Donkere materie: van beginvoorwaarden tot de vorming van de structuur van het heelal. Wat is zwarte materie?

De eerste wetenschapper die theoretisch de mogelijkheid van het bestaan ​​van verborgen onbekende materie heeft onderbouwd en berekend, was de Zwitserse astronoom van Bulgaarse afkomst Fritz Zwicky. Met behulp van Doppler-methoden berekende de wetenschapper de snelheden van acht sterrenstelsels in het sterrenbeeld Veronica. In de wetenschappelijke literatuur wordt soms een andere romantische naam gevonden - Hair of Veronica.

Donkere materie en donkere energie

Het verhaal van de ontdekking van een onbekende massa

De logica achter Zwicky's berekeningen was als volgt. Het zwaartekrachtveld zou sterrenstelsels binnen hun clusters houden. Op basis van deze positie wordt de benodigde massa berekend. Sterrenstelsels zenden licht uit, dus een andere waarde voor galactische massa kan worden berekend. Deze twee waarden hadden samen moeten vallen, maar dit is niet gebeurd. De waarden waren heel verschillend. Het kostte veel groter belang massa om te voorkomen dat het zwaartekrachtveld sterrenstelsels verstrooit.

Het was dit ontbrekende deel dat Zwicky de naam "donkere materie" gaf

Zoals de berekeningen van de wetenschapper lieten zien, is er veel minder gewone materie in het sterrenbeeld dan donkere materie. Zwicky publiceerde zijn resultaten in een niet zo beroemd tijdschrift Helvetica fysica Acta .

In de volgende 40 jaar probeerden astrofysici echter zo'n verontrustend en opmerkelijk resultaat niet op te merken.

In 1970, de eerste studie van Vera Rubin en W.C. Ford roterende bewegingen de mysterieuze Andromeda-nevel. Even later werd de beweging van meer dan 60 sterrenstelsels bestudeerd. Studies hebben aangetoond dat de rotatiesnelheid van sterrenstelsels veel groter is dan de snelheid die wordt geboden door hun schijnbaar waarneembare massa. Het resulterende complex van onbetwistbare waargenomen feiten is het bewijs van het bestaan ​​van verborgen onbekende materie.

Donkere materie. Anatoly Vladimirovich

Algemene concepten van onbekende deeltjes van onbekende materie

In hun onderzoek gebruiken natuurkundigen soms methoden die voor gewone mensen moeilijk zijn om onbekende objecten in het heelal te identificeren. Ze schetsen onbekende fenomenen met stevig verankerde en experimenteel geverifieerde modellen en beginnen langzaam het hardnekkige fenomeen te "persen", geduldig wachtend op de nodige informatie ervan.

Donkere materie toont echter ware zwaartekracht voor de wetenschappelijke nieuwsgierigheid van natuurkundigen.

Latente materie klontert samen op dezelfde manier als gewone materie en vormt sterrenstelsels en hun clusters. Dit is misschien de enige overeenkomst tussen de bekende zichtbare materie en de onbekende massa, waarvan het aandeel 25% is in de energie-"bank" van het heelal.

Deze onbekende aandeelhouder van ons universum bezit eenvoudige eigenschappen... Een voldoende koude latente materie werkt gewillig samen met zijn zichtbare buur (in het bijzonder met baryonen) uitsluitend in zwaartekrachttaal. Opgemerkt moet worden dat de kosmische dichtheid van baryonen meerdere malen kleiner is dan de dichtheid van latente materie. Deze superioriteit in dichtheid stelt haar in staat om het zwaartekrachtpotentieel van het heelal te "controleren".

Wetenschappers suggereren dat de materiële samenstelling van materie Zijn nieuwe onbekende deeltjes. Maar ze zijn nog niet ontdekt. Het is alleen bekend dat ze niet uiteenvallen in nog kleinere elementen van de natuur. Anders zouden ze in het tijdsinterval van het heelal al door het proces van verval zijn gegaan. Daarom spreekt dit feit welsprekend in het voordeel van het feit dat er een plek is om te zijn nieuwe wet conservering, waardoor het verval van deeltjes wordt verboden. Het is echter nog niet geopend.

Verder houdt de substantie van donkere materie "niet van" interactie met bekende deeltjes. Door deze omstandigheid kan de samenstelling van de verborgen massa niet door aardse experimenten worden bepaald. De aard van de deeltjes blijft onbekend.

Frequentiebewaarders - inhomogeen universum

Wat zijn de manieren om naar donkere materiedeeltjes te zoeken?

Laten we verschillende manieren opsommen.

1. Er is een aanname dat protonen 2-3 ordes van grootte lichter zijn dan onbekende deeltjes. In dit geval kunnen ze worden geproduceerd in botsingen met zichtbare deeltjes, als ze worden versneld tot zeer hoge energieën in de versneller.
2. Ik kreeg de indruk dat onbekende deeltjes ergens daarbuiten zijn, in verre sterrenstelsels. Niet alleen daar, maar ook naast ons. Er wordt aangenomen dat hun aantal in één kubieke meter 1000 stuks kan bereiken. Ze vermijden echter liever botsingen met atoomkernen bekende stof. Hoewel dergelijke gevallen voorkomen, hopen wetenschappers ze te registreren.
3. Onbekende deeltjes verborgen massa's vernietigen onderling. Omdat de gebruikelijke substantie voor hen absoluut transparant is, kunnen ze in en vallen. Een van de producten van het vernietigingsproces is het neutrino, dat het vermogen heeft om vrijelijk door de hele dikte van de zon en de aarde te dringen. Registratie van dergelijke neutrino's geeft mogelijk nog onbekende deeltjes.

Wat is de aard van de verborgen massa?

Wetenschappers hebben drie richtingen geschetst in de studie van de aard van donkere materie.

1. Baryonische donkere materie.

Onder deze aanname zijn alle deeltjes goed bekend. Maar hun straling manifesteert zich op zo'n manier dat het niet kan worden gedetecteerd.

• gewone materie, sterk verspreid in de ruimte tussen sterrenstelsels;
• massieve astrofysische halo-objecten (MACHO).

Deze objecten, omringende sterrenstelsels, zijn relatief klein van formaat. Ze hebben een zeer zwakke straling. Deze eigenschappen maken het onmogelijk om ze te detecteren.

De lichamen kunnen de volgende objecten bevatten:

• bruine dwergen;
• witte dwergen;
• zwarte gaten;
• neutronensterren.

Het zoeken naar bovenstaande objecten wordt uitgevoerd met behulp van zwaartekrachtlenzen.

1. Niet-baryonische donkere materie.

De samenstelling van de stof is niet bekend. Er zijn twee opties:

• koude massa, waaronder fotino's, axions en kwarkklonten;
• hete massa (neutrino's).

1. Een nieuwe kijk op zwaartekracht.

De waarheid van de theorie

Het is mogelijk dat intergalactische afstanden ons zullen dwingen om naar de aloude zwaartekrachttheorie te kijken vanuit een nieuwe invalshoek van galactische visie.

De ontdekkingen van de eigenschappen van geheime materie liggen nog in het verschiet. Is het aan een persoon gegeven om te weten en wat hij met dergelijke rijkdom zal doen - alleen de toekomst zal deze vragen beantwoorden.

MOSKOU, 12 december - RIA Novosti. De hoeveelheid donkere materie in het heelal is met ongeveer 2-5% afgenomen, wat de discrepanties in de waarden van enkele belangrijke kosmologische parameters tijdens de oerknal en vandaag zou kunnen verklaren, zeggen Russische kosmologen in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Beoordeling D.

"Stel je voor dat donkere materie uit verschillende componenten bestaat, zoals gewone materie. En één component bestaat uit onstabiele deeltjes, waarvan de levensduur vrij lang is: in het tijdperk van waterstofvorming, honderdduizenden jaren na de oerknal, bevinden ze zich nog steeds in het heelal, en vandaag zijn ze al verdwenen, vervallen tot neutrino's of hypothetische relativistische deeltjes. Dan zal de hoeveelheid donkere materie in het verleden en vandaag anders zijn ", zei Dmitry Gorbunov van de Moskouse Phystech, geciteerd door de persdienst van de universiteit .

Donkere materie is een hypothetische substantie die zich uitsluitend manifesteert door zwaartekrachtinteractie met sterrenstelsels, waardoor vervormingen in hun beweging ontstaan. Donkere materiedeeltjes interageren met geen enkele soort electromagnetische straling, en kan daarom niet worden vastgelegd tijdens directe observatie. Donkere materie is goed voor ongeveer 26% van de massa van het heelal, terwijl "gewone" materie slechts ongeveer 4,8% van zijn massa uitmaakt - al het andere valt op niet minder mysterieuze donkere energie.

Waarnemingen van de verdeling van donkere materie in de dichtstbijzijnde en verre uithoeken van het universum, uitgevoerd met behulp van telescopen op de grond en de Planck-sonde, hebben onlangs iets vreemds aan het licht gebracht: het bleek dat de uitdijingssnelheid van het heelal, en enkele eigenschappen van de "echo" van de oerknal in het verre verleden en vandaag zijn duidelijk verschillend. Zo vliegen sterrenstelsels tegenwoordig veel sneller uit elkaar dan blijkt uit de resultaten van de analyse van de achtergrondstraling.

Gorbunov en zijn collega's vonden mogelijke reden deze.

Een jaar geleden formuleerde een van de auteurs van het artikel, academicus Igor Tkachev van het Instituut voor Kernfysica van de Russische Academie van Wetenschappen in Moskou, de theorie van de zogenaamde rottende donkere materie (DDM), waarin, in tegenstelling tot de algemeen aanvaarde theorie van "koude donkere materie" (CDM), een deel of alle deeltjes zijn onstabiel. Deze deeltjes, zoals gesuggereerd door Tkachev en zijn medewerkers, zouden zelden genoeg moeten vervallen, maar in merkbare hoeveelheden om afwijkingen tussen het jonge en moderne heelal te veroorzaken.

in zijn nieuwe baan Tkachev, Gorbunov en hun collega Anton Chudaykin probeerden te berekenen hoeveel donkere materie moest vervallen met behulp van gegevens verzameld door Planck en andere observatoria die de relikwiestraling en de eerste sterrenstelsels in het heelal bestudeerden.

Zoals hun berekeningen lieten zien, kan het verval van donkere materie echt verklaren waarom de resultaten van waarnemingen van deze stof met de "Planck" niet overeenkomen met de gegevens van waarnemingen van de dichtstbijzijnde clusters van sterrenstelsels.

Interessant genoeg vereist dit het verval van een relatief kleine hoeveelheid donkere materie - van 2,5 tot 5% van zijn totale massa, waarvan de hoeveelheid bijna onafhankelijk is van welke fundamentele eigenschappen het universum zou moeten hebben. Nu, zoals wetenschappers uitleggen, is al deze materie vervallen, en de rest van de donkere materie, stabiel van aard, gedraagt ​​zich zoals beschreven door de CDM-theorie. Aan de andere kant is het ook mogelijk dat het blijft desintegreren.

"Dit betekent dat er in het huidige heelal 5% minder donkere materie is dan in het tijdperk van de vorming van de eerste moleculen waterstof en helium na de geboorte van het heelal. We kunnen nu niet zeggen hoe snel dit onstabiele deel uiteenviel, het is het mogelijk dat donkere materie blijft vervallen en nu, hoewel dit al een veel complexer model is, "concludeert Tkachev.

Britse onderzoekers van de Jodrell Bank Radio Astronomy Observatory geloven dat ons universum voor tweederde uit donkere materie bestaat. Volgens andere schattingen maakt gewone materie niet meer dan 10% uit van de materie die zich in het heelal bevindt. We kunnen zeggen dat 90% van de materie in het universum een ​​mysterie is. Dit is het soort materie dat niet kan worden waargenomen met een telescoop, die geen lichtstralen weerkaatst en geen fotonen uitstraalt in enig bereik van het elektromagnetische spectrum. In feite blijkt dat er een ander soort massa is, een onzichtbare substantie waaruit het heelal is opgebouwd.

Een van de essentiële bewijzen van de aanwezigheid van donkere materie in het heelal kan worden beschouwd als de gegevens die in de nuljaren van de 21e eeuw zijn verkregen met de Hubble-ruimtetelescoop met behulp van zwaartekrachtlenzen. Mingkook James Jee, H. Ford (Holland Ford) en andere onderzoekers van de Johns Hopkins University, die de botsing van sterrenstelsels op een afstand van vijf miljard lichtjaar van ons observeerden, ontdekten dat ze omringd waren door een ring van donkere materie met een diameter 2,6 miljoen lichtjaar verwijderd. De positie van donkere materie in dit gebied is berekend door zwakke vervormingen te registreren van straling van verder weg gelegen sterrenstelsels, die zich (in de gezichtslijn van de aarde) achter botsende sterrenstelsels bevinden.

Tot op heden is vastgesteld dat de kleinste continu bestaande klompjes donkere materie een ruimte van duizend lichtjaren innemen, en de massa van dergelijke fragmenten is tientallen keren groter dan de massa van de zon.

In de jaren dertig maakte de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky voor het eerst melding van onzichtbare materie. Hij merkte op dat de cluster van sterrenstelsels in het sterrenbeeld Coma bij elkaar wordt gehouden door een sterker zwaartekrachtsveld, iets dat gebaseerd zou moeten zijn op de schijnbare massa van materie in het gebied. Bij gedetailleerd onderzoek bleek dat de lichtgevende materie in deze clusters van sterrenstelsels door de zwaartekracht verschillende keren minder was dan nodig was voor hun gezamenlijke vinding. Omdat niemand de wet van de zwaartekracht heeft opgeheven, werd zelfs in die verre jaren aangenomen dat er een soort onzichtbare substantie was.

Modern onderzoek uitgevoerd met behulp van de baansonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) toont aan dat de gewone materie in het heelal ongeveer 5% is; 25% valt op donkere materie en de overige 70% op de zogenaamde donkere energie (Dark Energy). Deze conclusie is gemaakt door experts van Princeton University, na analyse van gegevens van de WMAP-sonde, die in 2001 door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA werd gelanceerd.

Echter, in De laatste tijd hypothesen verschenen die erop wezen dat donkere materie misschien niet bestaat.

Emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Toronto John Moffat en Joel Brownstein van het Canadian Institute for Theoretical Physics hebben een theorie van gemodificeerde zwaartekracht ontwikkeld die het waargenomen gedrag van clusters van sterrenstelsels volledig verklaart. Twee Canadese natuurkundigen doen het goed zonder donkere materie. Ze gingen in hun theoretische ontwikkeling de zogenaamde gravitonen, die voortkomen uit het vacuüm, en de meest intense gravitonen worden geboren in de buurt van grote massa's. Hieruit volgt dat in het centrum van de melkweg (waar grote massa's geconcentreerd zijn) twee objecten sterker tot elkaar worden aangetrokken dan wanneer ze zich aan de rand zouden bevinden.

* * *
Hoe het ook zij, elke verwarrende situatie zal vroeg of laat duidelijk worden. Dit zal gebeuren met donkere materie: de tijd zal er onvermijdelijk mee omgaan. Daarom is het de Opperste Rechter.

Een theoretische constructie in de natuurkunde, het standaardmodel genaamd, beschrijft de interacties van alle elementaire deeltjes die de wetenschap kent. Maar dit is slechts 5% van de stof die in het heelal bestaat, terwijl de overige 95% een volledig onbekende aard heeft. Wat is deze hypothetische donkere materie en hoe proberen wetenschappers het te detecteren? Hayk Hakobyan, student aan het Moscow Institute of Physics and Technology en medewerker van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde, vertelt hierover in het kader van een bijzonder project.

Het standaardmodel van elementaire deeltjes, uiteindelijk bevestigd na de ontdekking van het Higgs-deeltje, beschrijft de fundamentele interacties (elektrozwak en sterk) van gewone deeltjes die ons bekend zijn: leptonen, quarks en dragers van interacties (bosonen en gluonen). Het blijkt echter dat deze hele enorme, complexe theorie slechts ongeveer 5-6% van alle materie beschrijft, terwijl de rest niet in dit model past. Waarnemingen van de vroegste momenten in het leven van ons heelal laten ons zien dat ongeveer 95% van de materie die ons omringt van een volledig onbekende aard is. Met andere woorden, we zien indirect de aanwezigheid van deze verborgen materie vanwege zijn zwaartekracht, maar we hebben het nog niet direct kunnen vangen. Dit fenomeen van verborgen massa heeft de codenaam "donkere materie".

De moderne wetenschap, met name de kosmologie, werkt volgens de deductieve methode van Sherlock Holmes

Nu is de belangrijkste kandidaat van de WISP-groep het axion, dat ontstaat in de theorie van sterke interactie en een zeer kleine massa heeft. Zo'n deeltje is in staat om in hoge magnetische velden te transformeren in een foton-fotonpaar, wat hints geeft over hoe je het kunt proberen te detecteren. Het ADMX-experiment maakt gebruik van grote camera's die een magnetisch veld van 80.000 gauss genereren (dit is 100.000 keer groter) magnetisch veld Aarde). In theorie zou zo'n veld het verval van het axion in een foton-fotonenpaar moeten stimuleren, dat de detectoren zouden moeten opvangen. Ondanks talloze pogingen is het nog niet gelukt om WIMP's, axions of steriele neutrino's te detecteren.

Zo reisden we door een groot aantal verschillende hypothesen om de vreemde aanwezigheid van verborgen massa te verklaren, en door al het onmogelijke weg te gooien met behulp van observaties, kwamen we tot verschillende mogelijke hypothesen waarmee we al kunnen werken.

Een negatief resultaat in de wetenschap is ook een resultaat, omdat het een beperking geeft aan verschillende parameters van deeltjes, bijvoorbeeld het onkruid uit het bereik van mogelijke massa's. Van jaar tot jaar geven steeds meer waarnemingen en experimenten in versnellers nieuwe, strengere beperkingen aan de massa en andere parameters van donkere materiedeeltjes. Dus, door alle onmogelijke opties weg te gooien en de cirkel van zoekopdrachten te verkleinen, komen we elke dag dichter bij het begrijpen waar 95% van de materie in ons universum uit bestaat.

Donkere materie is niet donker omdat het zwart is, maar omdat het een "donker paard" is in de letterlijke zin: niemand weet wat het is. Natuurkundigen hebben donkere materie nodig om de discrepantie in de versnelling van de uitdijing van het heelal en de discrepantie tussen de schijnbare massa van materie te verklaren. Donkere materie neemt meer dan 95% van alle onzichtbare materie in het universum in beslag. Het probleem is dat donkere materie een zwakke wisselwerking heeft met de echte wereld, alleen op het niveau van de zwaartekracht, dus het is op dit moment niet mogelijk om het te vangen, te repareren of te creëren. En onze monitoring- en zoekhulpmiddelen zijn te zwak om donkere materiedeeltjes vast te leggen, hoewel er zeker werk aan de winkel is op dit gebied.

Europees laboratorium fysiek onderzoek CERN zei dat het een nieuw experiment plant om te zoeken naar deeltjes die verband houden met donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat ze ongeveer 27% van het universum uitmaken. Het experiment zal op dezelfde plaats worden uitgevoerd - een gigantisch laboratorium in een 27 kilometer lange tunnel aan de Frans-Zwitserse grens. Zijn taak zal zijn om te zoeken naar "lichte en zwak interagerende deeltjes".