Donkere materie: van beginvoorwaarden tot de vorming van de structuur van het heelal. Wat is zwarte materie
De eerste wetenschapper die de mogelijkheid van het bestaan van verborgen onbekende materie theoretisch onderbouwde en berekende, 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 Berenices. In de wetenschappelijke literatuur wordt soms een andere romantische naam gevonden: Veronica's Hair.
Donkere materie en donkere energie
Geschiedenis van de ontdekking van een onbekende massa
De logica van Zwicky's berekeningen was als volgt. Het zwaartekrachtveld zou sterrenstelsels binnen hun cluster moeten houden. Op basis van deze positie wordt de benodigde massa berekend. Sterrenstelsels zenden licht uit, dus er kan een andere waarde voor de massa van sterrenstelsels worden berekend. Deze twee waarden hadden moeten samenvallen, maar dit gebeurde niet. De waarden verschilden enorm. Het kostte veel hogere waarde massa, zodat het zwaartekrachtveld sterrenstelsels niet uit elkaar laat vliegen.
Het was dit ontbrekende deel ervan dat Zwicky de naam ‘donkere materie’ gaf
Zoals de berekeningen van de wetenschapper hebben aangetoond, is er veel minder gewone materie in het sterrenbeeld dan donkere materie. Zwicky publiceerde zijn resultaten in een obscuur tijdschrift Helvetica Fysiek Acta .
De volgende veertig jaar probeerden astrofysici echter zo'n alarmerend en opmerkelijk resultaat niet op te merken.
In 1970 studeerden Vera Rubin en W.K. Ford voor het eerst roterende bewegingen de mysterieuze Andromedanevel. 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 Vladimirovitsj
Algemene ideeën over 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 verschijnselen met stevig gevestigde en experimenteel geverifieerde modellen en beginnen langzaam het hardnekkige fenomeen te ‘onderdrukken’, geduldig wachtend op de noodzakelijke informatie ervan.
Donkere materie getuigt echter van echte zwaartekrachtsmoed voor de wetenschappelijke nieuwsgierigheid van natuurkundigen.
Verborgen materie klontert op precies dezelfde manier als gewone substantie, waarbij sterrenstelsels en hun clusters worden gevormd. Dit is misschien de enige overeenkomst tussen de bekende zichtbare materie en de onbekende massa, waarvan het aandeel 25% bedraagt in de energiebank van het heelal.
Deze onbekende aandeelhouder van ons universum heeft dat wel gedaan eenvoudige eigenschappen. Voldoende koude verborgen materie staat uitsluitend in zwaartekrachttermen in wisselwerking met zijn zichtbare buurman (in het bijzonder met baryonen). Opgemerkt moet worden dat de kosmische dichtheid van baryonen meerdere malen kleiner is dan de dichtheid van verborgen materie. Deze superioriteit in dichtheid maakt het mogelijk om het zwaartekrachtpotentieel van het heelal daadwerkelijk te ‘sturen’.
Wetenschappers suggereren dat de materiële samenstelling van materie– dit zijn nieuwe onbekende deeltjes. Maar ze zijn nog niet ontdekt. Wat bekend is, is dat ze niet uiteenvallen in nog kleinere elementen van de natuur. Anders zouden ze binnen de tijdspanne van het heelal al het vervalproces hebben doorgemaakt. Daarom spreekt dit feit welsprekend ten gunste van het feit dat er een nieuwe wet conservering, waardoor de desintegratie van deeltjes wordt verboden. Het is echter nog niet geopend.
Bovendien “houdt donkere materie er niet van” om te interageren met bekende deeltjes. Vanwege deze omstandigheid kan de samenstelling van de verborgen massa niet door aardse experimenten worden bepaald. De aard van de deeltjes blijft onbekend.
Frequency Keepers - Heterogene universum
Wat zijn de manieren om naar donkere materiedeeltjes te zoeken?
Laten we verschillende manieren opsommen.
- Ik heb een vermoeden dat protonen 2-3 ordes van grootte lichter zijn dan onbekende deeltjes. In dit geval kunnen ze ontstaan bij botsingen met zichtbare deeltjes als ze in een botsing worden versneld tot zeer hoge energieën.
- Ik kreeg de indruk dat onbekende deeltjes zich ergens daarbuiten bevinden, in verre sterrenstelsels. Niet alleen daar, maar ook bij ons in de buurt. 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.
- Onbekende deeltjes verborgen massa vernietigen elkaar. Omdat gewone materie voor hen volledig transparant is, kunnen ze in en vallen. Een van de producten van het vernietigingsproces is een neutrino, dat het vermogen heeft om gemakkelijk door de gehele dikte van de zon en de aarde te dringen. Registratie van dergelijke neutrino's kan onbekende deeltjes aan het licht brengen.
Wat is de aard van de verborgen massa?
Wetenschappers hebben drie richtingen geschetst bij het bestuderen van de aard van donkere materie.
- Baryonische donkere materie.
Onder deze aanname zijn alle deeltjes bekend. Maar hun straling manifesteert zich op zo'n manier dat deze 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.
Lichamen kunnen de volgende objecten bevatten:
- bruine dwergen;
- witte dwergen;
- zwarte gaten;
- neutronensterren.
Het zoeken naar bovengenoemde objecten wordt uitgevoerd met behulp van zwaartekrachtlenzen.
- Niet-baryonische donkere materie.
De samenstelling van de stof is onbekend. Er zijn twee opties:
- koude massa, waaronder fotino's, axionen en quarkstolsels;
- hete massa (neutrino).
- Een nieuwe kijk op zwaartekracht.
De waarheid van de theorie
Het is mogelijk dat intergalactische afstanden ons zullen dwingen om naar de aloude theorie van de zwaartekracht te kijken vanuit een nieuwe invalshoek van galactische visie.
De eigenschappen van geheime materie moeten nog ontdekt worden. Is het mogelijk dat iemand dit weet en wat hij met zulke rijkdom gaat 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 discrepanties in de waarden van enkele belangrijke kosmologische parameters tijdens de oerknal en vandaag de dag zou kunnen verklaren, zeggen Russische kosmologen in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review. D.
"Laten we ons voorstellen dat donkere materie uit verschillende componenten bestaat, net als gewone materie. En één component bestaat uit onstabiele deeltjes, waarvan de levensduur behoorlijk lang is: in het tijdperk van waterstofvorming, honderdduizenden jaren na de oerknal, bevinden ze zich nog steeds in het heelal, maar vandaag zijn ze al verdwenen en vervallen ze tot neutrino's of hypothetisch relativistische deeltjes. Dan zal de hoeveelheid donkere materie in het verleden en vandaag anders zijn, "zei Dmitry Gorbunov van de Moskouse Phystech, wiens woorden worden geciteerd door de pers van de universiteit. dienst.
Donkere materie is een hypothetische substantie die zich uitsluitend manifesteert door zwaartekrachtinteractie met sterrenstelsels, waardoor vervormingen in hun beweging worden geïntroduceerd. Donkere materiedeeltjes hebben geen interactie met welke soort dan ook electromagnetische straling, en kan daarom niet worden vastgelegd tijdens directe observaties. Donkere materie is goed voor ongeveer 26% van de massa van het universum, terwijl ‘gewone’ materie slechts ongeveer 4,8% van de massa uitmaakt – de rest is de al even mysterieuze donkere energie.
Waarnemingen van de verdeling van donkere materie in de dichtstbijzijnde en verste uithoeken van het heelal, 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 sommige eigenschappen van de ‘echo’ van de oerknal in het verre verleden en vandaag de dag merkbaar anders. Tegenwoordig vliegen sterrenstelsels bijvoorbeeld veel sneller uit elkaar dan blijkt uit de resultaten van de analyse van de kosmische achtergrondstraling.
Gorbunov en zijn collega's vonden het mogelijke reden dit.
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, een theorie van de zogenaamde rottende donkere materie (DDM), waarin, in tegenstelling tot de algemene Volgens de geaccepteerde theorie van ‘koude donkere materie’ (CDM) zijn een deel of alle deeltjes onstabiel. Deze deeltjes zouden, zoals voorgesteld door Tkachev en zijn medewerkers, vrij zelden moeten vervallen, maar in merkbare hoeveelheden, om afwijkingen tussen het jonge en het moderne heelal te veroorzaken.
In zijn nieuwe baan Tkachev, Gorbunov en hun collega Anton Chudaykin probeerden te berekenen hoeveel donkere materie moet zijn vergaan, met behulp van gegevens verzameld door Planck en andere observatoria die de kosmische microgolfachtergrondstraling en de eerste sterrenstelsels van het heelal bestudeerden.
Zoals uit hun berekeningen bleek, zou het verval van donkere materie inderdaad kunnen verklaren waarom de resultaten van waarnemingen van deze stof met behulp van Planck niet overeenkomen met waarnemingen van clusters van sterrenstelsels die het dichtst bij ons staan.
Interessant genoeg vereist dit het verval van een relatief kleine hoeveelheid donkere materie - van 2,5 tot 5% van de totale massa, waarvan de hoeveelheid vrijwel onafhankelijk is van de fundamentele eigenschappen die het heelal zou moeten hebben. Nu, zoals wetenschappers uitleggen, is al deze materie vergaan en gedraagt de rest van de donkere materie, die stabiel van aard is, zich zoals beschreven door de CDM-theorie. Aan de andere kant is het ook mogelijk dat het verder vergaat.
"Dit betekent dat er in het huidige heelal 5% minder donkere materie is dan er was 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 verviel; Het is mogelijk dat donkere materie blijft vergaan, ook al is dit een ander, veel complexer model”, besluit Tkachev.
Britse onderzoekers van het Jodrell Bank Radio Astronomy Observatory geloven dat tweederde van ons heelal uit donkere materie (Dark Matter) bestaat. Volgens andere schattingen maakt gewone materie niet meer dan 10% uit van de werkelijke materie in het heelal. Je zou kunnen zeggen dat 90% van de materie in het heelal een mysterie is. Dit is materie die niet met een telescoop kan worden waargenomen, die geen lichtstralen reflecteert en geen fotonen uitzendt in welk bereik van het elektromagnetische spectrum dan ook. Het blijkt zelfs dat er een ander soort massa is, een onzichtbare substantie waaruit het heelal is opgebouwd.
Een van de belangrijkste bewijzen voor de aanwezigheid van donkere materie in het heelal kunnen worden beschouwd als gegevens die in de eerste jaren van de 21e eeuw zijn verkregen met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop met behulp van zwaartekrachtlenzen. Myungkook James Jee, H. Ford en andere onderzoekers van de Johns Hopkins Universiteit ontdekten bij het observeren van de botsing van sterrenstelsels op een afstand van vijf miljard lichtjaar van ons dat ze omgeven waren door een ring van donkere materie met een diameter van 2,6 miljoen licht jaren weg. De positie van donkere materie in dit gebied werd berekend door zwakke vervormingen van straling te detecteren van verder weg gelegen sterrenstelsels die zich (gezien vanaf de aarde) achter de botsende sterrenstelsels bevinden.
Er is nu vastgesteld dat de kleinste, continu bestaande klontjes donkere materie een ruimte van duizend lichtjaren in beslag nemen, en dat de massa van zulke fragmenten tientallen keren groter is dan de massa van de zon.
In de jaren dertig werd voor het eerst onzichtbare materie aangekondigd door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky. Hij merkte op dat de cluster van sterrenstelsels in het sterrenbeeld Coma Berenices bij elkaar wordt gehouden door een sterker zwaartekrachtveld, iets wat er zou moeten zijn, gebaseerd op de schijnbare massa materie in het gebied. Bij nader onderzoek bleek dat de lichtgevende materie in deze clusters van sterrenstelsels meerdere malen minder was dan nodig was om samen te kunnen zijn, vanwege de zwaartekracht. Omdat niemand de wet van de zwaartekracht heeft opgeheven, werd zelfs in die verre jaren aangenomen dat er een soort onzichtbare substantie bestond.
Moderne studies uitgevoerd met behulp van de orbitale sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) tonen aan dat er ongeveer 5% gewone materie in het heelal aanwezig is; 25% is afkomstig van donkere materie en de overige 70% is afkomstig van de zogenaamde donkere energie. Deze conclusie werd getrokken door experts van Princeton University na analyse van gegevens van de WMAP-sonde, die in 2001 door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA werd gelanceerd.
Echter, binnen De laatste tijd Er zijn hypothesen verschenen die erop wijzen dat donkere materie misschien niet bestaat.
Emeritus hoogleraar John Moffat en Joel Brownstein van de Universiteit van Toronto 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 kunnen het zonder donkere materie stellen. Ze gingen hun in theoretische ontwikkeling zogenaamde gravitonen die voortkomen uit 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 aangetrokken worden dan wanneer ze zich aan de rand ervan zouden bevinden.
* * *
Hoe het ook zij, elke verwarrende situatie zal vroeg of laat ophelderen. Hetzelfde zal gebeuren met donkere materie: de tijd zal er onvermijdelijk mee omgaan. Daarom is hij de hoogste rechter.
Een theoretisch construct in de natuurkunde, het Standaardmodel genaamd, beschrijft de interacties van alle elementaire deeltjes die de wetenschap kent. Maar dit is slechts 5% van de materie die in het heelal bestaat, de resterende 95% is van volledig onbekende aard. Wat is deze hypothetische donkere materie en hoe proberen wetenschappers deze te detecteren? Hayk Hakobyan, een MIPT-student en medewerker van de afdeling Natuurkunde en Astrofysica, vertelt hierover in het kader van een speciaal project.
Het Standaardmodel van elementaire deeltjes, uiteindelijk bevestigd na de ontdekking van het Higgsdeeltje, beschrijft de fundamentele interacties (elektrozwak en sterk) van de gewone deeltjes die we kennen: leptonen, quarks en krachtdragers (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 van ons heelal laten ons zien dat ongeveer 95% van de materie die ons omringt van volledig onbekende aard is. Met andere woorden: we zien indirect de aanwezigheid van deze verborgen materie vanwege de zwaartekrachtsinvloed ervan, maar we zijn er nog niet in geslaagd deze direct vast te leggen. Dit verborgen massafenomeen heeft de codenaam ‘donkere materie’.
De moderne wetenschap, en vooral de kosmologie, werkt volgens de deductieve methode van Sherlock Holmes
Nu is de belangrijkste kandidaat uit de WISP-groep de axion, die ontstaat in de theorie van de sterke interactie en een zeer kleine massa heeft. Zo'n deeltje kan in hoge magnetische velden veranderen in een foton-fotonpaar, wat aanwijzingen geeft over hoe je het zou kunnen proberen te detecteren. Het ADMX-experiment maakt gebruik van grote kamers die een magnetisch veld creëren van 80.000 gauss (dat is 100.000 keer meer dan magnetisch veld Aarde). In theorie zou een dergelijk veld het verval van een axion tot een foton-fotonpaar moeten stimuleren, dat door detectoren zou moeten worden opgevangen. Ondanks talloze pogingen is het nog niet mogelijk geweest om WIMP's, axionen of steriele neutrino's te detecteren.
We hebben dus een groot aantal verschillende hypothesen doorlopen om de vreemde aanwezigheid van de verborgen massa te verklaren, en nadat we alle onmogelijkheden met behulp van observaties hebben verworpen, zijn we tot verschillende mogelijke hypothesen gekomen waarmee we al kunnen werken.
Een negatief resultaat in de wetenschap is ook een resultaat, omdat het beperkingen oplegt aan verschillende deeltjesparameters, het elimineert bijvoorbeeld het bereik van mogelijke massa's. Van jaar tot jaar zorgen steeds meer nieuwe waarnemingen en experimenten met versnellers voor nieuwe, strengere beperkingen op 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 dag na dag dichter bij het begrijpen waaruit 95% van de materie in ons universum bestaat.
Donkere materie is niet donker omdat het zwart is, maar omdat het een ‘donker paard’ is in de letterlijke zin van het woord: 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 in de zichtbare massa van materie te verklaren. Donkere materie is goed voor ruim 95% van de onzichtbare materie in het heelal. Het probleem is dat donkere materie slechts zwak interageert met de echte wereld, alleen op het niveau van de zwaartekracht, waardoor het op dit moment niet mogelijk is om deze te vangen, vast te leggen of te creëren. En onze monitoring- en zoekinstrumenten zijn te zwak om donkere materiedeeltjes te vangen, hoewel er zeker werk op dit gebied aan de gang is.
Europees laboratorium fysiek onderzoek CERN zei dat het een nieuw experiment plant om te zoeken naar deeltjes die geassocieerd zijn met donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat deze ongeveer 27% van het universum uitmaakt. Het experiment zal worden uitgevoerd op dezelfde plaats waar het zich bevindt: 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 op elkaar inwerkende deeltjes’.
