Afwerking. Uitrusting. Reparatie. Installatie. Keuze. Opening
Speelt een beslissende rol in de ontwikkeling van het heelal. Er is echter tot nu toe weinig bekend over deze vreemde stof. Professor Matthias Bartelmann - Heidelberg Instituut voor Theoretische Astrofysica - legt uit hoe onderzoek naar donkere materie werd uitgevoerd en beantwoordde een reeks vragen van journalisten.
en hoe ontstaat het?
Ik heb geen idee! Nog niemand. Het bestaat waarschijnlijk uit zware elementaire deeltjes. Maar niemand weet of dit echt deeltjes zijn. In ieder geval zijn ze heel anders dan alles wat we eerder hebben gekend.
Klinkt als het ontdekken van een hele nieuwe diersoort?
Ja, dat klopt, het is een goede vergelijking.
Wie ontdekte donkere materie en wanneer?
In 1933 onderzocht Fritz Zwicky de beweging van sterrenstelsels in galactische clusters, die afhangt van de totale massa van de cluster. De onderzoeker merkte op dat de sterrenstelsels, gezien hun berekende massa, zeer snel bewegen. Dit was de eerste hint van donkere materie. Geen enkele bekende materie zou kunnen verklaren waarom de sterren in sterrenstelsels aan elkaar plakken: ze moeten uit elkaar vliegen vanwege hun hoge rotatiesnelheid.
Zwaartekrachtlens Foto: Wissensschreiber
Welk ander bewijs is er?
Een redelijk goed bewijs is het zwaartekrachtlenseffect. Verre sterrenstelsels lijken ons vervormd, omdat lichtstralen op hun weg van de materie afbuigen. Het lijkt op kijken door gecanneleerd glas. En het effect is sterker dan het zou zijn als er alleen zichtbare materie zou zijn.
Hoe ziet donkere materie eruit?
Het is niet te zien, omdat er geen interactie is tussen donkere materie en elektromagnetische straling. Dit betekent dat het geen licht weerkaatst en geen straling afgeeft.
Hoe bestudeer je donkere materie dan? Welke instrumenten zijn nodig voor onderzoek?
We bestuderen niet specifiek donkere materie, maar alleen de manifestaties ervan, bijvoorbeeld het effect van een zwaartekrachtlens. Ik ben een theoreticus. Eigenlijk heb ik alleen mijn computer, pen en vel papier nodig. Maar ik gebruik ook gegevens van grote telescopen in Hawaï en Chili.
Kan donkere materie worden afgebeeld?
Ja, u kunt een soort kaart maken van de verspreiding ervan. Net zoals de hoogtelijnen de contouren van de berg op een geografische kaart weergeven, kun je hier aan de dichtheid van de lijnen zien waar vooral veel donkere materie is.
Wanneer is ze verschenen?
Donkere materie is ofwel rechtstreeks afkomstig van de oerknal of 10.000 tot 100.000 jaar later. Maar we zijn dit nog aan het bestuderen.
Hoeveel donkere materie is er?
Niemand kan het met zekerheid zeggen. Maar op basis van recent onderzoek geloven we dat er ongeveer zeven tot acht keer meer donkere materie in het universum is dan er zichtbare materie is.
Computersimulaties tonen de verspreiding van donkere materie in de vorm van een spinnenweb, en we zien de accumulatie ervan in de helderste gebieden
Foto: Volker Springel
Is er een verband tussen donkere energie en donkere materie?
Waarschijnlijk niet. Donkere energie zorgt voor een versnelde uitdijing van het heelal, terwijl donkere materie sterrenstelsels bij elkaar houdt.
Waar kwam het vandaan?
Donkere materie is waarschijnlijk overal, alleen is het niet gelijkmatig verdeeld - net als zichtbare materie vormt het klonten.
Wat is de betekenis van donkere materie voor ons en ons wereldbeeld?
Voor het dagelijks leven maakt het niet uit. Maar in de astrofysica is het erg belangrijk, omdat het een beslissende rol speelt in de ontwikkeling van het heelal.
Waar is ons universum van gemaakt? 4,9% zichtbare materie, 26,8% donkere materie, 68,3% donkere energie Foto: Wissensschreiber
Wat zal het in de toekomst veroorzaken?
Waarschijnlijk niets anders. Voorheen was het erg belangrijk voor de ontwikkeling van het heelal. Tegenwoordig houdt het alleen nog de afzonderlijke sterrenstelsels bij elkaar. En naarmate het heelal blijft uitdijen, wordt het steeds moeilijker voor nieuwe donkere materiestructuren om te verschijnen.
Zal het in de toekomst mogelijk zijn om donkere materie direct weer te geven met instrumenten?
Ja, het is mogelijk. Je kunt bijvoorbeeld de trillingen meten die optreden als donkere materiedeeltjes botsen met atomen in een kristal. Evenzo gebeurt het in een deeltjesversneller: als elementaire deeltjes, schijnbaar zonder reden, in een onverwachte richting vliegen, dan kan een onbekend deeltje de schuld zijn. Dan zou het weer een bewijs zijn van het bestaan van donkere materie. Stel je voor: je staat op een voetbalveld en er ligt een bal voor je. Hij vliegt plotseling weg zonder duidelijke reden. Iets onzichtbaars moet hem hebben neergeslagen.
Wat interesseert u het meest in uw werk?
Ik word aangetrokken door de veronderstelling dat zichtbare materie slechts een klein deel van alles is, en van de rest hebben we geen idee.
Bedankt voor je tijd. We hopen dat je snel meer te weten komt over donkere materie!
In de artikelen van de cyclus hebben we de structuur van het zichtbare heelal onderzocht. We spraken over de structuur en de deeltjes die deze structuur vormen. Over nucleonen, die de hoofdrol spelen, omdat alle zichtbare materie daaruit bestaat. Over fotonen, elektronen, neutrino's, maar ook over de kleine acteurs die betrokken zijn bij een universele voorstelling die zich 14 miljard jaar na de oerknal afspeelt. Het lijkt alsof er niets meer over te praten valt. Maar dit is niet het geval. Feit is dat de substantie die we zien slechts een klein deel is van waar onze wereld uit bestaat. Al het andere is iets waar we bijna niets van weten. Dit mysterieuze "iets" wordt donkere materie genoemd.
Als de schaduwen van objecten niet afhankelijk waren van de grootte van de laatste,
maar hun eigen willekeurige groei zouden hebben, dan, misschien,
binnenkort zou er op de hele aardbol geen enkel lichtpuntje meer zijn.
Kozma Prutkov
Wat gebeurt er met onze wereld?
Na de ontdekking in 1929 door Edward Hubble van de roodverschuiving in de spectra van verre sterrenstelsels, werd het duidelijk dat het heelal uitdijde. Een van de vragen die daarbij opkwamen was de volgende: hoe lang gaat de uitbreiding door en hoe eindigt deze? De aantrekkingskracht van de zwaartekracht, die tussen afzonderlijke delen van het heelal inwerkt, heeft de neiging om de verstrooiing van deze delen te vertragen. Tot welke vertraging zal leiden, hangt af van de totale massa van het heelal. Als het groot genoeg is, zullen de zwaartekrachten geleidelijk stoppen met uitzetten en het zal worden vervangen door compressie. Als gevolg hiervan zal het heelal uiteindelijk weer "instorten" tot het punt van waaruit het ooit begon uit te breiden. Als de massa kleiner is dan een bepaalde kritische massa, zal de expansie voor altijd doorgaan. Het is gebruikelijk om niet over massa te praten, maar over dichtheid, die gerelateerd is aan massa door een eenvoudige verhouding die bekend is uit de schoolcursus: dichtheid is massa gedeeld door volume.
De berekende waarde van de kritische gemiddelde dichtheid van het heelal is ongeveer 10-29 gram per kubieke centimeter, wat overeenkomt met een gemiddelde van vijf nucleonen per kubieke meter. Benadrukt moet worden dat we het hebben over de gemiddelde dichtheid. De karakteristieke concentratie van nucleonen in water, aarde en in jou en mij is ongeveer 10 30 per kubieke meter. In de leegte die clusters van sterrenstelsels scheidt en het leeuwendeel van het volume van het heelal inneemt, is de dichtheid echter tientallen ordes van grootte lager. De waarde van de concentratie van nucleonen, gemiddeld over het hele volume van het heelal, werd tientallen en honderden keren gemeten, waarbij zorgvuldig het aantal sterren en gas- en stofwolken werd berekend met verschillende methoden. De resultaten van dergelijke metingen zijn iets anders, maar de kwalitatieve conclusie is ongewijzigd: de waarde van de dichtheid van het heelal bereikt amper enkele procenten van de kritische waarde.
Daarom werd het tot de jaren 70 van de twintigste eeuw algemeen aanvaard om de eeuwige expansie van onze wereld te voorspellen, wat onvermijdelijk zou leiden tot de zogenaamde hittedood. Thermische dood is een toestand van een systeem wanneer de stof erin gelijkmatig is verdeeld en de verschillende delen dezelfde temperatuur hebben. Als gevolg hiervan is noch de overdracht van energie van het ene deel van het systeem naar het andere, noch de herverdeling van materie mogelijk. In zo'n systeem gebeurt er niets en kan het ook nooit meer gebeuren. Een duidelijke analogie is dat water over een oppervlak wordt gegoten. Als het oppervlak ongelijk is en er zelfs kleine hoogteverschillen zijn, beweegt het water erlangs van hogere naar lagere plaatsen en verzamelt zich uiteindelijk in laaglanden en vormt plassen. De beweging stopt. Het enige wat ik nog moest doen, was mezelf troosten met het feit dat de dood door hitte over tientallen en honderden miljarden jaren zou plaatsvinden. Dientengevolge hoeft men zeer, zeer lange tijd niet aan dit sombere vooruitzicht te denken.
Het werd echter geleidelijk duidelijk dat de ware massa van het heelal veel groter is dan de zichtbare massa in sterren en gas- en stofwolken en hoogstwaarschijnlijk bijna kritiek is. En misschien wel precies gelijk aan haar.
Bewijs voor het bestaan van donkere materie
De eerste indicatie dat er iets mis was met de berekening van de massa van het heelal verscheen in het midden van de jaren '30 van de twintigste eeuw. De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky heeft de snelheid gemeten waarmee sterrenstelsels in het Coma-cluster (en dit is een van de grootste ons bekende clusters, het omvat duizenden sterrenstelsels) rond een gemeenschappelijk centrum draaien. Het resultaat was ontmoedigend: de snelheden van de sterrenstelsels bleken veel hoger dan je zou verwachten op basis van de waargenomen totale massa van het cluster. Dit betekende dat de werkelijke massa van de Coma Cluster veel groter was dan de zichtbare massa. Maar de grootste hoeveelheid materie die in dit deel van het heelal aanwezig is, blijft om de een of andere reden onzichtbaar en ontoegankelijk voor directe observatie, en manifesteert zich alleen door zwaartekracht, dat wil zeggen alleen als massa.
De aanwezigheid van verborgen massa in clusters van sterrenstelsels wordt ook bewezen door experimenten met de zogenaamde zwaartekrachtlens. De verklaring van dit fenomeen volgt uit de relativiteitstheorie. In overeenstemming daarmee vervormt elke massa de ruimte en vervormt, net als een lens, het rechtlijnige pad van lichtstralen. De vervorming die een cluster van sterrenstelsels veroorzaakt, is zo groot dat het gemakkelijk te zien is. Met name uit de vervorming van het beeld van het sterrenstelsel dat achter het cluster ligt, is het mogelijk om de verdeling van materie in het lenscluster te berekenen en daarmee de totale massa te meten. En het blijkt dat het altijd vele malen groter is dan de bijdrage van de zichtbare materie van het cluster.
40 jaar na het werk van Zwicky, in de jaren 70, bestudeerde de Amerikaanse astronoom Vera Rubin de rotatiesnelheid rond het galactische centrum van materie aan de rand van sterrenstelsels. In overeenstemming met de wetten van Kepler (en ze volgen rechtstreeks uit de wet van universele zwaartekracht), zou de rotatiesnelheid van galactische objecten omgekeerd evenredig moeten afnemen met de vierkantswortel van de afstand tot het centrum wanneer ze van het centrum van de melkweg naar de periferie gaan . Metingen hebben aangetoond dat deze snelheid voor veel sterrenstelsels op een zeer aanzienlijke afstand van het centrum vrijwel constant blijft. Deze resultaten kunnen maar op één manier worden geïnterpreteerd: de dichtheid van materie in dergelijke sterrenstelsels neemt niet af wanneer ze vanuit het centrum komen, maar blijft vrijwel onveranderd. Aangezien de dichtheid van zichtbare materie (die zich in sterren en interstellair gas bevindt) snel naar de periferie van de melkweg daalt, moet de ontbrekende dichtheid worden geleverd door iets dat we om de een of andere reden niet kunnen zien. Voor een kwantitatieve verklaring van de waargenomen afhankelijkheid van de rotatiesnelheid van de afstand tot het centrum van sterrenstelsels, is het vereist dat dit onzichtbare "iets" ongeveer 10 keer groter is dan de gebruikelijke zichtbare materie. Dit "iets" heeft de naam "donkere materie" gekregen (in het Engels " donkere materie») En nog steeds het meest intrigerende mysterie in de astrofysica.
Een ander belangrijk bewijs van de aanwezigheid van donkere materie in onze wereld komt van berekeningen die de vorming van sterrenstelsels simuleren, die ongeveer 300 duizend jaar na het begin van de oerknal begon. Deze berekeningen laten zien dat de aantrekkingskracht van de zwaartekracht, die inwerkte tussen de verstrooiende fragmenten van de materie die voortkwam uit de explosie, de kinetische energie van de verstrooiing niet konden compenseren. De stof had zich gewoon niet moeten verzamelen in sterrenstelsels, die we in de moderne tijd toch waarnemen. Dit probleem werd de galactische paradox genoemd en werd lange tijd beschouwd als een serieus argument tegen de oerknaltheorie. Als we echter aannemen dat deeltjes van gewone materie in het vroege heelal werden gemengd met deeltjes van onzichtbare donkere materie, dan valt in de berekeningen alles op zijn plaats en beginnen de uiteinden te convergeren - de vorming van sterrenstelsels van sterren, en dan worden clusters van sterrenstelsels mogelijk. Tegelijkertijd, zoals berekeningen laten zien, waren aanvankelijk een groot aantal donkere materiedeeltjes geclusterd in sterrenstelsels en pas toen, als gevolg van zwaartekracht, werden er elementen van gewone materie op verzameld, waarvan de totale massa slechts een paar procent was van de totale massa van het heelal. Het blijkt dat de bekende en schijnbaar tot in de details bestudeerde tot in de details van de zichtbare wereld, die we recentelijk als bijna begrijpelijk beschouwden, slechts een kleine toevoeging is aan iets waar het heelal eigenlijk uit bestaat. Planeten, sterren, melkwegstelsels en zelfs jij en ik zijn slechts een scherm voor een enorm "iets" waarvan we geen idee hebben.
Foto feit
Een cluster van sterrenstelsels (linksonder in het omcirkelde gebied) creëert een zwaartekrachtlens. Het vervormt de vorm van objecten die zich achter de lens bevinden, waardoor hun afbeeldingen in één richting worden uitgerekt. Volgens de grootte en richting van de trekkracht heeft een internationale groep astronomen van de European Southern Observatory, geleid door wetenschappers van het Paris Institute of Astrophysics, de massaverdeling uitgezet, die wordt weergegeven in de onderste afbeelding. Zoals je kunt zien, is er veel meer massa geconcentreerd in het cluster dan door een telescoop kan worden gezien.
Jagen op donkere massieve objecten is geen snelle aangelegenheid en het resultaat ziet er op de foto niet erg indrukwekkend uit. In 1995 merkte de Hubble-telescoop op dat een van de sterren van de Grote Magelhaense Wolk helderder opflakkerde. Deze gloed hield meer dan drie maanden aan, maar daarna keerde de ster terug naar zijn natuurlijke staat. En zes jaar later verscheen er een nauwelijks lichtgevend object naast de ster. Het was een koude dwerg die 600 lichtjaar van de ster passeerde en een zwaartekrachtlens creëerde die het licht versterkt. Berekeningen hebben aangetoond dat de massa van deze dwerg slechts 5-10% van de massa van de zon is.
Ten slotte verbindt de algemene relativiteitstheorie de uitdijingssnelheid van het heelal ondubbelzinnig met de gemiddelde dichtheid van de materie die het bevat. In de veronderstelling dat de gemiddelde kromming van de ruimte nul is, dat wil zeggen dat de geometrie van Euclides erin werkt, en niet Lobachevsky (wat op betrouwbare wijze is geverifieerd, bijvoorbeeld in experimenten met relikwiestraling), zou deze dichtheid gelijk moeten zijn aan 10 -29 gram per kubieke centimeter. De dichtheid van de zichtbare substantie is ongeveer 20 keer minder. De ontbrekende 95% van de massa van het heelal is donkere materie. Merk op dat de dichtheidswaarde gemeten aan de hand van de expansiesnelheid van het heelal gelijk is aan de kritische waarde. De twee waarden, onafhankelijk berekend op totaal verschillende manieren, zijn hetzelfde! Als in werkelijkheid de dichtheid van het heelal precies gelijk is aan de kritische, kan dit geen toevallig toeval zijn, maar is het een gevolg van een fundamentele eigenschap van onze wereld, die nog moet worden begrepen en begrepen.
Wat is dit?
Wat weten we vandaag over donkere materie, die 95% van de massa van het heelal uitmaakt? Bijna niets. Maar we weten nog iets. Allereerst lijdt het geen twijfel dat donkere materie bestaat - dit wordt onweerlegbaar bewezen door de hierboven gepresenteerde feiten. We weten ook zeker dat donkere materie in verschillende vormen bestaat. Na tegen het begin van de eenentwintigste eeuw, als resultaat van vele jaren van observaties in experimenten SuperKamiokande(Japan) en SNO (Canada), bleek dat neutrino's massa hebben, werd het duidelijk dat 0,3% tot 3% van 95% van de verborgen massa in neutrino's ligt die ons al lang bekend zijn - zelfs als hun massa is extreem klein, maar het aantal is Het universum heeft ongeveer een miljard keer het aantal nucleonen: elke kubieke centimeter bevat gemiddeld 300 neutrino's. De overige 92-95% bestaat uit twee delen: donkere materie en donkere energie. Een onbeduidende fractie van donkere materie is gewone baryonische materie, opgebouwd uit nucleonen; blijkbaar zijn enkele onbekende massieve, zwak interagerende deeltjes (de zogenaamde koude donkere materie) verantwoordelijk voor de rest. De energiebalans in het moderne heelal wordt weergegeven in de tabel en het verhaal over de laatste drie kolommen wordt hieronder weergegeven.
Baryonische donkere materie
Een klein (4-5%) deel van de donkere materie is een gewone stof die geen of bijna geen eigen straling uitzendt en dus onzichtbaar is. Het bestaan van verschillende klassen van dergelijke objecten kan als experimenteel bevestigd worden beschouwd. De meest complexe experimenten op basis van dezelfde zwaartekrachtlens leidden tot de ontdekking van de zogenaamde massieve compacte halo-objecten, dat wil zeggen, gelegen aan de periferie van galactische schijven. Hiervoor moesten miljoenen verre sterrenstelsels over meerdere jaren worden gevolgd. Wanneer een donker massief lichaam tussen een waarnemer en een verre melkweg passeert, neemt zijn helderheid korte tijd af (of neemt toe, omdat het donkere lichaam als een zwaartekrachtlens werkt). Als resultaat van nauwgezette zoekacties werden dergelijke gebeurtenissen geïdentificeerd. De aard van massieve compacte halo-objecten is niet helemaal duidelijk. Hoogstwaarschijnlijk zijn dit ofwel gekoelde sterren (bruine dwergen), of planeetachtige objecten die niet met sterren zijn geassocieerd en zelfstandig door de melkweg reizen. Een andere vertegenwoordiger van baryonische donkere materie is een heet gas dat onlangs door röntgenastronomie in clusters van sterrenstelsels is ontdekt en dat niet in het zichtbare bereik gloeit.
Niet-baryonische donkere materie
De belangrijkste kandidaten voor niet-baryonische donkere materie zijn de zogenaamde WIMP (afkorting van Engels) Zwak Interactieve Massieve Deeltjes- zwak interagerende massieve deeltjes). Het bijzondere van WIMP is dat ze zich op geen enkele manier manifesteren in interactie met een gewone stof. Dit is de reden waarom het echt onzichtbare donkere materie is en waarom ze extreem moeilijk te detecteren zijn. De WIMP-massa moet minstens tien keer groter zijn dan de protonmassa. In de afgelopen 20-30 jaar zijn er in veel experimenten naar WIMP's gezocht, maar ondanks alle inspanningen zijn ze nog niet gevonden.
Een van de ideeën is dat als zulke deeltjes bestaan, de aarde in haar beweging met de zon in een baan rond het centrum van de Melkweg door de regen, bestaande uit WIMP, zou moeten vliegen. Ondanks het feit dat WIMP een extreem zwak interactief deeltje is, heeft het nog steeds een zeer kleine kans op interactie met een gewoon atoom. Tegelijkertijd kan in speciale installaties - zeer complex en kostbaar - een signaal worden opgenomen. Het aantal van dergelijke signalen zou het hele jaar door moeten veranderen, omdat de aarde, in een baan rond de zon, haar snelheid en bewegingsrichting verandert ten opzichte van de wind, die bestaat uit WIMP. De DAMA-experimentele groep in het ondergrondse laboratorium van Gran Sasso in Italië rapporteert de waargenomen jaarlijkse variaties in de signaaltelling. Andere groepen hebben deze resultaten echter nog niet bevestigd en de vraag blijft in wezen open.
Een andere methode om naar WIMP te zoeken is gebaseerd op de veronderstelling dat verschillende astronomische objecten (Aarde, Zon, het centrum van onze Melkweg) gedurende miljarden jaren van hun bestaan WIMP's zouden moeten vangen die zich in het centrum van deze objecten ophopen, en vernietigend met elkaar, aanleiding geven tot een neutrinoflux ... Pogingen om overtollige neutrinoflux van het centrum van de aarde naar de zon en het centrum van de Melkweg te detecteren, werden ondernomen met behulp van ondergrondse en onderwaterneutrinodetectoren MACRO, LVD (Gran Sasso-laboratorium), NT-200 (Lake Baikal, Rusland), SuperKamiokande, AMANDA (Scott station -Amundsen, Zuidpool), maar hebben nog niet tot een positief resultaat geleid.
Ook bij deeltjesversnellers wordt actief geëxperimenteerd met het zoeken naar WIMP's. Volgens Einsteins beroemde vergelijking E = mc 2 is energie gelijk aan massa. Daarom kan men bij het versnellen van een deeltje (bijvoorbeeld een proton) tot een zeer hoge energie en het botsen met een ander deeltje, de productie verwachten van paren van andere deeltjes en antideeltjes (inclusief WIMP), waarvan de totale massa gelijk is aan de totale energie van de botsende deeltjes. Maar versnellerexperimenten hebben nog niet tot een positief resultaat geleid.
Donkere energie
Aan het begin van de vorige eeuw introduceerde Albert Einstein, die het kosmologische model in de algemene relativiteitstheorie wilde voorzien van onafhankelijkheid van tijd, in de vergelijkingen van de theorie de zogenaamde kosmologische constante, die hij aanduidde met de Griekse letter " lambda" - . Deze Λ was een puur formele constante, waarin Einstein zelf geen fysieke betekenis zag. Nadat de uitdijing van het heelal was ontdekt, verdween de behoefte eraan. Einstein had grote spijt van zijn haast en noemde de kosmologische constante - zijn grootste wetenschappelijke fout. Decennia later bleek echter dat de Hubble-constante, die de uitdijingssnelheid van het heelal bepaalt, verandert met de tijd, en zijn afhankelijkheid van tijd kan worden verklaard door de waarde van dezelfde "foutieve" constante Λ van Einstein te kiezen, die bijdraagt naar de latente dichtheid van het heelal. Dit deel van de latente massa werd "donkere energie" genoemd.
Over donkere energie valt nog minder te zeggen dan over donkere materie. Ten eerste is het gelijkmatig verdeeld over het heelal, in tegenstelling tot gewone materie en andere vormen van donkere materie. Er is net zoveel van in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels als daarbuiten. Ten tweede heeft het een aantal zeer vreemde eigenschappen, die alleen kunnen worden begrepen door de vergelijkingen van de relativiteitstheorie te analyseren en hun oplossingen te interpreteren. Donkere energie ervaart bijvoorbeeld anti-zwaartekracht: door zijn aanwezigheid neemt de uitdijingssnelheid van het heelal toe. Donkere energie duwt zichzelf als het ware uit elkaar en versnelt tegelijkertijd de verstrooiing van gewone materie verzameld in sterrenstelsels. En donkere energie heeft ook onderdruk, waardoor er een kracht in de stof ontstaat die het uitrekken verhindert.
De belangrijkste kandidaat voor de rol van donkere energie is vacuüm. De energiedichtheid van het vacuüm verandert niet met de uitdijing van het heelal, wat overeenkomt met negatieve druk. Een andere kandidaat is een hypothetisch superzwak veld genaamd quintessence. Hoop op opheldering van de aard van donkere energie wordt voornamelijk geassocieerd met nieuwe astronomische waarnemingen. Vooruitgang in deze richting zal ongetwijfeld radicaal nieuwe kennis voor de mensheid brengen, aangezien donkere energie in ieder geval een volkomen ongebruikelijke substantie zou moeten zijn, totaal anders dan wat de natuurkunde tot nu toe heeft behandeld.
Onze wereld bestaat dus voor 95% uit iets waarover we bijna niets weten. Het is mogelijk zich anders te verhouden tot een dergelijk feit dat niet aan enige twijfel onderhevig is. Hij kan angst veroorzaken, wat altijd gepaard gaat met een ontmoeting met iets onbekends. Of ergernis, omdat zo'n lang en gecompliceerd pad van het bouwen van een fysieke theorie die de eigenschappen van onze wereld beschrijft, heeft geleid tot de stelling: het grootste deel van het universum is voor ons verborgen en is onbekend voor ons.
Maar de meeste natuurkundigen worden nu enthousiast. De ervaring leert dat alle raadsels die de natuur de mensheid voorlegde vroeg of laat werden opgelost. Ongetwijfeld zal ook het mysterie van donkere materie worden opgelost. En dit zal zeker compleet nieuwe kennis en concepten opleveren waar we nog geen idee van hebben. En misschien zullen we nieuwe raadsels tegenkomen, die op hun beurt ook zullen worden opgelost. Maar het wordt een heel ander verhaal, dat lezers van Chemistry and Life niet eerder dan over een paar jaar zullen kunnen lezen. En misschien over een paar decennia.
De term "donkere materie" (of latente massa) wordt gebruikt in verschillende wetenschapsgebieden: in de kosmologie, astronomie, natuurkunde. We hebben het over een hypothetisch object - een vorm van de inhoud van ruimte en tijd, die rechtstreeks interageert met elektromagnetische straling en deze niet door zichzelf laat gaan.
Wat is donkere materie?
Sinds onheuglijke tijden maken mensen zich zorgen over de oorsprong van het heelal en de processen die het vormen. In het tijdperk van de technologie zijn er belangrijke ontdekkingen gedaan en is de theoretische basis aanzienlijk uitgebreid. In 1922 ontdekten de Britse natuurkundige James Jeans en de Nederlandse astronoom Jacobus Kaptein dat veel van de galactische materie onzichtbaar is. Toen werd de term donkere materie voor het eerst genoemd - dit is een stof die op geen enkele manier kan worden gezien die de mensheid kent. De aanwezigheid van een mysterieuze substantie wordt aangegeven door indirecte tekens - zwaartekrachtveld, zwaarte.
Donkere materie in astronomie en kosmologie
Door aan te nemen dat alle objecten en delen in het heelal tot elkaar worden aangetrokken, konden astronomen de massa van de zichtbare ruimte vinden. Maar er was een discrepantie in het gewicht van het reële en het voorspelde. En wetenschappers hebben ontdekt dat er een onzichtbare massa is, die tot 95% van alle onbekende essentie in het heelal uitmaakt. Donkere materie in de ruimte heeft de volgende kenmerken:
- onderhevig aan de zwaartekracht;
- beïnvloedt andere ruimtevoorwerpen,
- heeft een zwakke wisselwerking met de echte wereld.
Donkere materie - filosofie
Een speciale plaats wordt ingenomen door donkere materie in de filosofie. Deze wetenschap houdt zich bezig met de studie van de wereldorde, de fundamenten van het leven, het systeem van zichtbare en onzichtbare werelden. Een bepaalde substantie, bepaald door ruimte, tijd en omgevingsfactoren, werd als uitgangspunt genomen. De mysterieuze donkere materie van de ruimte, veel later ontdekt, veranderde het begrip van de wereld, zijn structuur en evolutie. In filosofische zin is een onbekende substantie, zoals een klomp energie van ruimte en tijd, in ieder van ons aanwezig, daarom zijn mensen sterfelijk, omdat ze bestaan uit tijd, die een einde heeft.
Waar is donkere materie voor?
Slechts een klein deel van ruimtevoorwerpen (planeten, sterren, enz.) is zichtbare materie. Volgens de normen van verschillende wetenschappers nemen donkere energie en donkere materie bijna alle ruimte in de kosmos in beslag. De eerste is goed voor 21-24%, terwijl energie 72% uitmaakt. Elke substantie van een obscure fysieke aard heeft zijn eigen functies:
- Zwarte energie, die geen licht absorbeert of uitstraalt, stoot objecten af, waardoor het universum uitdijt.
- Sterrenstelsels zijn gebouwd op basis van de verborgen massa, de kracht ervan trekt objecten in de ruimte aan, houdt ze op hun plaats. Dat wil zeggen, het vertraagt de uitdijing van het heelal.
Waar is donkere materie van gemaakt?
Donkere materie in het zonnestelsel is iets dat niet grondig kan worden aangeraakt, onderzocht en bestudeerd. Daarom worden verschillende hypothesen naar voren gebracht met betrekking tot de aard en samenstelling:
- Deeltjes die de wetenschap niet kent, die deelnemen aan de zwaartekracht, zijn een bestanddeel van deze stof. Het is onmogelijk om ze door een telescoop te detecteren.
- Het fenomeen is een cluster van kleine zwarte gaten (niet groter dan de maan).
Je kunt twee soorten verborgen massa onderscheiden, afhankelijk van de snelheid van de samenstellende deeltjes, de dichtheid van hun accumulatie.
- Heet. Het is niet genoeg om sterrenstelsels te vormen.
- Verkoudheid. Bestaat uit langzame, massieve stolsels. Deze componenten kunnen axionen en bosonen zijn die de wetenschap kent.
Bestaat donkere materie?
Alle pogingen om objecten van onontgonnen fysieke aard te meten zijn niet succesvol geweest. In 2012 is de beweging van 400 sterren rond de zon onderzocht, maar de aanwezigheid van verborgen materie in grote volumes is niet bewezen. Zelfs als donkere materie in werkelijkheid niet bestaat, bestaat ze in theorie wel. Met zijn hulp wordt het vinden van de objecten van het heelal op hun plaatsen uitgelegd. Sommige wetenschappers vinden bewijs voor het bestaan van een verborgen kosmische massa. Zijn aanwezigheid in het heelal verklaart het feit dat clusters van sterrenstelsels niet in verschillende richtingen vliegen en aan elkaar plakken.
Donkere materie - interessante feiten
De aard van de verborgen massa blijft een mysterie, maar het blijft wetenschappelijke geesten over de hele wereld interesseren. Er worden regelmatig experimenten gedaan met behulp waarvan ze de stof zelf en de bijwerkingen ervan proberen te onderzoeken. En de feiten over haar blijven zich vermenigvuldigen. Bijvoorbeeld:
- De sensationele Large Hadron Collider, 's werelds krachtigste deeltjesversneller, werkt met een verhoogd vermogen om het bestaan van onzichtbare materie in de ruimte te onthullen. De wereldgemeenschap wacht met belangstelling de resultaten af.
- Japanse wetenschappers maken 's werelds eerste kaart van verborgen massa in de ruimte. Het is de bedoeling om het in 2019 af te ronden.
- Onlangs suggereerde theoretisch fysicus Lisa Randall dat donkere materie en dinosaurussen verwant zijn. Deze substantie stuurde een komeet naar de aarde, die het leven op de planeet vernietigde.
De componenten van onze melkweg en het hele universum zijn lichte en donkere materie, dat wil zeggen zichtbare en onzichtbare objecten. Als de moderne technologie de studie van de eerste aankan, worden de methoden voortdurend verbeterd, dan is het zeer problematisch om de verborgen stoffen te onderzoeken. De mensheid is dit fenomeen nog niet gaan begrijpen. Onzichtbare, ongrijpbare, maar alomtegenwoordige donkere materie was en blijft een van de belangrijkste mysteries van het heelal.
>Wat is er gebeurd donkere materie en donkere energie Heelal: structuur van de ruimte met een foto, volume in procenten, invloed op objecten, verkenning, uitdijing van het heelal.
Ongeveer 80% van de ruimte wordt vertegenwoordigd door materiaal dat verborgen is voor directe observatie. Dit gaat over donkere materie- een stof die geen energie en licht produceert. Hoe wisten de onderzoekers dat het dominant was?
In de jaren vijftig begonnen wetenschappers actief andere sterrenstelsels te bestuderen. Tijdens de analyses merkten ze dat het heelal gevuld is met meer materiaal dan met het "zichtbare oog" kan worden vastgelegd. Voorstanders van donkere materie kwamen elke dag opdagen. Hoewel er geen direct bewijs was van zijn aanwezigheid, groeiden theorieën, evenals de tijdelijke oplossingen voor observatie.
Het materiaal dat we zien wordt baryonische materie genoemd. Het wordt weergegeven door protonen, neutronen en elektronen. Er wordt aangenomen dat donkere materie baryonische en niet-baryonische materie kan combineren. Om het heelal in zijn gebruikelijke integriteit te houden, moet de hoeveelheid donkere materie 80% bedragen.
Ongrijpbare materie kan ongelooflijk moeilijk te vinden zijn als het baryonische materie bevat. Onder de kanshebbers zijn bruine en witte dwergen, evenals neutronensterren. Superzware zwarte gaten kunnen ook bijdragen aan het verschil. Maar ze hadden meer impact moeten hebben dan wat wetenschappers zagen. Er zijn ook mensen die vinden dat donkere materie uit iets ongebruikelijkers en zeldzamers zou moeten bestaan.
Composietbeeld van de Hubble-telescoop met een spookachtige ring van donkere materie in de cluster van sterrenstelsels Cl 0024 + 17
Het grootste deel van de wetenschappelijke wereld gelooft dat de onbekende substantie voornamelijk wordt vertegenwoordigd door niet-baryonische materie. De meest populaire kandidaat is WIMPS (Weakly Contacting Massive Particles), waarvan de massa 10-100 keer die van een proton is. Maar hun interactie met gewone materie is te zwak, waardoor het moeilijker te vinden is.
Neutralino's worden nu zeer zorgvuldig overwogen - massieve hypothetische deeltjes, groter dan neutrino's in massa, maar verschillen in traagheid. Ze zijn nog niet gevonden. Het minder neutrale axioma en ongerepte fotonen worden ook als mogelijke opties in aanmerking genomen.
Een andere optie is verouderde zwaartekrachtkennis die moet worden bijgewerkt.
Onzichtbare donkere materie en donkere energie
Maar als we iets niet zien, hoe kunnen we dan bewijzen dat het bestaat? En waarom hebben we besloten dat donkere materie en donkere energie iets echts zijn?
De massa van grote objecten wordt berekend door hun ruimtelijke verplaatsing. In de jaren vijftig gingen onderzoekers die naar spiraalvormige sterrenstelsels keken, ervan uit dat materiaal dicht bij het centrum veel sneller zou bewegen dan materiaal op afstand. Maar het bleek dat de sterren met dezelfde snelheid bewogen, wat betekent dat er veel meer massa was dan eerder werd gedacht. Het bestudeerde gas in elliptische typen liet dezelfde resultaten zien. Dezelfde conclusie suggereerde zichzelf: als men zich alleen liet leiden door de schijnbare massa, dan zouden de galactische clusters al lang geleden zijn ingestort.
Albert Einstein kon bewijzen dat grote universele objecten lichtstralen kunnen buigen en vervormen. Hierdoor konden ze worden gebruikt als een natuurlijke vergrootlens. Door dit proces te onderzoeken zijn wetenschappers erin geslaagd een kaart van donkere materie te maken.
Het blijkt dat het grootste deel van onze wereld wordt vertegenwoordigd door een nog steeds ongrijpbare substantie. Je kunt meer leren over donkere materie als je de video bekijkt.
Donkere materie
Natuurkundige Dmitry Kazakov over de algemene energiebalans van het heelal, de theorie van verborgen massa- en donkere materiedeeltjes:
Als we het over materie hebben, dan is de duistere ongetwijfeld procentueel de leider. Maar over het algemeen neemt het slechts een kwart van alles in beslag. Het universum is in overvloed donkere energie.
Sinds de oerknal heeft de ruimte een expansieproces op gang gebracht dat tot op de dag van vandaag voortduurt. De onderzoekers geloofden dat de aanvankelijke energie uiteindelijk zou opraken en zou vertragen. Maar verre supernova's laten zien dat de ruimte niet stopt, maar sneller wordt. Dit alles is alleen mogelijk als de hoeveelheid energie zo groot is dat het de zwaartekracht overwint.
Donkere materie en donkere energie: het raadsel uitgelegd
We weten dat het heelal grotendeels uit donkere energie bestaat. Het is een mysterieuze kracht die ervoor zorgt dat de ruimte de uitdijingssnelheid van het universum verhoogt. Een ander mysterieus onderdeel is donkere materie, die alleen met behulp van de zwaartekracht contact houdt met objecten.
Wetenschappers kunnen donkere materie niet zien in directe observatie, maar de effecten zijn beschikbaar voor studie. Ze slagen erin licht te vangen dat wordt gebogen door de zwaartekracht van onzichtbare objecten (gravitationele lensing). Ze merken ook de momenten op waarop de ster veel sneller om de melkweg draait dan zou moeten.
Dit alles komt door de aanwezigheid van een enorme hoeveelheid ongrijpbare substantie die massa en snelheid beïnvloedt. In feite is deze stof gehuld in mysterie. Het blijkt dat onderzoekers liever niet zeggen wat er voor hen ligt, maar wat 'het' niet is.
Deze collage toont afbeeldingen van zes verschillende clusters van sterrenstelsels die zijn gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA. De clusters werden ontdekt terwijl ze probeerden het gedrag van donkere materie in clusters van sterrenstelsels te onderzoeken terwijl ze botsen.
Donkere materie ... donker. Het produceert geen licht en wordt niet in direct zicht waargenomen. Daarom sluiten we sterren en planeten uit.
Het fungeert niet als een wolk van gewone materie (dergelijke deeltjes worden baryonen genoemd). Als baryonen aanwezig waren in donkere materie, dan zou het zich manifesteren in directe waarneming.
We sluiten ook zwarte gaten uit, omdat ze fungeren als zwaartekrachtlenzen die licht uitstralen. Wetenschappers observeren niet genoeg lensing-gebeurtenissen om de hoeveelheid donkere materie te berekenen die aanwezig zou moeten zijn.
Hoewel het heelal de grootste plaats is, begon het allemaal met de kleinste structuren. Men denkt dat donkere materie is begonnen te condenseren om "bouwstenen" te vormen met normale materie, waardoor de eerste sterrenstelsels en clusters zijn ontstaan.
Om donkere materie te vinden, gebruiken wetenschappers verschillende methoden:
- De Large Hadron Collider.
- instrumenten zoals WNAP en de Planck Space Observatory.
- directe weergave-experimenten: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP en ArDM.
- indirecte detectie: gammastraaldetectoren (Fermi), neutrinotelescopen (IceCube), antimateriedetectoren (PAMELA), röntgen- en radiodetectoren.
Zoekmethoden voor donkere materie
Natuurkundige Anton Baushev over zwakke interacties tussen deeltjes, radioactiviteit en het zoeken naar sporen van vernietiging:
Dieper graven in het mysterie van donkere materie en donkere energie
Meer dan eens hebben wetenschappers donkere materie niet letterlijk kunnen zien, omdat het niet in contact komt met baryonische materie, waardoor het ongrijpbaar blijft voor licht en andere soorten elektromagnetische straling. Maar onderzoekers hebben vertrouwen in zijn aanwezigheid, aangezien ze de impact op sterrenstelsels en clusters observeren.
Standaardfysica zegt dat sterren aan de randen van een spiraalstelsel zouden moeten vertragen. Maar het blijkt dat er sterren verschijnen waarvan de snelheid niet voldoet aan het principe van locatie ten opzichte van het centrum. Dit kan alleen worden verklaard door het feit dat sterren worden beïnvloed door onzichtbare donkere materie in een halo rond de melkweg.
De aanwezigheid van donkere materie kan ook enkele van de illusies ontcijferen die in de diepten van het universum worden waargenomen. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van vreemde ringen en lichtbogen in sterrenstelsels. Dat wil zeggen, licht van verre sterrenstelsels gaat door de vervorming en wordt versterkt door een onzichtbare laag donkere materie (zwaartekrachtlens).
Tot nu toe hebben we een paar ideeën over wat donkere materie is. Het hoofdgedachte is exotische deeltjes die niet in contact staan met gewone materie en licht, maar kracht hebben in de zwaartekrachtszin. Verschillende groepen (sommige gebruiken de Large Hadron Collider) werken nu aan het maken van donkere materiedeeltjes om in het laboratorium te bestuderen.
Anderen denken dat de invloed kan worden verklaard door een fundamentele wijziging van de zwaartekrachttheorie. Dan krijgen we verschillende vormen van zwaartekracht, die aanzienlijk verschillen van het gebruikelijke beeld en de wetten die door de natuurkunde zijn vastgesteld.
Het uitdijende heelal en donkere energie
De situatie met donkere energie is nog verwarrender en de ontdekking zelf in de jaren negentig werd onvoorspelbaar. Natuurkundigen hebben altijd gedacht dat de zwaartekracht werkt om te vertragen en op een dag het proces van universele expansie kan opschorten. Twee teams begonnen meteen met het meten van de snelheid en beide onthulden tot hun verbazing versnelling. Het is alsof je een appel in de lucht gooit en je weet dat hij naar beneden moet vallen en hij steeds verder van je af beweegt.
Het werd duidelijk dat een bepaalde kracht de versnelling beïnvloedt. Bovendien lijkt het erop dat hoe groter het universum, hoe meer "kracht" deze kracht krijgt. Wetenschappers hebben besloten om het aan te duiden als donkere energie.
Verwijst naar de "theorie van het heelal"Donkere materie en donkere energie in het heelal
V.A. Rubakov,
Instituut voor Nucleair Onderzoek RAS, Moskou, Rusland
1. Inleiding
De natuurwetenschap staat nu aan het begin van een nieuwe, ongewoon interessante fase in haar ontwikkeling. Het is in de eerste plaats opmerkelijk dat de wetenschap van de microwereld - de fysica van elementaire deeltjes - en de wetenschap van het heelal - de kosmologie - één enkele wetenschap worden over de fundamentele eigenschappen van de wereld om ons heen. Met behulp van verschillende methoden beantwoorden ze dezelfde vragen: met wat voor soort materie is het universum vandaag gevuld? Wat is de evolutie ervan in het verleden geweest? Welke processen die plaatsvonden tussen elementaire deeltjes in het vroege heelal leidden uiteindelijk tot zijn huidige toestand? Hoewel relatief recent de discussie over dergelijke vragen stopte op het niveau van hypothesen, zijn er tegenwoordig tal van experimentele en observationele gegevens die het mogelijk maken om kwantitatieve (!) antwoorden op deze vragen te verkrijgen. Dit is nog een kenmerk van de huidige fase: kosmologie is de afgelopen 10-15 jaar een exacte wetenschap geworden. Zelfs vandaag de dag zijn observationele kosmologische gegevens zeer nauwkeurig; nog meer informatie over het moderne en vroege heelal zal de komende jaren worden verkregen.
De kosmologische gegevens die de afgelopen jaren zijn verkregen, vereisen een kardinale aanvulling op moderne concepten van de structuur van materie en de fundamentele interacties van elementaire deeltjes. Tegenwoordig weten we alles of bijna alles over die "stenen" waaruit gewone materie bestaat - atomen, atoomkernen, protonen en neutronen waaruit kernen bestaan - en hoe deze "stenen" met elkaar omgaan op afstanden tot 1/1000 van de grootte van de atoomkern (Fig. 1). Deze kennis is verkregen door jarenlang experimenteel onderzoek, voornamelijk aan versnellers, en een theoretisch begrip van deze experimenten. Kosmologische gegevens wijzen op het bestaan van nieuwe soorten deeltjes die nog niet zijn ontdekt in terrestrische omstandigheden en die "donkere materie" in het heelal vormen. Hoogstwaarschijnlijk hebben we het over een hele laag nieuwe verschijnselen in de fysica van de microwereld, en het is heel goed mogelijk dat deze laag verschijnselen in de nabije toekomst in terrestrische laboratoria zal worden ontdekt.
|
Een nog verrassender resultaat van observationele kosmologie was de indicatie van het bestaan van een geheel nieuwe vorm van materie - "donkere energie en".
Wat zijn de eigenschappen van donkere materie en donkere energie en? Welke kosmologische gegevens wijzen op hun bestaan? Wat zegt het vanuit het oogpunt van de fysica van de microwereld? Wat zijn de vooruitzichten voor het bestuderen van donkere materie en donkere energie in terrestrische omstandigheden? Aan deze vragen is deze lezing gewijd.
2. Uitdijend heelal
Er zijn een aantal feiten die spreken over de eigenschappen van het heelal vandaag en in het relatief recente verleden.
|
Het universum als geheel homogeen: alle gebieden in het heelal zien er hetzelfde uit. Dit geldt natuurlijk niet voor kleine gebieden: er zijn gebieden waar veel sterren sterrenstelsels zijn; er zijn gebieden waar veel sterrenstelsels zijn - dit zijn clusters van sterrenstelsels; er zijn ook regio's waar weinig sterrenstelsels zijn - dit zijn gigantische holtes. Maar gebieden van 300 miljoen lichtjaar en meer zien er allemaal hetzelfde uit. Dit blijkt duidelijk uit astronomische waarnemingen, waardoor een "kaart" van het heelal is opgesteld tot op afstanden van ongeveer 10 miljard lichtjaar van ons verwijderd. Het moet gezegd worden dat deze "kaart" dient als een bron van de meest waardevolle informatie over het moderne heelal, aangezien het ons in staat stelt om precies kwantitatief te bepalen hoe materie in het heelal is verdeeld.
Op de rijst. 2 toont een fragment van deze kaart, die een relatief klein volume van het heelal beslaat. Het is te zien dat er structuren van vrij grote omvang in het heelal zijn, maar over het algemeen zijn de sterrenstelsels er uniform "verspreid".
Universum breidt uit: sterrenstelsels bewegen van elkaar af. De ruimte is in alle richtingen uitgerekt, en hoe verder van ons dit of dat sterrenstelsel is, hoe sneller het van ons weg beweegt. Tegenwoordig is de snelheid van deze expansie klein: alle afstanden zullen in ongeveer 15 miljard jaar verdubbelen, maar vroeger was de snelheid van expansie veel sneller. De dichtheid van materie in het heelal neemt in de loop van de tijd af en in de toekomst zal het heelal steeds ijler worden. Integendeel, het heelal was vroeger veel dichter dan het nu is. De uitdijing van het heelal blijkt direct uit het "rood worden" van het licht dat wordt uitgezonden door verre melkwegstelsels of heldere sterren: door de algemene strekking van de ruimte neemt de golflengte van het licht toe gedurende de tijd dat het naar ons toe vliegt. Het was dit fenomeen dat in 1927 door E. Hubble werd vastgesteld en diende als observatiebewijs van de uitdijing van het heelal, drie jaar eerder voorspeld door Alexander Friedman.
Het is opmerkelijk dat moderne waarnemingsgegevens het mogelijk maken om niet alleen de uitdijingssnelheid van het heelal op dit moment te meten, maar ook om de snelheid van zijn uitdijing in het verleden te traceren. We gaan in op de resultaten van deze metingen en de verstrekkende conclusies die daaruit voortvloeien. Hier zullen we het volgende zeggen: het feit zelf van de uitdijing van het heelal, samen met de theorie van de zwaartekracht - de algemene relativiteitstheorie - getuigt van het feit dat het heelal in het verleden extreem dicht was en extreem snel uitdijde. Als we de evolutie van het heelal terugvoeren naar het verleden, gebruikmakend van de bekende natuurwetten, dan komen we tot de conclusie dat deze evolutie begon vanaf het moment van de oerknal; op dat moment was de materie in het heelal zo dicht, en de zwaartekrachtinteractie was zo sterk dat de bekende natuurwetten niet van toepassing waren. Sindsdien zijn er 14 miljard jaar verstreken, dit is de leeftijd van het moderne heelal.
Het heelal is "warm": het bevat elektromagnetische straling, gekenmerkt door een temperatuur van T = 2,725 graden Kelvin (relictfotonen, tegenwoordig radiogolven). Natuurlijk is deze temperatuur tegenwoordig niet hoog (onder de temperatuur van vloeibaar helium), maar in het verleden was dit verre van het geval. Tijdens het uitdijingsproces koelt het heelal af, zodat in de vroege stadia van zijn evolutie de temperatuur, net als de dichtheid van materie, veel hoger was dan vandaag. In het verleden was het heelal heet, dicht en dijde het snel uit.
De foto getoond op rijst. 3 , leidde tot een aantal belangrijke en onverwachte conclusies. Ten eerste maakte hij het mogelijk om met een goede graad van nauwkeurigheid vast te stellen dat onze driedimensionale ruimte Euclidisch is: de som van de hoeken van een driehoek daarin is 180 graden, zelfs voor driehoeken met zijden waarvan de lengte vergelijkbaar is met de grootte van het zichtbare deel van het heelal, dwz vergelijkbaar met 14 miljard lichtjaar. In het algemeen gaat de algemene relativiteitstheorie ervan uit dat de ruimte misschien niet Euclidisch is, maar gekromd; observatiegegevens geven aan dat dit niet het geval is (tenminste voor ons deel van het heelal). De methode voor het meten van de "som van de hoeken van een driehoek" op kosmologische afstandsschalen is als volgt. Het is mogelijk om op betrouwbare wijze de karakteristieke ruimtelijke grootte te berekenen van regio's waar de temperatuur afwijkt van het gemiddelde: op het moment van de plasma-gasovergang wordt deze grootte bepaald door de leeftijd van het heelal, dat wil zeggen, het is evenredig met 300 duizend licht jaar. De waargenomen hoekgrootte van deze gebieden hangt af van de geometrie van de driedimensionale ruimte, wat het mogelijk maakt vast te stellen dat deze geometrie Euclidische is.
In het geval van de Euclidische meetkunde van de driedimensionale ruimte verbindt de algemene relativiteitstheorie ondubbelzinnig de uitdijingssnelheid van het heelal met de totale de dichtheid van alle vormen van energie en, zoals in de Newtoniaanse gravitatietheorie, wordt de snelheid van de omwenteling van de aarde rond de zon bepaald door de massa van de zon. De gemeten expansiesnelheid komt overeen met de totale energiedichtheid in het moderne heelal
In termen van massadichtheid (aangezien energie i gerelateerd is aan massa door de relatie) E = mc 2 ) dit nummer is
Als de energie I in het heelal volledig bepaald zou worden door de rest-energie van gewone materie, dan zouden er gemiddeld 5 protonen in het heelal zijn per kubieke meter. We zullen echter zien dat er veel minder gewone materie in het heelal is.
Ten tweede, van de foto rijst. 3 het is mogelijk om vast te stellen wat was grootte(amplitude) heterogeniteiten temperatuur en dichtheid in het vroege heelal - het was 10 –4 –10 –5 van de gemiddelde waarden. Het was uit deze inhomogeniteiten in dichtheid dat sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels ontstonden: gebieden met een hogere dichtheid trokken de omringende materie aan als gevolg van zwaartekracht, werden nog dichter en vormden uiteindelijk sterrenstelsels.
Omdat de initiële dichtheidsinhomogeniteiten bekend zijn, kan het proces van de vorming van sterrenstelsels worden berekend en kan het resultaat worden vergeleken met de waargenomen verdeling van sterrenstelsels in het heelal. Deze berekening is alleen consistent met waarnemingen als we aannemen dat er naast gewone materie in het heelal nog een ander type materie is - donkere materie, waarvan de bijdrage aan de totale energiedichtheid nog steeds ongeveer 25% is.
|
Een ander stadium in de evolutie van het heelal komt overeen met nog vroegere tijden, van 1 tot 200 seconden (!) vanaf het moment van de oerknal, toen de temperatuur van het heelal miljarden graden bereikte. Op dat moment vonden in het heelal thermonucleaire reacties plaats, vergelijkbaar met de reacties in het centrum van de zon of in een thermonucleaire bom. Als gevolg van deze reacties bond een deel van de protonen met neutronen en vormden lichte kernen - de kernen van helium, deuterium en lithium-7. Het aantal gevormde lichte kernen kan worden berekend, met als enige onbekende parameter de dichtheid van het aantal protonen in het heelal (de laatste neemt natuurlijk af door de uitdijing van het heelal, maar de waarden ervan op verschillende tijdstippen zijn gewoon aan elkaar gerelateerd).
Een vergelijking van deze berekening met de waargenomen hoeveelheid lichtelementen in het heelal wordt gegeven in rijst. 4 : de lijnen vertegenwoordigen de resultaten van theoretische berekeningen, afhankelijk van de enige parameter - de dichtheid van gewone materie (baryonen), en de rechthoeken vertegenwoordigen waarnemingsgegevens. Opmerkelijk is dat er overeenstemming is voor alle drie de lichte kernen (helium-4, deuterium en lithium-7); komt ook overeen met de gegevens over de relikwiestraling (getoond door de verticale streep in Fig. 4, aangeduid als CMB - Cosmic Microwave Background). Deze overeenkomst geeft aan dat de algemene relativiteitstheorie en de bekende wetten van de kernfysica het heelal correct beschrijven op de leeftijd van 1-200 seconden, toen de materie erin een temperatuur had van een miljard graden of meer. Het is belangrijk voor ons dat al deze gegevens leiden tot de conclusie dat de massadichtheid van gewone materie in het moderne heelal is
dat wil zeggen, gewone materie draagt ook slechts 5% bij aan de totale energiedichtheid in het heelal.
4. Energiebalans in het moderne universum
Het aandeel van gewone materie (protonen, atoomkernen, elektronen) in de totale energie in het moderne heelal is dus slechts 5%. Naast gewone materie in het heelal zijn er ook relikwie-neutrino's - ongeveer 300 neutrino's van alle soorten per kubieke centimeter. Hun bijdrage aan de totale energie ω (massa) in het heelal is klein, aangezien de massa's van neutrino's klein zijn, en zeker niet meer dan 3% bedragen. De resterende 90-95% van de totale energie in het heelal is "onbekend wat". Bovendien bestaat dit "onbekende wat" uit twee fracties - donkere materie en donkere energie en, zoals afgebeeld in rijst. 5 .
|
In dit geval is de stof in de sterren nog steeds 10 keer minder; gewone materie komt vooral voor in gaswolken.
5. Donkere materie
Donkere materie is verwant aan gewone materie in die zin dat het in staat is zich te verzamelen in klonten (de grootte van bijvoorbeeld een sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels) en deelneemt aan zwaartekrachtinteracties op dezelfde manier als gewone materie. Hoogstwaarschijnlijk bestaat het uit nieuwe deeltjes die nog niet zijn ontdekt in terrestrische omstandigheden.
|
Naast kosmologische gegevens zijn metingen van het zwaartekrachtsveld in clusters van sterrenstelsels en in sterrenstelsels in het voordeel van het bestaan van donkere materie. Er zijn verschillende manieren om het zwaartekrachtveld in clusters van sterrenstelsels te meten, waaronder zwaartekrachtlensing, geïllustreerd in rijst. 6 .
Het zwaartekrachtveld van de cluster buigt de lichtstralen die door de melkweg achter de cluster worden uitgestraald, dat wil zeggen dat het zwaartekrachtveld als een lens werkt. Tegelijkertijd verschijnen er soms meerdere afbeeldingen van dit verre sterrenstelsel; op de linkerhelft van fig. 6 ze zijn blauw. De kromming van licht hangt af van de verdeling van de massa in het cluster, ongeacht welke deeltjes deze massa creëren. De verdeling van de op deze manier herstelde massa is weergegeven in de rechterhelft van Fig. 6 in blauw; het is te zien dat het heel anders is dan de verdeling van de lichtgevende substantie. Op deze manier gemeten, komen de massa's van clusters van sterrenstelsels overeen met het feit dat donkere materie ongeveer 25% van de totale energiedichtheid in het heelal uitmaakt. Bedenk dat hetzelfde aantal wordt verkregen door de theorie van de vorming van structuren (sterrenstelsels, clusters) te vergelijken met waarnemingen.
|
Donkere materie komt ook voor in sterrenstelsels. Dit volgt opnieuw uit metingen van het gravitatieveld, nu in sterrenstelsels en hun omgeving. Hoe sterker het zwaartekrachtsveld, hoe sneller de sterren en gaswolken om het sterrenstelsel draaien, zodat metingen van de rotatiesnelheden afhankelijk van de afstand tot het centrum van het sterrenstelsel het mogelijk maken de massaverdeling daarin te reconstrueren. Dit wordt geïllustreerd in rijst. 7 : met de afstand tot het centrum van de melkweg nemen de baansnelheden niet af, wat aangeeft dat er niet-lichtgevende, donkere materie in de melkweg is, ook ver van het lichtgevende deel ervan. In ons melkwegstelsel, in de buurt van de zon, is de massa van donkere materie ongeveer gelijk aan de massa van gewone materie.
Wat zijn donkere materiedeeltjes? Het is duidelijk dat deze deeltjes niet mogen vervallen in andere, lichtere deeltjes, anders zouden ze tijdens het bestaan van het heelal vervallen. Dit feit zelf getuigt van het feit dat de natuur handelt nieuwe nog niet open behoudswet voorkomen dat deze deeltjes vergaan. De analogie is hier met de wet van behoud van elektrische lading: een elektron is het lichtste deeltje met een elektrische lading en vervalt daarom niet in lichtere deeltjes (bijvoorbeeld neutrino's en fotonen). Verder interageren donkere materiedeeltjes extreem zwak met onze materie, anders zouden ze al gedetecteerd zijn in terrestrische experimenten. Dan begint het gebied van hypothesen. De meest plausibele (maar zeker niet de enige!) hypothese lijkt te zijn dat donkere materiedeeltjes 100-1000 keer zwaarder zijn dan een proton, en dat hun interactie met gewone materie qua intensiteit vergelijkbaar is met de interactie van neutrino's. Het is binnen het kader van deze hypothese dat de moderne dichtheid van donkere materie een eenvoudige verklaring vindt: deeltjes donkere materie werden intensief geboren en vernietigd in het zeer vroege heelal bij ultrahoge temperaturen (ongeveer 10 15 graden), en sommige hebben het overleefd tot op de dag van vandaag. Met de gespecificeerde parameters van deze deeltjes is hun huidige aantal in het heelal precies wat nodig is.
Kunnen we de ontdekking van donkere materiedeeltjes in de nabije toekomst verwachten onder terrestrische omstandigheden? Aangezien we vandaag de aard van deze deeltjes niet kennen, is het onmogelijk om deze vraag volledig ondubbelzinnig te beantwoorden. Desalniettemin lijken de vooruitzichten zeer optimistisch.
Er zijn verschillende manieren om naar donkere materiedeeltjes te zoeken. Een daarvan houdt verband met experimenten met toekomstige hoogenergetische versnellers en versnellers. Als donkere-materiedeeltjes inderdaad 100-1000 keer zwaarder zijn dan een proton, dan zullen ze worden geproduceerd in botsingen van gewone deeltjes die bij versnellers worden versneld tot hoge energieën d (hiervoor is de energie d die wordt bereikt bij bestaande versnellers niet voldoende). De directe vooruitzichten hier houden verband met de Large Hadron Collider (LHC) in aanbouw in het CERN International Centre in de buurt van Genève, die botsende bundels van protonen met een energie van 7x7 Teraelectronvolts zal ontvangen. Het moet gezegd dat volgens de hypothesen die tegenwoordig populair zijn, donkere-materiedeeltjes slechts één vertegenwoordiger zijn van een nieuwe familie van elementaire deeltjes, zodat men naast de ontdekking van donkere-materiedeeltjes kan hopen op de ontdekking van een hele klasse nieuwe deeltjes en nieuwe interacties bij versnellers. Kosmologie suggereert dat de wereld van elementaire deeltjes nog lang niet is uitgeput door de bekende "stenen"!
Een andere manier is om donkere materiedeeltjes die om ons heen vliegen te registreren. Er zijn er zeker niet een paar: met een massa gelijk aan 1000 massa's van een proton, zouden er hier en nu 1000 van deze deeltjes in een kubieke meter moeten zitten. Het probleem is dat ze extreem zwak interageren met gewone deeltjes, de stof is transparant voor hen. Toch botsen donkere materiedeeltjes af en toe met atoomkernen, en hopelijk kunnen deze botsingen worden geregistreerd. Zoek in deze richting
|
Ten slotte wordt nog een manier geassocieerd met de registratie van de producten van vernietiging van donkere materiedeeltjes onderling. Deze deeltjes moeten zich ophopen in het centrum van de aarde en in het centrum van de zon (de substantie is praktisch transparant voor hen en ze kunnen in de aarde of de zon vallen). Daar vernietigen ze met elkaar, en andere deeltjes, waaronder neutrino's, worden gevormd. Deze neutrino's gaan vrij door de dikte van de aarde of de zon en kunnen worden geregistreerd door speciale installaties - neutrinotelescopen. Een van deze neutrinotelescopen bevindt zich in de diepten van het Baikalmeer (NT-200, rijst. acht ), de andere (AMANDA) - diep in het ijs op de Zuidpool.
|
Zoals getoond in rijst. 9 , een neutrino dat bijvoorbeeld uit het centrum van de zon komt, kan met een kleine waarschijnlijkheid interactie in water ervaren, waardoor een geladen deeltje (muon) wordt gevormd, waarvan het licht wordt vastgelegd. Omdat de interactie van neutrino's met materie erg zwak is, is de kans op een dergelijke gebeurtenis klein en zijn zeer grote detectoren vereist. Op de Zuidpool is nu begonnen met de bouw van een detector van 1 kubieke kilometer.
Er zijn andere benaderingen voor het zoeken naar donkere materiedeeltjes, bijvoorbeeld het zoeken naar de producten van hun vernietiging in het centrale gebied van onze Melkweg. De tijd zal uitwijzen welke van al deze paden het eerst tot succes zal leiden, maar in ieder geval zal de ontdekking van deze nieuwe deeltjes en de studie van hun eigenschappen een belangrijke wetenschappelijke prestatie zijn. Deze deeltjes zullen ons vertellen over de eigenschappen van het heelal 10 –9 s (een miljardste van een seconde!) Na de oerknal, toen de temperatuur van het heelal 10-15 graden was, en donkere materiedeeltjes een intensieve wisselwerking hadden met het kosmische plasma.
6. Donkere energie I
Donkere energie I is een veel vreemdere substantie dan donkere materie. Om te beginnen verzamelt het zich niet in bosjes, maar wordt het gelijkmatig "gemorst" in het universum. Er is net zoveel van in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels als daarbuiten. Het meest ongewone is dat donkere energie die ik in zekere zin niet ervaar anti zwaartekracht... We hebben al gezegd dat moderne astronomische methoden niet alleen de huidige uitdijingssnelheid van het heelal kunnen meten, maar ook kunnen bepalen hoe het in de loop van de tijd is veranderd. Astronomische waarnemingen geven dus aan dat het heelal vandaag (en in het recente verleden) met versnelling uitdijt: de snelheid van uitdijing neemt toe met de tijd. Dit is de betekenis van e en we kunnen praten over anti-zwaartekracht: de gebruikelijke zwaartekracht zou de verstrooiing van sterrenstelsels vertragen, maar in ons heelal blijkt het tegenovergestelde waar te zijn.
Zo'n foto is in het algemeen niet in tegenspraak met de algemene relativiteitstheorie, maar voor deze donkere energie moet ik een speciale eigenschap hebben - negatieve druk. Dit onderscheidt het scherp van gewone vormen van materie. Het is niet overdreven om dat te zeggen de aard van donkere energie is het belangrijkste mysterie van de fundamentele fysica van de eenentwintigste eeuw.
Een van de kandidaten voor de rol van donkere energie en - vacuüm. De energiedichtheid en het vacuüm veranderen niet met de uitdijing van het heelal, en dit betekent de negatieve druk van het vacuüm. Een andere kandidaat is een nieuw superzwak veld dat het hele universum doordringt; de term "kwintessens" wordt ervoor gebruikt. Er zijn andere kandidaten, maar in ieder geval is de donkere energie van het zelf iets totaal ongewoons.
Een andere manier om de versnelde uitdijing van het heelal te verklaren, is door aan te nemen dat de wetten van de zwaartekracht zelf veranderen over kosmologische afstanden en kosmologische tijden. Een dergelijke hypothese is verre van ongevaarlijk: pogingen om de algemene relativiteitstheorie in deze richting te generaliseren stuiten op ernstige moeilijkheden.
Blijkbaar, als een dergelijke generalisatie al mogelijk is, zal deze worden geassocieerd met het idee van het bestaan van extra dimensies van ruimte, naast de drie dimensies die we in de dagelijkse ervaring waarnemen.
Helaas zijn er tegenwoordig geen zichtbare manieren voor directe experimentele studie van donkere energie in terrestrische omstandigheden. Dit betekent natuurlijk niet dat er in de toekomst geen nieuwe briljante ideeën in deze richting kunnen verschijnen, maar vandaag is de hoop om de aard van donkere energie te verduidelijken en (of, meer in het algemeen, de redenen voor de versnelde uitdijing van het heelal) uitsluitend geassocieerd met astronomische waarnemingen en het verkrijgen van nieuwe nauwkeurigere kosmologische gegevens. We moeten in detail uitzoeken hoe het heelal in een relatief laat stadium van zijn evolutie precies uitbreidde, en dit zal ons hopelijk in staat stellen een keuze te maken tussen verschillende hypothesen.
We hebben het over waarnemingen van type 1a supernova's.
De verandering in energie en met een verandering in volume wordt bepaald door druk, Δ E = -PΔ V... Met de uitdijing van het heelal groeit de energie I van het vacuüm samen met het volume (de energiedichtheid is constant), wat alleen mogelijk is als de vacuümdruk negatief is. Merk op dat de tegenovergestelde tekenen van druk en energie en vacuüm direct volgen uit Lorentz-invariantie.
7. Conclusie
Zoals vaak het geval is in de wetenschap, hebben de indrukwekkende vorderingen in de deeltjesfysica en de kosmologie onverwachte en fundamentele vragen doen rijzen. We weten tegenwoordig niet wat het grootste deel van de materie in het heelal is. We kunnen alleen maar raden welke verschijnselen zich voordoen op ultrakorte afstanden, en welke processen er in de vroegste stadia van zijn evolutie in het heelal plaatsvonden. Opmerkelijk is dat op veel van deze vragen binnen afzienbare tijd - binnen 10-15 jaar, en misschien zelfs eerder - een antwoord zal worden gevonden. Onze tijd is de tijd van een radicale verandering in de kijk op de natuur, en de belangrijkste ontdekkingen liggen nog in het verschiet.
DISCUSSIE
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
|
||||||||
| Copyright op de Fornit-site | ||||||||