ti sudari mogu registrirati. Pretražujte u ovom smjeru
|
Konačno, još jedan način povezan je s registracijom proizvoda uništavanja čestica tamne tvari među sobom. Ove čestice trebale bi se akumulirati u središtu Zemlje i u središtu Sunca (tvar je za njih praktički prozirna i sposobne su pasti na Zemlju ili Sunce). Tamo se međusobno uništavaju i nastaju druge čestice, uključujući neutrine. Ovi neutrini slobodno prolaze kroz debljinu Zemlje ili Sunca, a mogu se registrirati posebnim instalacijama - neutrinskim teleskopima. Jedan od ovih neutrinskih teleskopa nalazi se u dubinama Bajkalskog jezera (NT-200, pirinač. osam ), druga (AMANDA) - duboko u ledu na Južnom polu.
|
Kao što je prikazano u pirinač. devet , neutrino koji dolazi, na primjer, iz centra Sunca, može s malom vjerojatnošću doživjeti interakciju u vodi, uslijed čega nastaje nabijena čestica (muon), čija se svjetlost snima. Budući da je interakcija neutrina sa materijom vrlo slaba, vjerojatnost takvog događaja je mala i potrebni su vrlo veliki detektori. Izgradnja detektora od 1 kubnog kilometra sada je započela na Južnom polu.
Postoje i drugi pristupi potrazi za česticama tamne tvari, na primjer, traženju produkata njihovog uništenja u središnjem dijelu naše Galaksije. Vrijeme će pokazati koji će od svih ovih puteva prvi dovesti do uspjeha, ali u svakom slučaju otkriće ovih novih čestica i proučavanje njihovih svojstava bit će veliko znanstveno postignuće. Ove čestice će nam reći o svojstvima univerzuma 10–9 s (milijarda sekunde!) Nakon Velikog praska, kada je temperatura univerzuma bila 10 15 stepeni, a čestice tamne materije intenzivno su stupile u interakciju s kosmičkom plazmom.
6. Tamna energija I
Tamna energija I mnogo je čudnija tvar od tamne tvari. Za početak, ne skuplja se u grudve, već se ravnomjerno "razlije" po svemiru. Ima ga isto toliko u galaksijama i skupovima galaksija koliko i izvan njih. Najneobičnije je to što tamnu energiju, u određenom smislu, doživljavam antigravitacija... Već smo rekli da savremene astronomske metode ne mogu samo izmjeriti trenutnu brzinu širenja svemira, već i odrediti kako se ona mijenjala s vremenom. Dakle, astronomska zapažanja ukazuju na to da se danas (i u nedavnoj prošlosti) Univerzum širi ubrzavanjem: brzina širenja raste s vremenom. Ovo je značenje e i možemo govoriti o antigravitaciji: uobičajeno gravitacijsko privlačenje usporilo bi raspršivanje galaksija, ali u našem svemiru se pokazalo suprotno.
Takva slika, općenito govoreći, nije u suprotnosti s općom teorijom relativnosti, ali za tu tamnu energiju moram imati posebno svojstvo - negativni pritisak. To ga oštro razlikuje od običnih oblika materije. Nije pretjerano to reći priroda tamne energije glavna je misterija fundamentalne fizike XXI vijeka.
Jedan od kandidata za ulogu tamne energije i - vakuuma. Gustoća energije i vakuum se ne mijenjaju širenjem Univerzuma, a to znači negativni tlak vakuuma. Drugi kandidat je novo superslabo polje koje prožima cijeli univerzum; za to se koristi izraz "kvintesencija". Postoje i drugi kandidati, ali u svakom slučaju tamna energija sebe je nešto sasvim neobično.
Drugi način objašnjenja ubrzanog širenja svemira je pretpostaviti da se sami zakoni gravitacije mijenjaju na kosmološkim udaljenostima i u kozmološkim vremenima. Takva hipoteza nije nimalo bezazlena: pokušaji generalizacije opće teorije relativnosti u ovom smjeru nailaze na ozbiljne poteškoće.
Očigledno, ako je takva generalizacija uopće moguća, ona će biti povezana s idejom o postojanju dodatnih dimenzija prostora, pored tri dimenzije koje opažamo u svakodnevnom iskustvu.
Nažalost, danas ne postoje vidljivi načini izravnog eksperimentalnog istraživanja tamne energije u zemaljskim uvjetima. To, naravno, ne znači da se nove briljantne ideje u ovom smjeru ne mogu pojaviti u budućnosti, ali danas su nade u pojašnjenje prirode tamne energije i (ili, šire, razloge ubrzanog širenja svemira) povezane isključivo s astronomskim opažanjima i s dobivanjem novih.točnijih kozmoloških podataka. Moramo detaljno saznati kako se svemir proširio u relativno kasnoj fazi svoje evolucije, a to će nam, nadamo se, omogućiti izbor između različitih hipoteza.
Govorimo o opažanjima supernova tipa 1a.
Promjena energije i s promjenom volumena određena je pritiskom, Δ E = -strΔ V... S širenjem Univerzuma, energija vakuuma I raste s volumenom (gustoća energije je konstantna), što je moguće samo ako je vakuumski tlak negativan. Imajte na umu da suprotni znakovi pritiska i energije i vakuuma izravno proizlaze iz Lorentzove invarijantnosti.
7. Zaključak
Kao što je to često slučaj u znanosti, impresivan napredak u fizici čestica i kozmologiji pokrenuo je neočekivana i temeljna pitanja. Danas ne znamo koji je najveći deo materije u Univerzumu. Možemo samo nagađati koji se fenomeni događaju na ultrakratkim udaljenostima i koji su se procesi odvijali u svemiru u najranijim fazama njegove evolucije. Izvanredno je da će se odgovori na mnoga od ovih pitanja naći u doglednoj budućnosti - za 10-15 godina, a možda i ranije. Naše vrijeme je vrijeme radikalne promjene pogleda na prirodu, a glavna otkrića tek predstoje.
DISKUSIJA
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
| Fornit Site Autorska prava | ||||||||