Cam despre lucrurile complicate: ce este materia întunecată și unde să o cauți. Viața se ascunde în materia întunecată? Dezintegrarea bosonului Higgs în materie întunecată
Ecologia cunoașterii. Particulele de materie întunecată nu produc, reflectă sau absorb lumină. Cu toate acestea, deși nu putem vedea
Particulele de materie întunecată nu produc, reflectă sau absorb lumină. Cu toate acestea, deși nu putem vedea materia întunecată în mod direct și încă nu îi înțelegem natura, oamenii de știință sunt de acord că ea reprezintă până la 26% din universul cunoscut observând efectele gravitaționale pe care le are asupra altor obiecte cosmice. Asemenea vântului care îndoaie un copac, noi nu vedem materie întunecată, dar știm că este acolo. Pe baza acestor observații, oamenii de știință dezvoltă teorii foarte interesante cu privire la această substanță misterioasă. Dacă va fi descoperit, înțelegerea noastră asupra Universului va fi mult îmbunătățită.
Materia întunecată ar putea provoca extincția în masă
Michael Rampino, profesor de biologie la Universitatea din New York, consideră că mișcarea Pământului prin discul galactic (regiunea noastră din galaxia Calea Lactee) ar putea provoca extincții în masă pe Pământ. Acest lucru s-a întâmplat deoarece mișcarea noastră a perturbat orbitele cometelor din sistemul solar exterior (cunoscut sub numele de nor Oort) și a provocat o creștere a căldurii nucleului planetei noastre.
Împreună cu planetele sale, Soarele orbitează centrul Căii Lactee la fiecare 250 de milioane de ani. În timpul călătoriei sale, se întinde pe discul galactic la fiecare 30 de milioane de ani. Rampino susține că trecerea Pământului prin disc coincide cu impactul cometelor și cu extincțiile în masă de pe Pământ, inclusiv cu cea care a avut loc acum 65 de milioane de ani, când dinozaurii au dispărut. Există, de asemenea, o teorie conform căreia, chiar înainte ca asteroidul să pună capăt șopârlelor uriașe, rândurile lor au fost subțiete semnificativ de erupțiile vulcanice.
Combinația dintre activitatea vulcanică neobișnuită și impactul unui asteroid coincide cu trecerea Pământului prin discul galactic: „În timpul trecerii prin disc, concentrațiile de materie întunecată perturbă traseele cometelor care zboară de obicei departe de Pământ în sistemul solar exterior”, spune. Rampino. „Aceasta înseamnă că cometele care călătoresc în mod normal la distanțe mari de Pământ urmează căi neobișnuite până la punctul de a se ciocni cu planeta”. Unii cred că teoria lui Rampino nu funcționează deoarece dinozaurii au dispărut din cauza unui asteroid, nu a unei comete. Cu toate acestea, 4% din norul Oort este format din asteroizi, adică aproximativ opt miliarde.
În plus, Rampino consideră că fiecare trecere a Pământului prin discul galactic a dus la acumularea de materie întunecată în miezul planetei. Pe măsură ce particulele de materie întunecată se anihilează reciproc, ele creează căldură intensă, care poate provoca erupții vulcanice, modificări ale nivelului mării, creșterea munților și alte activități geologice care afectează grav viața de pe Pământ.
Calea Lactee ar putea fi o gaură de vierme uriașă
S-ar putea să trăim într-un tunel uriaș care este o scurtătură prin Univers. După cum a prezis teoria generală a relativității a lui Einstein, o gaură de vierme este o regiune în care spațiul și timpul sunt curbate, creând o gaură de vierme într-o parte îndepărtată a universului. Potrivit astrofizicienilor de la Școala Internațională de Studii Avansate din Trieste, Italia, materia întunecată din galaxia noastră poate fi distribuită în așa fel încât să susțină o gaură de vierme stabilă în mijlocul Căii Lactee. Acești oameni de știință cred că este timpul să regândim natura materiei întunecate, poate că reprezintă pur și simplu o parte a unei alte dimensiuni.
„Dacă combinăm harta materiei întunecate din Calea Lactee cu cel mai recent model Big Bang”, spune profesorul Paulo Salucci, „și presupunem existența tunelurilor spațiu-timp, descoperim că galaxia noastră poate avea unul dintre aceste tuneluri. și un astfel de tunel ar putea avea dimensiunea unei galaxii întregi. Mai mult, putem chiar să trecem prin acest tunel, deoarece, conform calculelor noastre, va fi navigabil. Ca cel pe care l-am văzut în filmul Interstellar.
Desigur, aceasta este doar o teorie. Dar oamenii de știință cred că materia întunecată poate fi cheia pentru crearea și observarea unei găuri de vierme. Până acum, nu au fost descoperite găuri de vierme în natură.
Descoperirea Galaxy X
Galaxy X este cunoscută și ca o galaxie de materie întunecată, o galaxie pitică în mare măsură invizibilă, care poate fi responsabilă pentru ondulațiile ciudate din hidrogenul rece din afara discului Căii Lactee. Se crede că Galaxy X este o galaxie satelit a Căii Lactee într-un grup de patru variabile cefeide, stele pulsatorie care sunt folosite ca markeri pentru măsurarea distanțelor în spațiu. Nu vedem restul acestei galaxii pitice pentru că este făcută din materie întunecată, conform teoriei. Cu toate acestea, atracția gravitațională a acestei galaxii creează ondulațiile pe care le vedem. Fără sursa gravitațională a materiei întunecate care le ține împreună, cele patru Cefeide s-ar despărți probabil.
„Descoperirea variabilelor cefeide arată că metoda noastră de găsire a locațiilor galaxiilor pitice dominate de materia întunecată funcționează”, spune astronomul Sukanya Chakrabarti. „Acest lucru ne-ar putea ajuta să înțelegem în cele din urmă din ce este făcută materia întunecată.” De asemenea, arată că teoria gravitației lui Newton poate fi folosită în cele mai îndepărtate părți ale galaxiei și nu este nevoie să ne schimbăm teoria gravitației.”
Dezintegrarea bosonului Higgs în materie întunecată
Dezvoltat în anii 1970, Modelul standard al fizicii particulelor este un set de teorii care prezic în esență toate particulele subatomice cunoscute din univers și modul în care acestea interacționează. Odată cu confirmarea bosonului Higgs (cunoscut și sub numele de „particula lui Dumnezeu”) în 2012, modelul standard a fost complet. Din păcate, acest model nu explică totul și nu spune nimic despre gravitație și materia întunecată. Masa particulei Higgs pare, de asemenea, prea mică pentru unii oameni de știință.
Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință de la Universitatea de Tehnologie Chalmers să propună un nou model bazat pe supersimetrie, care echipează fiecare particulă cunoscută a modelului standard cu un superpartener mai greu. Conform noii teorii, o mică fracțiune de particule Higgs se descompun într-un foton (o particulă de lumină) și doi gravitinos (particule ipotetice de materie întunecată). Dacă este confirmat, acest model va revoluționa complet înțelegerea noastră a elementelor fundamentale ale naturii.
Materia întunecată pe Soare
În funcție de metoda utilizată pentru analiza Soarelui, cantitatea de elemente mai grele decât hidrogenul sau heliul va fluctua cu 20 până la 30 la sută. Putem măsura fiecare dintre aceste elemente analizând spectrul de lumină pe care îl emite, ca o amprentă, sau studiind modul în care acesta afectează undele sonore care trec prin Soare. Diferența misterioasă dintre aceste două tipuri de măsurare a elementelor Soarelui se numește problema excesului (sau abundenței) solare.
Trebuie să măsurăm cu precizie aceste elemente pentru a înțelege compoziția chimică a soarelui, precum și densitatea și temperatura acestuia. În multe feluri, ne va ajuta, de asemenea, să înțelegem compoziția și comportamentul altor stele, precum și al planetelor și galaxiilor.
Timp de mulți ani, oamenii de știință nu au putut dezvolta o soluție acceptabilă. Apoi, astrofizicianul Aaron Vincent și colegii săi au propus prezența materiei întunecate în miezul Soarelui ca un posibil răspuns la întrebare. După ce au testat multe modele, au venit cu o teorie care părea să funcționeze. Cu toate acestea, a inclus un tip special de materie întunecată - „materie întunecată asimetrică care interacționează slab”, care ar putea fi fie materie, fie antimaterie în același timp.
Pe baza măsurătorilor gravitaționale, oamenii de știință au aflat că Soarele este înconjurat de un halou de materie întunecată. Particulele asimetrice de materie întunecată nu conțin multă antimaterie, așa că pot supraviețui contactului cu materia obișnuită și se pot acumula în miezul Soarelui. Aceste particule pot, de asemenea, absorbi energie în centrul Soarelui și apoi transportă căldura acesteia către marginile exterioare, ceea ce ar putea explica problema excesului solar.
Materia întunecată poate fi macroscopică
Oamenii de știință Case Western Reserve se îndoiesc că căutăm materie întunecată în locurile potrivite. În special, ei sugerează că materia întunecată poate să nu fie compusă din particule exotice minuscule precum WIMP-urile (particule masive care interacționează slab), ci din obiecte macroscopice care variază de la câțiva centimetri până la dimensiunea unui asteroid. Cu toate acestea, oamenii de știință își limitează teoria la ceea ce este deja observat în spațiu. De aici credința lor că modelul standard al fizicii particulelor va oferi răspunsul. Nu este nevoie de un model nou.
Oamenii de știință și-au numit obiectele de materie întunecată „macro”. Ei nu susțin că WIMP-urile și axions nu există, dar admit că căutarea noastră de materie întunecată poate include și alți candidați. Există exemple de materie care nu este nici obișnuită, nici exotică, dar care se potrivește parametrilor Modelului Standard.
„Comunitatea științifică a abandonat ideea că materia întunecată ar putea fi făcută din materie obișnuită la sfârșitul anilor 1980”, spune profesorul de fizică Glenn Starkman. „Ne întrebăm dacă a fost greșit și dacă materia întunecată ar putea fi făcută din materie obișnuită – cuarcuri și electroni?”
Detectarea materiei întunecate folosind GPS
Doi fizicieni au propus folosirea sateliților GPS pentru a căuta materia întunecată, despre care oamenii de știință cred că ar putea să nu fie particule în sensul convențional, ci mai degrabă pete în țesătura spațiu-timp.
„Cercetarea noastră sugerează că materia întunecată poate fi organizată ca o colecție gigantică de defecte topologice, asemănătoare unui gaz, sau fisuri energetice”, spune Andrei Derevyanko de la Universitatea din Nevada. „Ne propunem să detectăm aceste defecte, materia întunecată, folosind o rețea de ceasuri atomice sensibile. Ideea este că atunci când ceasurile devin desincronizate, vom ști că materia întunecată, un defect topologic, a trecut prin acea locație. În esență, intenționăm să folosim sateliții GPS ca cel mai mare detector de materie întunecată creat de om.”
Oamenii de știință analizează datele de la 30 de sateliți GPS și încearcă să-și testeze teoria cu ajutorul lor. Dacă materia întunecată este într-adevăr gazoasă, Pământul va trece prin ea în timp ce se deplasează prin galaxie. Acționând ca vânt, șuvițele de materie întunecată ar fi zdrobite de Pământ și de sateliții săi, ceea ce face ca ceasurile GPS de pe sateliți și de pe sol să își piardă sincronizarea la fiecare trei minute. Oamenii de știință vor putea monitoriza discrepanțe până la o miliardime de secundă.
Materia întunecată poate fi alimentată de energia întunecată
Potrivit unui studiu recent, energia întunecată se poate hrăni cu materia întunecată pe măsură ce interacționează, ceea ce, la rândul său, încetinește creșterea galaxiilor și ar putea lăsa în cele din urmă universul aproape complet gol. Este posibil ca materia întunecată să se descompună în energie întunecată, dar încă nu știm asta. Sonda spațială Planck a rafinat recent compoziția fizică a Universului: 4,9% materie obișnuită, 25,9% materie întunecată și 69,2% energie întunecată.
Nu vedem materie întunecată sau energie întunecată. Acești termeni nu sunt nici măcar bine definiți de comunitatea științifică. Sunt mai mult ca stenografia care va rămâne până când vom înțelege ce se întâmplă cu adevărat.
Materia întunecată atrage și energia întunecată respinge. Materia întunecată este cadrul sau fundația pe care sunt construite galaxiile și conținutul lor. Se crede că atracția sa gravitațională ține stelele împreună în galaxii. Gravitația este mai puternică atunci când obiectele sunt mai apropiate și mai slabă când sunt mai îndepărtate.
Pe de altă parte, energia întunecată se referă la forța care determină extinderea Universului, trimițând galaxiile să zboare departe. Pe măsură ce energia întunecată împinge aceste obiecte, gravitația slăbește. Acest lucru sugerează că expansiunea spațiului accelerează mai degrabă decât încetinește din cauza efectelor gravitaționale, așa cum se credea cândva.
„De la sfârșitul anilor 1990, astronomii au devenit convinși că ceva provoacă accelerarea expansiunii universului nostru”, spune profesorul David Wonds de la Universitatea din Portsmouth. - O explicație simplă este aceea că spațiul gol - vidul - are o densitate de energie care este o constantă cosmologică. Cu toate acestea, există tot mai multe dovezi că acest model simplu nu poate explica întreaga gamă de date astronomice la care au acces oamenii de știință. În special, creșterea structurii cosmice, a galaxiilor și a clusterelor de galaxii are loc mai lent decât se aștepta.”
Materia întunecată provoacă ondulații în discul galactic
Dacă privim în spațiu de pe Pământ, vom vedea că stelele se termină brusc la 50.000 de ani lumină de centrul galaxiei noastre. Prin urmare, acesta este sfârșitul galaxiei. Nu vom vedea nimic grav până când ne vom îndepărta cu 15.000 de ani lumină de această graniță, Inelul Monoceros, stelele care se află deasupra planului galaxiei noastre. Unii oameni de știință credeau că aceste stele au fost rupte dintr-o altă galaxie.
Cu toate acestea, o nouă analiză a datelor de la Sloan Digital Sky Survey arată că Inelul Monoceros este în esență parte a galaxiei noastre. Aceasta înseamnă că Calea Lactee este cu cel puțin 50% mai mare decât am crezut - iar diametrul galaxiei noastre crește de la 100.000–120.000 de ani lumină la 150.000–180.000 de ani lumină.
Privind de pe Pământ, nu vedem că acestea sunt conectate din cauza golurilor din discul galactic. Aceste ondulații arată ca niște cercuri concentrice care radiază de unde piatra cade în apă. Valul se ridică și blochează vederea oceanului, lăsând vizibile doar valuri mai înalte. Deci, deși vederea noastră a fost parțial blocată de forma galaxiei noastre, am văzut Inelul Unicorn ca vârful unui val înalt.
Această descoperire ne schimbă înțelegerea structurii Căii Lactee.
„Am descoperit că discul Căii Lactee nu este doar un disc de stele într-un singur plan, ci este ondulat”, spune Heidi Newberg de la Școala de Științe Rensselaer. - Vedem cel puțin patru depresiuni în discul Căii Lactee. Și întrucât aceste patru depresiuni sunt vizibile doar din punctul nostru de vedere, putem presupune că există ondulații similare pe întregul disc al Căii Lactee.”
Oamenii de știință cred că ondulațiile ar putea fi cauzate de o bucată de materie întunecată sau de o galaxie pitică care traversează Calea Lactee. Dacă această teorie se dovedește a fi corectă, depresiunile concentrice ale Căii Lactee îi vor ajuta pe oamenii de știință să analizeze distribuția materiei întunecate în galaxia noastră.
Semnătura cu raze gamma
Până de curând, singurul mod în care oamenii de știință puteau detecta materia întunecată era prin observarea posibilelor sale efecte gravitaționale asupra altor obiecte din spațiu. Cu toate acestea, oamenii de știință cred că razele gamma ar putea fi un indiciu direct că materia întunecată se ascunde în Universul nostru. Este posibil să fi detectat deja prima semnătură de raze gamma în Reticulum 2, o galaxie pitică recent descoperită în apropierea Calei Lactee.
Razele gamma sunt o formă de radiație electromagnetică de înaltă energie emisă din centrele dense ale galaxiilor. Dacă materia întunecată este într-adevăr compusă din WIMP-uri, particulele de materie întunecată ar putea fi sursa razelor gamma produse prin anihilarea reciprocă a WIMP-urilor la contact. Cu toate acestea, razele gamma pot fi emise și de alte surse, cum ar fi găurile negre și pulsarii. Dacă procesul de analiză poate separa unele surse de altele, vom putea obține raze gamma din materia întunecată. Dar aceasta este doar o teorie.
Oamenii de știință cred că cele mai multe galaxii pitice nu au surse importante de raze gamma, care ar putea reprezenta 99%. De aceea, fizicienii de la universitățile Carnegie Mellon, Brown și Cambridge sunt încântați de razele gamma care provin din Reticulum 2.
„Detecția gravitațională a materiei întunecate ne poate spune foarte puțin despre comportamentul particulelor de materie întunecată”, spune Matthew Walker de la Universitatea Carnegie Mellon. „Acum avem o detecție non-gravitațională care demonstrează că materia întunecată se comportă ca o particulă, iar acest lucru este extrem de important.”
Desigur, rămâne posibilitatea ca această radiație gamma să provină din alte surse care nu au fost încă identificate. În același timp cea mai recentă descoperire a nouă galaxii pitice lângă Calea Lactee oferă oamenilor de știință oportunitatea de a explora în continuare această teorie. publicat
Întrebarea despre originea Universului, trecutul și viitorul său a îngrijorat oamenii din timpuri imemoriale. De-a lungul secolelor, teoriile au apărut și au fost infirmate, oferind o imagine a lumii bazată pe date cunoscute. Teoria relativității a lui Einstein a fost un șoc major pentru lumea științifică. Ea a adus, de asemenea, o contribuție uriașă la înțelegerea proceselor care modelează Universul. Cu toate acestea, teoria relativității nu putea pretinde a fi adevărul suprem, nefiind nevoie de adăugiri. Tehnologiile îmbunătățite le-au permis astronomilor să facă descoperiri de neimaginat anterior, care necesitau un nou cadru teoretic sau o extindere semnificativă a prevederilor existente. Un astfel de fenomen este materia întunecată. Dar mai întâi lucrurile.
Lucruri din vremuri trecute
Pentru a înțelege termenul „materie întunecată”, să ne întoarcem la începutul secolului trecut. La acea vreme, ideea dominantă era că Universul era o structură staționară. Între timp, teoria generală a relativității (GTR) a presupus că, mai devreme sau mai târziu, va duce la „lipirea împreună” a tuturor obiectelor din spațiu într-o singură minge, așa-numitul colaps gravitațional ar avea loc. Nu există forțe de respingere între obiectele spațiale. Atracția reciprocă este compensată de forțele centrifuge, creând mișcarea constantă a stelelor, planetelor și altor corpuri. În acest fel, echilibrul sistemului este menținut.
Pentru a preveni prăbușirea teoretică a Universului, Einstein a introdus o constantă cosmologică - o valoare care aduce sistemul în starea staționară necesară, dar în același timp este de fapt fictivă și nu are o bază evidentă.
Univers în expansiune
Calculele și descoperirile lui Friedman și Hubble au arătat că nu era nevoie să se încalce ecuațiile armonioase ale relativității generale folosind o nouă constantă. S-a dovedit, iar astăzi aproape nimeni nu se îndoiește de acest fapt, că Universul se extinde, a avut cândva un început și nu se poate vorbi de staționaritate. Dezvoltarea ulterioară a cosmologiei a dus la apariția teoriei big bang-ului. Principala confirmare a noilor ipoteze este creșterea observată a distanței dintre galaxii în timp. Măsurarea vitezei cu care sistemele cosmice învecinate se îndepărtează unele de altele a condus la formarea ipotezei că materia întunecată și energia întunecată există.
Date incompatibile cu teoria
Fritz Zwicky în 1931, și apoi Jan Oort în 1932 și în anii 1960, s-au angajat în calcularea masei de materie a galaxiilor dintr-un cluster îndepărtat și a relației sale cu viteza de îndepărtare a acestora unele de altele. Din când în când, oamenii de știință au ajuns la aceleași concluzii: această cantitate de materie nu este suficientă pentru ca gravitația pe care o creează pentru a ține împreună galaxiile care se mișcă la viteze atât de mari. Zwicky și Oort au sugerat că există o masă ascunsă, materia întunecată a Universului, care împiedică împrăștierea obiectelor cosmice în direcții diferite.
Cu toate acestea, ipoteza a primit recunoaștere din partea lumii științifice abia în anii șaptezeci, după ce rezultatele muncii lui Vera Rubin au fost anunțate.
Ea a construit curbe de rotație care demonstrează clar dependența vitezei de mișcare a materiei galactice de distanța care o separă de centrul sistemului. Contrar presupunerilor teoretice, s-a dovedit că vitezele stelelor nu scad pe măsură ce se îndepărtează de centrul galactic, ci cresc. Acest comportament al stelelor ar putea fi explicat doar prin prezența unui halou în galaxie, care este umplut cu materie întunecată. Astronomia s-a confruntat astfel cu o parte complet neexplorata a universului.
Proprietăți și compoziție
Acest lucru se numește întuneric deoarece nu poate fi văzut prin niciun mijloc existent. Prezența sa este recunoscută printr-un semn indirect: materia întunecată creează un câmp gravitațional, fără a emite deloc unde electromagnetice.
Cea mai importantă sarcină cu care se confruntă oamenii de știință a fost să obțină un răspuns la întrebarea în ce constă această chestiune. Astrofizicienii au încercat să-l „umple” cu materia barionică obișnuită (materia barionică este formată din protoni, neutroni și electroni mai mult sau mai puțin studiati). Haloul întunecat al galaxiilor includea stele compacte cu emisie slabă de acest tip și planete uriașe apropiate ca masă de Jupiter. Cu toate acestea, astfel de ipoteze nu au rezistat examinării. Materia barionică, familiară și familiară, nu poate juca astfel un rol semnificativ în masa ascunsă a galaxiilor.
Astăzi, fizica este angajată în căutarea unor componente necunoscute. Cercetarea practică a oamenilor de știință se bazează pe teoria supersimetriei microlumilor, conform căreia pentru fiecare particulă cunoscută există o pereche supersimetrică. Acestea sunt cele care alcătuiesc materia întunecată. Cu toate acestea, nu a fost încă posibil să se obțină dovezi ale existenței unor astfel de particule, poate că aceasta este o chestiune de viitor apropiat.
Energie întunecată
Descoperirea unui nou tip de materie nu a pus capăt surprizelor pe care Universul le pregătise oamenilor de știință. În 1998, astrofizicienii au avut o altă șansă de a compara datele teoretice cu faptele. Anul acesta a fost marcat de o explozie într-o galaxie departe de noi.
Astronomii au măsurat distanța până la ea și au fost extrem de surprinși de datele pe care le-au primit: steaua a aprins mult mai departe decât ar fi trebuit să fie conform teoriei existente. S-a dovedit că crește în timp: acum este mult mai mare decât era acum 14 miliarde de ani, când se presupune că s-a întâmplat Big Bang-ul.
După cum știți, pentru a accelera mișcarea unui corp, acesta trebuie să transfere energie. Forța care forțează Universul să se extindă mai repede a ajuns să fie numită energie întunecată. Aceasta nu este o parte mai puțin misterioasă a spațiului decât materia întunecată. Se știe doar că se caracterizează printr-o distribuție uniformă în tot Universul, iar impactul său poate fi înregistrat doar la distanțe cosmice enorme.
Și din nou constanta cosmologică
Energia întunecată a zdruncinat teoria Big Bang. O parte a lumii științifice este sceptică cu privire la posibilitatea unei astfel de substanțe și la accelerarea expansiunii cauzată de aceasta. Unii astrofizicieni încearcă să reînvie constanta cosmologică uitată a lui Einstein, care poate trece din nou de la o greșeală științifică majoră la o ipoteză de lucru. Prezența sa în ecuații creează antigravitație, ceea ce duce la accelerarea expansiunii. Cu toate acestea, unele dintre implicațiile prezenței sunt incompatibile cu datele observaționale.
Astăzi, materia întunecată și energia întunecată, care alcătuiesc cea mai mare parte a materiei din Univers, sunt mistere pentru oamenii de știință. Nu există un răspuns clar la întrebarea despre natura lor. Mai mult, poate că acesta nu este ultimul secret pe care spațiul ni-l ține. Materia întunecată și energia pot fi pragul unor noi descoperiri care ar putea revoluționa înțelegerea noastră asupra structurii Universului.
- Traducere
O civilizație invizibilă poate exista chiar sub nasul tău.
Deși știm că materia obișnuită este responsabilă pentru doar 1/20 din energia Universului și 1/6 din energia transportată de materie (iar restul merge la energia întunecată), considerăm că materia obișnuită este o componentă foarte importantă. Cu excepția cosmologilor, aproape toți oamenii se concentrează pe materia obișnuită, deși din punct de vedere energetic nu este atât de important.
Materia obișnuită ne este mai dragă, desigur, pentru că suntem făcuți din ea - ca întreaga lume tangibilă în care trăim. Dar ne interesează și din cauza varietății bogate a interacțiunilor sale. Interacțiunile materiei obișnuite includ electromagnetice, slabe și puternice - ele ajută materia să formeze sisteme complexe dense. Nu numai stelele, ci și rocile, oceanele, plantele și animalele există datorită forțelor negravitaționale ale naturii responsabile de interacțiuni. Așa cum un petrecăr este mai influențat de alcool decât de celelalte componente ale berii, tot așa materia obișnuită, deși poartă o mică parte din densitatea energetică, se afectează pe sine și împrejurimile sale mult mai vizibil decât ceva pur și simplu care zboară pe lângă el.
Materia vizibilă cu care suntem familiarizați poate fi considerată ca un procent privilegiat - 15%, mai exact - din materie. În afaceri și politică, 1% dintre oameni influențează deciziile și regulile, iar restul de 99% din populație oferă infrastructură și sprijin - întreținerea clădirilor, menținerea orașelor în funcțiune, livrarea alimentelor. La fel, materia obișnuită influențează aproape tot ceea ce observăm, iar materia întunecată, în abundența și ubicuitatea sa, ajută la crearea clusterelor și galaxiilor, asigură formarea stelelor, dar are un efect redus asupra împrejurimilor noastre imediate.
Structurile din apropierea noastră sunt controlate de materia obișnuită. Este responsabil pentru mișcarea corpului nostru, pentru sursele de energie care alimentează economia noastră, pentru ecranul computerului sau hârtia pe care citiți acest lucru și pentru aproape tot ce vă puteți imagina. Dacă ceva interacționează într-un mod care poate fi măsurat, este demn de atenție pentru că va putea influența mediul nostru.
În mod normal, materia întunecată nu are o influență și o structură atât de interesantă. Se presupune că materia întunecată este lipiciul care ține galaxiile și grupurile lor împreună, situate în nori amorfi. Dar ce se întâmplă dacă acesta nu este cazul și doar părtinirea noastră - și ignoranța, rădăcina părtinirii - este cea care provoacă concepția noastră greșită?
În Modelul Standard, există șase tipuri de quarci, trei tipuri de leptoni încărcați (inclusiv electronul), trei tipuri de neutrini, particulele responsabile pentru toate forțele și bosonul Higgs recent descoperit. Dacă lumea materiei întunecate, poate nu atât de diversă, este și ea diversă? În acest caz, interacțiunile materiei întunecate vor fi neglijabile, dar o mică parte din aceasta va interacționa cu forțe care amintesc de forțele materiei obișnuite. Structura bogată și complexă a particulelor și forțelor din modelul standard este responsabilă pentru multe fenomene interesante. Dacă materia întunecată are o componentă de interacțiune, ar putea fi, de asemenea, influentă.
Dacă am fi creaturi făcute din materie întunecată, ar fi greșit să presupunem că toate particulele de materie obișnuită sunt aceleași. Poate că oamenii făcuți din materie obișnuită fac aceeași greșeală. Având în vedere complexitatea fizicii particulelor SM, care descrie cele mai simple componente ale materiei cunoscute de noi, pare ciudat să presupunem că toată materia întunecată constă dintr-un singur tip de particule. De ce să nu presupunem că o parte a acesteia este supusă propriilor interacțiuni?
În acest caz, la fel cum materia obișnuită este alcătuită din diferite tipuri de particule și toate aceste părți constitutive fundamentale interacționează prin diferite combinații de sarcini, materia întunecată va avea, de asemenea, diferite părți constitutive - și cel puțin un tip de astfel de particule va participa la interacțiuni non-gravitaționale. Neutrinii din SM nu sunt afectați de forța electrică sau de interacțiunea puternică, spre deosebire de cele șase tipuri de quarci.
De asemenea, poate că un tip de particule de materie întunecată interacționează slab sau deloc cu nimic altceva decât gravitația, dar aproximativ 5% dintre particule experimentează alte interacțiuni. Pe baza studiului materiei obișnuite, putem spune că această opțiune este mai probabilă decât presupunerea obișnuită a prezenței unei singure particule care interacționează slab.
O greșeală făcută de persoanele implicate în relații publice străine este să pună laolaltă cultura altei țări și să nu țină cont de faptul că aceasta poate conține o diversitate evidentă în propria țară. Așa cum un bun negociator nu ar trebui să presupună că un sector al societății este dominant asupra altuia atunci când încearcă să compare diferite culturi, la fel un om de știință deschis la minte nu ar trebui să presupună că materia întunecată nu este la fel de interesantă ca materia normală și nu are diversitatea de materie similară. la cea a materiei normale ce este în a noastră.
Popularul scriitor de știință Corey Powell, raportând cercetările noastre în revista Discover, a început prin a spune că el este un „șovin al materiei ușoare” – și că și noi toți suntem. El a vrut să spună că noi credem că problema cu care suntem familiarizați este mai importantă și, prin urmare, mai complexă și interesantă. Idei foarte asemănătoare au fost răsturnate de revoluția copernicană. Dar majoritatea oamenilor insistă că punctul lor de vedere și credința în importanța noastră corespunde lumii reale.
Numeroasele componente ale materiei obișnuite interacționează în moduri diferite și influențează lumea în moduri diferite. Deci, se poate ca materia întunecată să aibă particule diferite cu comportament diferit care influențează structura Universului într-un mod măsurabil.
Când am început să studiez materia întunecată care interacționează parțial, am fost surprins că aproape nimeni nu a considerat că presupunerea că numai materia obișnuită prezintă o varietate de tipuri de particule și interacțiuni este o eroare arogantă. Unii fizicieni au încercat să analizeze modele precum „oglindă materie întunecată”, în care materia întunecată repetă tot ceea ce este caracteristic materiei obișnuite. Dar astfel de exemple sunt exotice. Consecințele lor sunt greu de integrat cu ceea ce știm.
Mai mulți fizicieni au studiat mai multe modele de comunicare ale interacțiunilor cu materia întunecată. Dar ei au presupus și că toată materia întunecată este aceeași și este supusă acelorași interacțiuni. Nimeni nu a acceptat simpla posibilitate că, deși majoritatea materiei întunecate nu interacționează cu materia normală, o mică parte din aceasta ar putea.
Unul dintre motivele pentru aceasta este clar. Majoritatea oamenilor cred că noul tip de materie întunecată nu va afecta majoritatea fenomenelor observate, dacă este doar o mică parte din materia întunecată. Nici măcar nu am reușit să observăm cea mai importantă componentă a materiei întunecate și pare prematur să-i studiem mica componentă.
Dar dacă ne amintim că materia obișnuită transferă doar 20% din energia materiei întunecate, în timp ce majoritatea dintre noi doar o observăm, putem înțelege unde este greșită această logică. Materia care interacționează prin forțe negravitaționale mai puternice poate fi de mai mult interes și influență decât materia care interacționează mult mai slab.
Acesta este cazul materiei obișnuite. Este extrem de puternic în ciuda cantității sale mici, deoarece este comprimat în discuri dense din care se pot forma stelele, planetele, Pământul și viața. Componenta încărcată a materiei întunecate - deși poate să nu existe atât de mult - se poate prăbuși și forma discuri, cum ar fi discul vizibil din Calea Lactee. Se poate condensa chiar și în obiecte asemănătoare stelelor. O astfel de structură poate fi observată, în principiu, și poate chiar mai ușor de realizat decât materia întunecată rece obișnuită împrăștiată într-un uriaș halou sferic.
Dacă te gândești la asta, numărul posibilităților crește rapid. La urma urmei, electromagnetismul este doar una dintre numeroasele interacțiuni non-gravitaționale experimentate de particulele modelului standard. Pe lângă forța care leagă electronii de nuclee, particulele SM experimentează interacțiuni nucleare slabe și puternice. În lumea materiei obișnuite, pot exista și alte interacțiuni, dar ele sunt atât de slabe la energiile disponibile pentru noi încât nimeni nu le-a observat încă. Dar chiar și prezența a trei interacțiuni non-gravitaționale sugerează că interacțiunile non-gravitaționale, altele decât electromagnetismul întunecat, pot fi prezente și în sectorul întunecat.
Poate că materia întunecată, pe lângă forțele similare celor electromagnetice, este influențată și de forțele nucleare. Este posibil ca materia întunecată să formeze stele întunecate în care au loc reacții nucleare, având ca rezultat formarea unor structuri care se comportă mai mult ca materie obișnuită decât materia întunecată pe care am descris-o până acum. În acest caz, discul întunecat poate conține stele întunecate înconjurate de planete întunecate formate din atomi întunecați. Materia întunecată poate prezenta aceeași complexitate ca materia normală.
Materia întunecată care interacționează parțial oferă un nutreț bogat pentru speculații și ne inspiră să luăm în considerare posibilități pe care altfel nu le-am lua în considerare. Scriitorii și realizatorii de film pot găsi toate aceste puteri și consecințe suplimentare care pândesc în sectorul întunecat destul de tentante. Ele ar putea chiar sugera existența unei vieți întunecate care există paralel cu a noastră. În acest caz, în loc de creaturile animate obișnuite să se lupte cu alte creaturi animate sau, în cazuri rare, să lucreze cu ele, creaturile din materie întunecată ar putea mărșălui pe ecran și să fure toată acțiunea.
Dar nu ar fi atât de interesant de urmărit. Problema este că realizatorii de film ar avea dificultăți să filmeze viața întunecată care este invizibilă pentru noi. Chiar dacă ar exista creaturi întunecate, nu am ști despre asta. Nu poți ști cât de frumoasă ar putea fi o viață întunecată – și aproape sigur că nu o vei face.
Deși este distractiv să speculezi despre posibilitățile vieții întunecate, este mult mai dificil să-ți dai seama cum să o observi sau chiar să-i detectezi existența indirect. Este destul de dificil să găsim viață formată din aceleași componente ca noi, deși căutarea planetelor extrasolare este în desfășurare. Dar dovezile pentru viața întunecată, dacă există, vor fi chiar mai evazive decât dovezile pentru viața obișnuită pe lumi îndepărtate.
Mai recent, am putut observa unde gravitaționale care emană din găuri negre uriașe. Nu avem practic nicio șansă de a detecta gravitația unei ființe întunecate sau a unei armate de ființe întunecate, indiferent cât de aproape sunt acestea de noi.
În mod ideal, aș dori să comunic cumva cu acest nou sector. Dar dacă această nouă viață nu este supusă forțelor cu care suntem familiarizați, acest lucru nu se va întâmpla. Deși împărtășim gravitația cu ei, o astfel de influență a unui singur obiect sau formă de viață ar fi prea slabă pentru a fi detectată. Numai obiectele foarte mari, cum ar fi un disc în planul Căii Lactee, pot produce efectele observate.
Obiectele întunecate sau viața întunecată pot exista foarte aproape de noi - dar dacă masa totală a materiei întunecate este mică, nu vom ști despre asta. Chiar și cu tehnologia actuală, sau orice tehnologie pe care ne-o putem imagina, pot fi testate doar capacități foarte specifice. „Viața din umbră”, oricât de interesantă ar fi, este puțin probabil să aibă consecințe tangibile și poate fi o posibilitate tentantă, dar evazivă. Dar viața întunecată este o presupunere foarte vagă. Scriitorii de science fiction nu vor avea nicio problemă să o creeze, dar Universul are mult mai multe obstacole în acest sens. Nu este clar care variante de interacțiune chimică sunt capabile să susțină viața și nu știm ce fel de mediu este necesar pentru acele variante care pot face acest lucru.
Cu toate acestea, viața întunecată ar putea exista, în principiu, chiar sub nasul nostru. Dar fără interacțiuni mai puternice cu materia lumii noastre, se poate distra, se poate lupta, fi activ sau pasiv - și nu vom ști niciodată despre asta. Interesant, însă, dacă există interacțiuni în lumea întunecată, legate sau nu de viață, acestea pot influența structura într-un mod măsurabil. Și apoi vom putea afla mult mai multe despre lumea întunecată.
Cea mai mare parte a materiei care alcătuiește Universul este ascunsă în siguranță de ochii noștri.
Când vizualizăm structura unei galaxii în capul nostru, probabil că vedem în fața noastră spirale de stele care se rotesc în golul negru al spațiului. Cu un telescop foarte puternic, am putea vedea de fapt stelele individuale care alcătuiesc brațele galaxiilor spirale, deoarece emit o cantitate suficientă de lumină și alte valuri. De asemenea, am putea „a lua în considerare” regiuni întunecate din interiorul galaxiilor – nori de praf și gaz interstelar care absorb mai degrabă decât emit lumină.
Cu toate acestea, în timpul secolului al XX-lea, astrofizicienii au ajuns treptat la concluzia că imaginile vizibile și familiare ale galaxiilor nu conțin mai mult de 10% din materia conținută de fapt în Univers. Aproximativ 90% din Univers constă din materie, a cărei formă rămâne un mister pentru noi, deoarece nu o putem observa și, în mod colectiv, toată această materie întunecată se numește materie întunecată. (Uneori se vorbește și despre lipsa de masă, dar acest termen nu poate fi numit succes, deoarece într-o astfel de terminologie ar fi probabil mai bine să-l numim exces.) Pentru prima dată, dezvăluiri secrete de acest fel au fost exprimate în 1933 de astronomul elvețian Fritz Zwicky (1898-1974). El a fost cel care a subliniat că grupul de galaxii din constelația Coma Berenices pare să fie ținut împreună de un câmp gravitațional mult mai puternic decât s-ar presupune pe baza masei aparente de materie conținută în acest grup de galaxii, ceea ce înseamnă că majoritatea materia cuprinsă în această regiune a Universului rămâne invizibilă pentru noi.
În anii 1970, Vera Rubin, cercetător la Instituția Carnegie (Washington), a studiat dinamica galaxiilor caracterizate prin viteze mari de rotație în jurul centrului lor - în primul rând, comportamentul materiei la periferia lor. După toți parametrii, mase semnificative ale celui mai ușor gaz interstelar, și anume hidrogen, ai cărui atomi teoretic ar fi trebuit să învăluie galaxia într-o rețea de sateliți microscopici, ar fi trebuit să fie aruncate la periferia galaxiilor care se rotesc rapid, folosind principiul unei centrifuge. . Luați în considerare, ca exemplu, sistemul nostru solar. Volumul său este concentrat în centru (pe Soare); Cu cât o planetă este mai departe de centru, cu atât perioada de revoluție în jurul ei este mai lungă. Jupiter, de exemplu, durează unsprezece ani Pământului pentru a finaliza o revoluție anuală completă în jurul Soarelui, deoarece este situat pe o orbită care este mult mai îndepărtată de Soare și într-un ciclu anual nu numai că parcurge o distanță mai mare, ci și se mișcă. de-a lungul ei mai încet ( cm. legile lui Kepler). În mod similar, dacă toată materia unei galaxii spirale ar fi concentrată în brațele ei, unde observăm stele vizibile, atunci atomii de hidrogen dispersat, respectând cea de-a treia lege a lui Kepler, s-ar mișca din ce în ce mai încet pe măsură ce se îndepărtează de centrul galacticului. masa. Rubin a reușit însă să descopere experimental că la orice distanță de centrul galaxiei, hidrogenul se mișcă cu o viteză constantă. S-ar putea crede că el este „lipit” de o sferă gigantică rotativă făcută dintr-o materie invizibilă.
Acum știm că materia întunecată este prezentă în mod invizibil nu numai în galaxii, ci în întregul Univers, inclusiv în spațiul intergalactic. Ceea ce încă habar nu avem este ea natură. Unele dintre ele se pot dovedi a fi corpuri cerești obișnuite care nu emit propriile radiații, de exemplu, planete masive precum Jupiter. Existența lor este confirmată de rezultatele observării luminozității stelelor din galaxiile din apropiere, unde se observă uneori „scăderi”, care pot fi atribuite eclipselor lor parțiale atunci când planetele mari trec pe calea razelor în drum spre noi. În practică, existența unor corpuri de eclipsare interstelare care nu au propria lor energie de radiație în intervalul observabil poate fi de asemenea considerată confirmată - ele sunt numite „obiecte halo compacte masive”.
Cu toate acestea, majoritatea covârșitoare a oamenilor de știință sunt de acord că masa materiei invizibile a Universului este departe de a fi limitată la masa corpurilor cerești obișnuite și a materiei dispersate ascunse de noi, dar tind să adauge la aceasta masa totală a tipurilor încă nedescoperite. de particule elementare. De obicei sunt numiti particule masive de interacțiune slabă (MWIP). Ele nu se manifestă în niciun fel în interacțiunea cu lumina și alte radiații electromagnetice. Căutarea lor de astăzi este un fel de reînnoire a căutării aparent pierdute de mult timp a „eterului luminifer” ( cm. experimentul Michelson-Morley). Ideea este că, dacă Galaxia noastră este într-adevăr acoperită pe toate părțile cu o înveliș sferică a MChSV, Pământul, datorită mișcării sale, trebuie să se afle constant sub influența „vântului particulelor ascunse” care îl pătrund în același mod. ca și pe vremea cea mai lipsită de vânt o mașină este suflată de curenții de aer care se apropie. Mai devreme sau mai târziu, una dintre particulele unui astfel de „vânt întunecat” va interacționa cu unul dintre atomii pământului și va excita vibrațiile necesare înregistrării sale de către dispozitivul ultrasensibil în care se odihnește. Laboratoarele care efectuează astfel de experimente raportează deja că au primit primele indicii de confirmare a existenței reale a unei fluctuații de șase luni în jumătate de ciclu a frecvenței de înregistrare a semnalelor despre evenimentele anormale ale unei astfel de serii și tocmai acest lucru ar trebui să fie de așteptat, deoarece timp de o jumătate de an Pământul se mișcă pe o orbită circumsolară către vântul particulelor ascunse, iar în următoarele șase luni vântul suflă „pentru a ajunge din urmă” și particulele zboară pe Pământ mai rar.
MES reprezintă un exemplu de ceea ce se numește în mod obișnuit materie întunecată rece, pentru că sunt grele și lente. Se presupune că ele au jucat un rol important în formarea galaxiilor în Universul timpuriu. Unii oameni de știință cred, de asemenea, că cel puțin o parte din materie întunecată se află în starea de particule rapide, care interacționează slab, cum ar fi neutrinii, care sunt un exemplu materie întunecată fierbinte. Problema principală aici este că, înainte de formarea atomilor, adică aproximativ în primii 300.000 de ani după Big Bang, Universul era într-o stare protoplasmatică. Orice nucleu de materie cunoscut pentru noi s-a dezintegrat înainte de a avea timp să se formeze, sub cele mai puternice energii de bombardament din particule supraîncălzite de plasmă fierbinte, super-densă și opacă. După ce Universul s-a extins la un anumit grad de transparență a materiei care separă spațiul, au început în sfârșit să se formeze nuclee atomice ușoare. Dar, din păcate, în acest moment Universul se extinsese deja atât de mult încât forțele de atracție gravitațională nu ar putea contracarează energia cinetică a fragmentelor de împrăștiere ale big bang-ului, iar toată materia, în teorie, s-ar destrăma, împiedicând formarea galaxiilor stabile pe care le observăm. Aceasta a constat din așa-numitele paradoxul galactic, care a pus sub semnul întrebării teoria Big Bang în sine.
Totuși, dacă în întregul spațiu al big bang-ului volumetric materia obișnuită a fost amestecată cu particule ascunse de materie întunecată, după explozie materia întunecată, fiind amestecată cu materie explicită, ar putea servi drept element de reținere. Datorită prezenței unui număr mare de particule grele ascunse, a fost primul care a fost tras laolaltă sub influența forțelor de atracție gravitațională în viitoarele nuclee galactice, care s-au dovedit a fi stabile din cauza lipsei de interacțiune dintre MFSW și puternica radiație centripetă de energie a exploziei. Astfel, în momentul în care s-au format nucleele atomice, materia întunecată se formase deja în galaxii și grupuri de galaxii, iar elementele eliberate ale materiei obișnuite au început să se adune asupra lor sub influența câmpului gravitațional. În acest model, materia obișnuită a fost atrasă spre aglomerări de materie întunecată, precum frunzele uscate trase în vârtejuri de pe suprafața întunecată a unui râu rapid. Este ceva la care să te gândești, nu-i așa? Nu numai noi, ci întreaga noastră galaxie și întreaga lume materială vizibilă s-ar putea dovedi a fi doar spumă pe suprafața unui ciudat joc universal de-a v-ați ascunselea.
Vera Cooper Rubin, n. 1928
astronom american. Născut în Philadelphia. Ea și-a primit studiile și doctoratul de la Universitatea Georgetown (Statul Washington, SUA). Din 1954, lucrează la Carnegie Institution, Washington, studiind structura galaxiilor, în primul rând a celor spiralate și, mai ales, structura și mișcarea brațelor acestora. Ea a fost cea care a descoperit că viteza de rotație a norilor de gaz extinse în brațele galaxiilor spirale nu scade odată cu distanța față de centru, ci, dimpotrivă, crește, iar aceasta ne oferă prima confirmare convingătoare a existenței materiei întunecate. în galaxii individuale.
O construcție teoretică în fizică numită Modelul Standard descrie interacțiunile tuturor particulelor elementare cunoscute științei. Dar aceasta este doar 5% din materia existentă în Univers, restul de 95% este de natură complet necunoscută. Ce este această materie întunecată ipotetică și cum încearcă oamenii de știință să o detecteze? Hayk Hakobyan, student MIPT și angajat al Departamentului de Fizică și Astrofizică, vorbește despre acest lucru ca parte a unui proiect special.
Modelul standard al particulelor elementare, confirmat în cele din urmă după descoperirea bosonului Higgs, descrie interacțiunile fundamentale (electroslab și puternic) ale particulelor obișnuite pe care le cunoaștem: leptoni, quarci și purtători de forță (bosoni și gluoni). Cu toate acestea, se dovedește că toată această teorie complexă uriașă descrie doar aproximativ 5-6% din toată materia, în timp ce restul nu se încadrează în acest model. Observațiile din primele momente ale Universului nostru ne arată că aproximativ 95% din materia care ne înconjoară este de o natură complet necunoscută. Cu alte cuvinte, vedem indirect prezența acestei materii ascunse datorită influenței sale gravitaționale, dar încă nu am reușit să o captăm direct. Acest fenomen de masă ascuns poartă numele de cod „materie întunecată”.
Știința modernă, în special cosmologia, funcționează după metoda deductivă a lui Sherlock Holmes
Acum, principalul candidat din grupul WISP este axionul, care apare în teoria interacțiunii puternice și are o masă foarte mică. O astfel de particulă este capabilă să se transforme într-o pereche foton-foton în câmpuri magnetice ridicate, ceea ce oferă indicii despre cum s-ar putea încerca să o detecteze. Experimentul ADMX folosește camere mari care creează un câmp magnetic de 80.000 gauss (adică de 100.000 de ori câmpul magnetic al Pământului). În teorie, un astfel de câmp ar trebui să stimuleze dezintegrarea unui axion într-o pereche foton-foton, pe care detectorii ar trebui să o prindă. În ciuda numeroaselor încercări, nu a fost încă posibil să se detecteze WIMP, axioni sau neutrini sterili.
Astfel, am parcurs un număr imens de ipoteze diferite căutând să explicăm prezența ciudată a masei ascunse și, după ce am respins toate imposibilitățile cu ajutorul observațiilor, am ajuns la câteva ipoteze posibile cu care putem deja să lucrăm.
Un rezultat negativ în știință este, de asemenea, un rezultat, deoarece oferă restricții asupra diferiților parametri ai particulelor, de exemplu, elimină gama de mase posibile. De la an la an, din ce în ce mai multe observații și experimente noi în acceleratoare oferă restricții noi și mai stricte asupra masei și altor parametri ai particulelor de materie întunecată. Astfel, aruncând toate opțiunile imposibile și îngustând cercul căutărilor, pe zi ce trece suntem din ce în ce mai aproape de a înțelege în ce constă 95% din materia din Universul nostru.
