Vật chất tối: từ những điều kiện ban đầu đến sự hình thành cấu trúc của Vũ trụ. Vật chất đen là gì
Nhà khoa học đầu tiên chứng minh và tính toán về mặt lý thuyết khả năng tồn tại của vật chất ẩn giấu là nhà thiên văn học người Thụy Sĩ gốc Bulgaria Fritz Zwicky. Sử dụng phương pháp Doppler, nhà khoa học đã tính toán vận tốc của tám thiên hà nằm trong chòm sao Berenices. Trong tài liệu khoa học, đôi khi người ta còn tìm thấy một cái tên lãng mạn khác - Tóc của Veronica.
Vật chất tối và năng lượng tối
Lịch sử phát hiện khối lượng chưa biết
Logic tính toán của Zwicky như sau. Trường hấp dẫn sẽ giữ các thiên hà trong cụm của chúng. Dựa trên vị trí này, khối lượng cần thiết được tính toán. Các thiên hà phát ra ánh sáng, do đó có thể tính được một giá trị khác cho khối lượng thiên hà. Hai giá trị này lẽ ra phải trùng nhau, nhưng điều này đã không xảy ra. Các giá trị khác nhau rất nhiều. Phải mất rất nhiều Giá trị cao hơn khối lượng sao cho trường hấp dẫn không cho phép các thiên hà bay ra xa nhau.
Chính phần còn thiếu này mà Zwicky đã đặt cho cái tên “vật chất tối”
Như tính toán của nhà khoa học đã chỉ ra, trong chòm sao có ít vật chất thông thường hơn vật chất tối. Zwicky đã công bố kết quả của mình trên một tạp chí ít người biết đến Helvetica vật lý Acta .
Tuy nhiên, trong 40 năm tiếp theo, các nhà vật lý thiên văn đã cố gắng không chú ý đến một kết quả đáng báo động và nổi bật như vậy.
Năm 1970, Vera Rubin và W.K. Ford lần đầu tiên nghiên cứu chuyển động quay tinh vân Andromeda bí ẩn. Một lát sau, sự chuyển động của hơn 60 thiên hà đã được nghiên cứu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tốc độ quay của các thiên hà lớn hơn nhiều so với tốc độ do khối lượng quan sát được rõ ràng của chúng mang lại. Kết quả phức tạp của các sự kiện quan sát được không thể chối cãi là bằng chứng về sự tồn tại của vật chất ẩn giấu.
Vật chất tối. Anatoly Vladimirovich
Những ý tưởng chung về các hạt chưa biết của vật chất chưa biết
Trong nghiên cứu của mình, các nhà vật lý đôi khi sử dụng những phương pháp mà người bình thường khó có thể xác định được những vật thể chưa biết trong Vũ trụ. Họ phác thảo những hiện tượng chưa biết bằng các mô hình đã được thiết lập chắc chắn và đã được xác minh bằng thực nghiệm và bắt đầu từ từ “ấn mạnh” vào hiện tượng cố chấp, kiên nhẫn chờ đợi những thông tin cần thiết từ nó.
Tuy nhiên, vật chất tối cho thấy sức mạnh thực sự của lực hấp dẫn đối với sự tò mò khoa học của các nhà vật lý.
Vật chất ẩn kết tụ lại với nhau giống như vật chất thông thường, tạo thành các thiên hà và cụm của chúng. Có lẽ đây là điểm tương đồng duy nhất giữa vật chất hữu hình đã biết và khối lượng chưa biết, tỷ trọng của chúng là 25% trong “ngân hàng” năng lượng của Vũ trụ.
Cổ đông vô danh này của Vũ trụ của chúng ta có tính chất đơn giản. Vật chất ẩn đủ lạnh sẵn sàng tương tác với hàng xóm hữu hình của nó (đặc biệt là với baryon) chỉ bằng lực hấp dẫn. Cần lưu ý rằng mật độ vũ trụ của baryon nhỏ hơn nhiều lần so với mật độ của vật chất ẩn giấu. Sự vượt trội về mật độ này cho phép nó thực sự “dẫn đường” cho thế năng hấp dẫn của Vũ trụ.
Các nhà khoa học cho rằng thành phần vật chất của vật chất– đây là những hạt mới chưa biết. Nhưng họ vẫn chưa được phát hiện. Điều được biết là chúng không phân hủy thành những phần tử nhỏ hơn của Tự nhiên. Nếu không, trong khoảng thời gian của Vũ trụ, chúng đã trải qua quá trình phân rã. Vì vậy, thực tế này nói lên một cách hùng hồn ủng hộ thực tế là có một luật mới bảo tồn, cấm sự tan rã của các hạt. Tuy nhiên, nó vẫn chưa mở.
Hơn nữa, vật chất tối “không thích” tương tác với các hạt đã biết. Do hoàn cảnh này, thành phần của khối lượng ẩn giấu không thể được xác định bằng các thí nghiệm trên trái đất. Bản chất của các hạt vẫn chưa được biết.
Người giữ tần số - Vũ trụ không đồng nhất
Các cách để tìm kiếm các hạt vật chất tối là gì?
Hãy liệt kê một số cách.
- Tôi có một suy đoán rằng proton nhẹ hơn 2-3 bậc độ lớn so với các hạt chưa biết. Trong trường hợp này, chúng có thể được sinh ra khi va chạm với các hạt nhìn thấy được nếu chúng được gia tốc lên năng lượng rất cao trong máy va chạm.
- Tôi có ấn tượng những hạt chưa biết đó đang ở đâu đó ngoài kia, trong những thiên hà xa xôi. Không chỉ ở đó, mà còn ở gần chúng ta. Người ta cho rằng trong một mét khối số lượng của chúng có thể lên tới 1000 chiếc. Tuy nhiên, họ thích tránh va chạm với Hạt nhân nguyên tử chất đã biết. Mặc dù những trường hợp như vậy vẫn xảy ra và các nhà khoa học hy vọng sẽ ghi nhận được chúng.
- Các hạt chưa biết khối lượng ẩn tiêu diệt lẫn nhau. Vì vật chất thông thường hoàn toàn trong suốt đối với chúng nên chúng có thể rơi vào và. Một trong những sản phẩm của quá trình hủy diệt là neutrino có khả năng dễ dàng xuyên qua toàn bộ độ dày của Mặt trời và Trái đất. Việc đăng ký các neutrino như vậy có thể tiết lộ các hạt chưa biết.
Bản chất của khối lượng ẩn là gì?
Các nhà khoa học đã vạch ra ba hướng nghiên cứu bản chất của vật chất tối.
- Vật chất tối baryon.
Theo giả định này, tất cả các hạt đều được biết đến. Nhưng bức xạ của chúng biểu hiện theo cách không thể phát hiện được.
- vật chất bình thường, phân tán nhiều trong không gian giữa các thiên hà;
- các vật thể quầng vật lý thiên văn khổng lồ (MACHO).
Những vật thể này, các thiên hà xung quanh, có kích thước tương đối nhỏ. Chúng có bức xạ rất yếu. Những đặc tính này làm cho nó không thể phát hiện được chúng.
Các nội dung có thể bao gồm các đối tượng sau:
- sao lùn nâu;
- sao lùn trắng;
- lỗ đen;
- sao neutron.
Việc tìm kiếm các vật thể trên được thực hiện bằng thấu kính hấp dẫn.
- Vật chất tối phi baryon.
Thành phần của chất này chưa được biết. Có hai lựa chọn:
- khối lượng lạnh, có thể bao gồm các photino, axion và cục quark;
- khối lượng nóng (neutrino).
- Một cái nhìn mới về trọng lực.
Sự thật của lý thuyết
Có thể khoảng cách giữa các thiên hà sẽ buộc chúng ta phải xem xét lý thuyết hấp dẫn lâu đời từ một góc nhìn mới về thiên hà.
Các tính chất của vật chất bí mật vẫn đang được khám phá. Liệu một người có thể biết được điều này không và anh ta sẽ làm gì với sự giàu có như vậy - chỉ có tương lai mới trả lời được những câu hỏi này.
MOSCOW, ngày 12 tháng 12 - RIA Novosti. Lượng vật chất tối trong Vũ trụ đã giảm khoảng 2-5%, điều này có thể giải thích sự khác biệt về giá trị của một số thông số vũ trụ quan trọng trong Vụ nổ lớn và ngày nay, các nhà vũ trụ học Nga cho biết trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review D.
“Hãy tưởng tượng rằng vật chất tối bao gồm một số thành phần, giống như vật chất thông thường. Và một thành phần bao gồm các hạt không ổn định, có thời gian tồn tại khá dài: trong kỷ nguyên hình thành hydro, hàng trăm nghìn năm sau Vụ nổ lớn, chúng vẫn còn ở dạng Vũ trụ, nhưng ngày nay chúng đã biến mất, phân hủy thành neutrino hoặc các hạt tương đối giả định. Khi đó, lượng vật chất tối trong quá khứ và ngày nay sẽ khác,” Dmitry Gorbunov từ Moscow Phystech, người được báo chí của trường đại học trích dẫn lời nói dịch vụ.
Vật chất tối là một chất giả thuyết biểu hiện độc quyền thông qua tương tác hấp dẫn với các thiên hà, gây ra sự biến dạng trong chuyển động của chúng. Các hạt vật chất tối không tương tác với bất kỳ loài nào bức xạ điện từ, và do đó không thể được ghi lại trong quá trình quan sát trực tiếp. Vật chất tối chiếm khoảng 26% khối lượng vũ trụ, trong khi vật chất “thông thường” chỉ chiếm khoảng 4,8% khối lượng của nó – phần còn lại là năng lượng tối bí ẩn không kém.
Các quan sát về sự phân bố của vật chất tối ở các góc gần nhất và xa nhất của vũ trụ, được thực hiện bằng kính viễn vọng trên mặt đất và tàu thăm dò Planck, gần đây đã tiết lộ một điều kỳ lạ - hóa ra là tốc độ giãn nở của Vũ trụ và một số tính chất của “Tiếng vang” của Vụ nổ lớn trong quá khứ xa xôi và ngày nay khác biệt rõ rệt. Ví dụ, ngày nay các thiên hà đang bay ra xa nhau nhanh hơn nhiều so với kết quả phân tích bức xạ nền vi sóng vũ trụ.
Gorbunov và các đồng nghiệp của ông đã tìm thấy lý do có thể cái này.
Một năm trước, một trong những tác giả của bài báo, viện sĩ Igor Tkachev từ Viện Vật lý hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga ở Moscow, đã xây dựng một lý thuyết về cái gọi là vật chất tối phân rã (DDM), trong đó, không giống như lý thuyết nói chung. lý thuyết được chấp nhận về “vật chất tối lạnh” (CDM), một phần hoặc toàn bộ các hạt của nó không ổn định. Những hạt này, theo đề xuất của Tkachev và các cộng sự của ông, sẽ phân rã khá hiếm khi, nhưng với số lượng đáng chú ý, để làm phát sinh những sai lệch giữa Vũ trụ trẻ và Vũ trụ hiện đại.
Trong của anh ấy công việc mới Tkachev, Gorbunov và đồng nghiệp Anton Chudaykin của họ đã cố gắng tính toán xem vật chất tối đã phân rã bao nhiêu, sử dụng dữ liệu do Planck và các đài quan sát khác thu thập để nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ và các thiên hà đầu tiên của Vũ trụ.
Như tính toán của họ cho thấy, sự phân rã của vật chất tối thực sự có thể giải thích tại sao kết quả quan sát chất này bằng Planck không tương ứng với các quan sát về cụm thiên hà gần chúng ta nhất.
Điều thú vị là, điều này đòi hỏi sự phân rã của một lượng vật chất tối tương đối nhỏ - từ 2,5 đến 5% tổng khối lượng của nó, lượng này gần như không phụ thuộc vào những đặc tính cơ bản mà Vũ trụ nên có. Hiện nay, như các nhà khoa học giải thích, tất cả vật chất này đã phân hủy và phần còn lại của vật chất tối, có bản chất ổn định, hoạt động như lý thuyết CDM mô tả. Mặt khác, cũng có thể nó tiếp tục phân hủy.
"Điều này có nghĩa là trong Vũ trụ ngày nay có vật chất tối ít hơn 5% so với thời kỳ hình thành các phân tử hydro và heli đầu tiên sau khi Vũ trụ ra đời. Bây giờ chúng ta không thể nói phần không ổn định này phân rã nhanh như thế nào, nó có thể vật chất tối tiếp tục phân rã và hiện nay, mặc dù đây là một mô hình khác, phức tạp hơn nhiều,” Tkachev kết luận.
Các nhà nghiên cứu người Anh từ Đài quan sát thiên văn vô tuyến Jodrell Bank tin rằng 2/3 Vũ trụ của chúng ta bao gồm vật chất tối (Vật chất tối). Theo những ước tính khác, vật chất thông thường chỉ chiếm không quá 10% vật chất thực sự có trong Vũ trụ. Bạn có thể nói rằng 90% vật chất trong Vũ trụ là bí ẩn. Đây là vật chất không thể quan sát được bằng kính thiên văn, không phản xạ tia sáng và không phát ra photon trong bất kỳ phạm vi nào của phổ điện từ. Trên thực tế, hóa ra có một loại khối lượng khác, một loại vật chất vô hình nào đó mà Vũ trụ được tạo nên từ đó.
Một trong những bằng chứng quan trọng về sự hiện diện của vật chất tối trong Vũ trụ có thể coi là dữ liệu thu được vào những năm đầu thế kỷ 21 trên Kính viễn vọng Không gian Hubble sử dụng thấu kính hấp dẫn. Myungkook James Jee, H. Ford và các nhà nghiên cứu khác từ Đại học Johns Hopkins khi quan sát sự va chạm của các thiên hà nằm cách chúng ta 5 tỷ năm ánh sáng đã phát hiện ra chúng bị bao quanh bởi một vòng vật chất tối có đường kính 2,6 triệu ánh sáng nhiều năm nữa. Vị trí của vật chất tối trong vùng này được tính toán bằng cách phát hiện sự biến dạng yếu của bức xạ từ các thiên hà xa hơn nằm (như nhìn từ Trái đất) phía sau các hệ sao đang va chạm.
Hiện nay người ta đã xác định được rằng những khối vật chất tối nhỏ nhất tồn tại liên tục chiếm không gian một nghìn năm ánh sáng và khối lượng của những mảnh như vậy lớn gấp hàng chục lần khối lượng của Mặt trời.
Lần đầu tiên, vật chất vô hình được nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky công bố vào những năm 1930. Ông nhận thấy rằng cụm thiên hà trong chòm sao Coma Berenices được giữ với nhau bởi một trường hấp dẫn mạnh hơn, một thứ lẽ ra phải có, dựa trên khối lượng vật chất biểu kiến trong khu vực. Khi xem xét kỹ hơn, hóa ra vật chất phát sáng trong các cụm thiên hà này ít hơn nhiều lần so với mức cần thiết để chúng ở bên nhau do lực hấp dẫn. Vì chưa có ai bãi bỏ định luật hấp dẫn nên ngay cả trong những năm xa xôi đó người ta vẫn cho rằng có một loại chất vô hình nào đó.
Các nghiên cứu hiện đại được thực hiện bằng tàu thăm dò quỹ đạo WMAP (Máy thăm dò dị hướng vi sóng Wilkinson) cho thấy có khoảng 5% vật chất thông thường trong Vũ trụ; 25% đến từ vật chất tối và 70% còn lại đến từ cái gọi là năng lượng tối. Kết luận này được các chuyên gia đến từ Đại học Princeton đưa ra sau khi phân tích dữ liệu từ tàu thăm dò WMAP do cơ quan vũ trụ Mỹ NASA phóng vào năm 2001.
Tuy nhiên, trong Gần đâyĐã xuất hiện các giả thuyết chỉ ra rằng vật chất tối có thể không tồn tại.
Giáo sư danh dự John Moffat của Đại học Toronto và Joel Brownstein thuộc Viện Vật lý lý thuyết Canada đã phát triển một lý thuyết về lực hấp dẫn biến đổi giải thích đầy đủ hành trạng quan sát được của các cụm thiên hà. Hai nhà vật lý người Canada có thể xoay sở mà không cần vật chất tối Họ bước vào phát triển lý thuyết cái gọi là graviton phát sinh từ chân không, và graviton mạnh nhất được sinh ra gần những khối lượng lớn. Từ đó suy ra rằng ở trung tâm thiên hà (nơi tập trung khối lượng lớn), hai vật thể bị hút vào nhau mạnh hơn so với khi chúng ở vùng ngoại vi của nó.
* * *
Dù vậy, mọi tình huống khó hiểu sớm hay muộn sẽ được giải quyết. Điều tương tự cũng sẽ xảy ra với vật chất tối: Thời gian chắc chắn sẽ giải quyết được nó. Đó là lý do tại sao ông ấy là Thẩm phán tối cao.
Một cấu trúc lý thuyết trong vật lý gọi là Mô hình Chuẩn mô tả sự tương tác của tất cả các hạt cơ bản được khoa học biết đến. Nhưng đây chỉ là 5% vật chất tồn tại trong Vũ trụ, 95% còn lại hoàn toàn chưa được biết đến. Vật chất tối giả thuyết này là gì và các nhà khoa học đang cố gắng phát hiện nó bằng cách nào? Hayk Hakobyan, một sinh viên MIPT và nhân viên Khoa Vật lý và Vật lý thiên văn, nói về điều này như một phần của một dự án đặc biệt.
Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản, cuối cùng đã được xác nhận sau khi phát hiện ra boson Higgs, mô tả các tương tác cơ bản (điện yếu và mạnh) của các hạt thông thường mà chúng ta biết: lepton, quark và các hạt mang lực (boson và gluon). Tuy nhiên, hóa ra toàn bộ lý thuyết phức tạp khổng lồ này chỉ mô tả khoảng 5-6% tổng số vật chất, trong khi phần còn lại không phù hợp với mô hình này. Những quan sát về những khoảnh khắc sớm nhất của Vũ trụ cho chúng ta thấy rằng khoảng 95% vật chất xung quanh chúng ta có bản chất hoàn toàn chưa được biết đến. Nói cách khác, chúng ta gián tiếp nhìn thấy sự hiện diện của vật chất ẩn giấu này do ảnh hưởng của lực hấp dẫn của nó, nhưng chúng ta vẫn chưa thể nắm bắt được nó một cách trực tiếp. Hiện tượng khối lượng ẩn này có tên mã là “vật chất tối”.
Khoa học hiện đại, đặc biệt là vũ trụ học, hoạt động theo phương pháp suy luận của Sherlock Holmes
Hiện nay, ứng cử viên chính của nhóm WISP là trục, xuất hiện trong lý thuyết tương tác mạnh và có khối lượng rất nhỏ. Một hạt như vậy có khả năng biến thành một cặp photon-photon trong từ trường cao, điều này đưa ra gợi ý về cách người ta có thể cố gắng phát hiện ra nó. Thí nghiệm ADMX sử dụng các buồng lớn tạo ra từ trường 80.000 gauss (gấp 100.000 lần từ trường Trái đất). Về lý thuyết, một trường như vậy sẽ kích thích sự phân rã của một trục thành một cặp photon-photon mà các máy dò sẽ bắt được. Bất chấp nhiều nỗ lực, người ta vẫn chưa thể phát hiện ra WIMP, axion hoặc neutrino vô trùng.
Vì vậy, chúng tôi đã xem qua rất nhiều giả thuyết khác nhau để tìm cách giải thích sự hiện diện kỳ lạ của khối lượng ẩn giấu, và sau khi bác bỏ tất cả những điều không thể xảy ra với sự trợ giúp của các quan sát, chúng tôi đã đi đến một số giả thuyết khả thi mà chúng tôi có thể nghiên cứu.
Một kết quả tiêu cực trong khoa học cũng là một kết quả, vì nó đưa ra những hạn chế đối với các thông số khác nhau của các hạt, chẳng hạn, nó loại bỏ phạm vi khối lượng có thể có. Từ năm này qua năm khác, ngày càng có nhiều quan sát và thí nghiệm mới trong máy gia tốc đưa ra những hạn chế mới, nghiêm ngặt hơn về khối lượng và các thông số khác của các hạt vật chất tối. Do đó, bằng cách loại bỏ tất cả các lựa chọn không thể và thu hẹp vòng tìm kiếm, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc hiểu được 95% vật chất trong Vũ trụ của chúng ta bao gồm những gì.
Vật chất tối tối không phải vì nó đen mà vì nó là “con ngựa đen” theo nghĩa đen: không ai biết nó là gì. Các nhà vật lý cần vật chất tối để giải thích sự khác biệt về gia tốc giãn nở của vũ trụ và sự khác biệt về khối lượng vật chất nhìn thấy được. Vật chất tối chiếm hơn 95% vật chất vô hình trong vũ trụ. Vấn đề là vật chất tối tương tác yếu với thế giới thực, chỉ ở mức trọng lực nên chưa thể nắm bắt, ghi lại hay tạo ra nó vào lúc này. Và các công cụ theo dõi và tìm kiếm của chúng ta quá yếu để có thể bắt được các hạt vật chất tối, mặc dù công việc trong lĩnh vực này chắc chắn vẫn đang được tiến hành.
Phòng thí nghiệm châu Âu nghiên cứu vật lý CERN cho biết họ đang lên kế hoạch thực hiện một thí nghiệm mới nhằm tìm kiếm các hạt liên quan đến vật chất tối, vật chất được cho là chiếm khoảng 27% vũ trụ. Thí nghiệm sẽ được thực hiện tại chính nơi nó tọa lạc - một phòng thí nghiệm khổng lồ trong đường hầm dài 27 km ở biên giới Pháp-Thụy Sĩ. Nhiệm vụ của nó sẽ là tìm kiếm “các hạt nhẹ và tương tác yếu”.
