Co to jest czarna materia? teoria ciemnej materii

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-02-12 11:45

Co było pierwsze: jajko czy kurczak? Naukowcy na całym świecie od dziesięcioleci zmagają się z tym prostym pytaniem. Powstaje podobne pytanie o to, co było na samym początku, w momencie powstania Wszechświata. Ale czy to było to stworzenie, czy też wszechświaty są cykliczne lub nieskończone? Czym jest czarna materia w kosmosie i czym różni się od istoty białej? Odrzucając różne rodzaje religii, spróbujmy podejść do odpowiedzi na te pytania z naukowego punktu widzenia. W ciągu ostatnich kilku lat naukowcom udało się dokonać rzeczy nie do pomyślenia. Prawdopodobnie po raz pierwszy w historii obliczenia fizyków teoretycznych zgadzały się z obliczeniami fizyków eksperymentalnych. Kilka różnych teorii zostało przedstawionych społeczności naukowej na przestrzeni lat. Mniej lub bardziej dokładnie, w sposób empiryczny, czasem quasi-naukowy, jednak teoretyczne wyliczone dane zostały jednak potwierdzone eksperymentami, niektóre nawet z kilkunastoletnim opóźnieniem (na przykład bozon Higgsa).

Ciemna materia - czarna energia

Istnieje wiele takich teorii, na przykład: teoria strun, teoria wielkiego wybuchu, teoria cyklicznych wszechświatów, teoria wszechświatów równoległych, zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND), F. Hoyle i inni. Jednak obecnie powszechnie przyjmuje się teorię stale rozszerzającego się i ewoluującego Wszechświata, której tezy dobrze wpisują się w ramy koncepcji Wielkiego Wybuchu. Jednocześnie quasi-empirycznie (tj. empirycznie, ale z dużymi tolerancjami i w oparciu o istniejące współczesne teorie budowy mikrokosmosu) uzyskano dane, że wszystkie znane nam mikrocząstki stanowią zaledwie 4,02% całkowitej objętości całą kompozycję Wszechświata. Jest to tak zwany „koktajl barionowy”, czyli materia barionowa. Jednak większość naszego Wszechświata (ponad 95%) to substancje o innym planie, innym składzie i właściwościach. Jest to tak zwana czarna materia i czarna energia. Zachowują się inaczej: inaczej reagują na różnego rodzaju reakcje, nie są utrwalane istniejącymi środkami technicznymi i wykazują niezbadane wcześniej właściwości. Z tego możemy wywnioskować, że albo te substancje są zgodne z innymi prawami fizyki (fizyka nienewtonowska, werbalny odpowiednik geometrii nieeuklidesowej), albo nasz poziom rozwoju nauki i techniki jest dopiero na początkowym etapie jej powstawania.

Co to są bariony?

Według obecnego modelu oddziaływań silnych kwarkowo-gluonowych, istnieje tylko szesnaście cząstek elementarnych (a ostatnie odkrycie bozonu Higgsa to potwierdza): sześć typów (smaków) kwarków, osiem gluonów i dwa bozony. Bariony to ciężkie cząstki elementarne o silnym oddziaływaniu. Najbardziej znane z nich to kwarki, proton i neutron. Rodziny takich substancji, różniące się między sobąspin, masy, ich „kolor”, a także liczby „zaczarowania”, „dziwności” są właśnie budulcem tego, co nazywamy materią barionową. Czarna (ciemna) materia, która stanowi 21,8% całkowitego składu Wszechświata, składa się z innych cząstek, które nie emitują promieniowania elektromagnetycznego i nie reagują z nim w żaden sposób. Dlatego przynajmniej do bezpośredniej obserwacji, a tym bardziej do rejestracji takich substancji, konieczne jest najpierw zrozumienie ich fizyki i uzgodnienie praw, których przestrzegają. Wielu współczesnych naukowców robi to obecnie w instytutach badawczych na całym świecie.

Najbardziej prawdopodobna opcja

Jakie substancje są uważane za możliwe? Na początek należy zauważyć, że istnieją tylko dwie możliwe opcje. Według GR i SRT (General and Special Relativity) pod względem składu substancja ta może być zarówno ciemną materią barionową, jak i niebarionową (czarną). Zgodnie z główną teorią Wielkiego Wybuchu każda istniejąca materia jest reprezentowana w postaci barionów. Teza ta została udowodniona z niezwykle dużą dokładnością. Obecnie naukowcy nauczyli się wychwytywać cząstki powstałe minutę po wybuchu osobliwości, to znaczy po eksplozji supergęstego stanu materii, przy czym masa ciała dąży do nieskończoności, a wymiary ciała do zera. Scenariusz z cząstkami barionowymi jest najbardziej prawdopodobny, gdyż to z nich składa się nasz Wszechświat i za ich pośrednictwem kontynuuje swoją ekspansję. czarna materia,zgodnie z tym założeniem składa się z podstawowych cząstek ogólnie przyjętych przez fizykę newtonowską, ale z jakiegoś powodu słabo oddziałujących w sposób elektromagnetyczny. Dlatego detektory ich nie wykrywają.

Nie idzie tak gładko

Ten scenariusz odpowiada wielu naukowcom, ale wciąż jest więcej pytań niż odpowiedzi. Jeżeli zarówno czarna, jak i biała materia reprezentowana jest tylko przez bariony, to koncentracja lekkich barionów w procentach ciężkich, w wyniku pierwotnej nukleosyntezy, powinna być inna w początkowych obiektach astronomicznych Wszechświata. A eksperymentalnie nie odkryto, że w naszej galaktyce jest w równowadze wystarczająca liczba dużych obiektów grawitacyjnych, takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe, aby zrównoważyć masę halo naszej Drogi Mlecznej. Jednak te same gwiazdy neutronowe, ciemne halo galaktyczne, czarne dziury, białe, czarne i brązowe karły (gwiazdy na różnych etapach swojego cyklu życia) najprawdopodobniej są częścią ciemnej materii, z której zbudowana jest ciemna materia. Czarna energia może również uzupełniać ich wypełnienie, w tym przewidywane hipotetyczne obiekty, takie jak preon, kwark i gwiazdy Q.

Kandydaci niebarionowi

Drugi scenariusz sugeruje pochodzenie niebarionowe. Tutaj kilka rodzajów cząstek może pełnić rolę kandydatów. Na przykład neutrina świetlne, których istnienie zostało już udowodnione przez naukowców. Jednak ich masa, rzędu setnych do jednegodziesięciotysięczne eV (elektron-wolt), praktycznie wyklucza je z możliwych cząstek z powodu nieosiągalności niezbędnej gęstości krytycznej. Jednak ciężkie neutrina w połączeniu z ciężkimi leptonami praktycznie w normalnych warunkach nie przejawiają się w słabych oddziaływaniach. Takie neutrina nazywane są sterylnymi, a przy maksymalnej masie do jednej dziesiątej eV są bardziej kandydatami na cząstki ciemnej materii. Aksiony i kosmiony zostały sztucznie wprowadzone do równań fizycznych w celu rozwiązania problemów chromodynamiki kwantowej i modelu standardowego. Razem z inną stabilną cząstką supersymetryczną (SUSY-LSP) mogą kwalifikować się jako kandydaci, ponieważ nie uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych i silnych. Jednak w przeciwieństwie do neutrin, są one nadal hipotetyczne, ich istnienie wciąż wymaga udowodnienia.

Teoria czarnej materii

Brak masy we Wszechświecie daje początek różnym teoriom na ten temat, z których niektóre są całkiem spójne. Na przykład teoria, że zwykła grawitacja nie jest w stanie wyjaśnić dziwnej i niesamowicie szybkiej rotacji gwiazd w galaktykach spiralnych. Przy takich prędkościach po prostu by z niego wyleciały, gdyby nie jakiś rodzaj siły trzymającej, której nie można jeszcze zarejestrować. Inne tezy teorii wyjaśniają niemożność uzyskania WIMP (masywnych elektrosłabo oddziałujących cząstek-partnerów podcząstek elementarnych, supersymetrycznych i superciężkich - czyli idealnych kandydatów) w warunkach ziemskich, ponieważ żyją one w wymiarze n, który różni się od naszego trzy- wymiarowy. Zgodnie z teorią Kaluzy-Kleina takie pomiary nie są dla nas dostępne.

Zmieniające się gwiazdki

Inna teoria opisuje interakcje między gwiazdami zmiennymi i czarną materią. Jasność takiej gwiazdy może się zmieniać nie tylko z powodu procesów metafizycznych zachodzących wewnątrz (pulsacja, aktywność chromosfery, wyrzucanie protuberancji, rozlania i zaćmienia w układach podwójnych gwiazd, wybuch supernowej), ale także z powodu anomalnych właściwości ciemnej materii.

Napęd WARP

Według jednej z teorii ciemna materia może być wykorzystywana jako paliwo do silników podprzestrzennych statków kosmicznych działających w hipotetycznej technologii WARP (SILNIK WARP). Potencjalnie takie silniki pozwalają statkowi poruszać się z prędkościami przekraczającymi prędkość światła. Teoretycznie są w stanie zagiąć przestrzeń przed i za statkiem i przesunąć ją w niej nawet szybciej niż fala elektromagnetyczna rozpędzona w próżni. Sam statek nie rozpędza się lokalnie - tylko pole przestrzenne przed nim jest wygięte. Wiele opowieści fantasy korzysta z tej technologii, na przykład saga Star Trek.

Wzrost w warunkach lądowych

Próby wygenerowania i uzyskania czarnej materii na Ziemi nie zakończyły się jeszcze sukcesem. Obecnie prowadzone są eksperymenty w LHC (Large Andron Collider), dokładnie tam, gdzie po raz pierwszy zarejestrowano bozon Higgsa, a także w innych, słabszych, w tym liniowych zderzaczach w poszukiwaniustabilni, ale słabo oddziałujący elektromagnetycznie partnerzy cząstek elementarnych. Jednak nie uzyskano jeszcze ani photino, ani gravitino, ani higsino, ani sneutrino (neutralino), ani innych WIMP. Według wstępnych ostrożnych szacunków naukowców, aby uzyskać jeden miligram ciemnej materii w warunkach ziemskich, potrzebny jest odpowiednik energii zużywanej w Stanach Zjednoczonych w ciągu roku.