Какво е черната материя? теория на тъмната материя

2024 Автор: Henry Conors | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-12 04:06

Кое дойде първо: яйцето или пилето? Учени от цял свят се борят с този прост въпрос от десетилетия. Подобен въпрос възниква и за това, което е било в самото начало, в момента на създаването на Вселената. Но беше ли това творение, или вселените са циклични или безкрайни? Какво е черното вещество в космоса и как се различава от бялото? Като оставим настрана различните видове религия, нека се опитаме да подходим към отговорите на тези въпроси от научна гледна точка. През последните няколко години учените успяха да направят немислимото. Вероятно за първи път в историята изчисленията на физиците-теоретици се съгласиха с изчисленията на експерименталните физици. През годините на научната общност бяха представени няколко различни теории. Повече или по-малко точно, по емпиричен начин, понякога квазинаучно, теоретично изчислените данни все пак бяха потвърдени от експерименти, някои дори със закъснение от повече от дузина години (например бозонът на Хигс).

Тъмна материя - черна енергия

Има много такива теории, например: теория на струните, теория на Големия взрив, теория на цикличната вселена, теория на паралелната вселена, модифицирана нютонова динамика (MOND), F. Хойл и др. В момента обаче теорията за непрекъснато разширяваща се и развиваща се Вселена се счита за общоприета, чиито тези се вписват добре в рамките на концепцията за Големия взрив. В същото време квазиемпирично (т.е. емпирично, но с големи допуски и въз основа на съществуващите съвременни теории за структурата на микрокосмоса) бяха получени данни, че всички известни ни микрочастици съставляват само 4,02% от общия обем на целият състав на Вселената. Това е така нареченият "барионен коктейл" или барионна материя. Въпреки това, по-голямата част от нашата Вселена (повече от 95%) са вещества с различен план, различен състав и свойства. Това е така наречената черна материя и черна енергия. Те се държат различно: реагират различно на различни видове реакции, не са фиксирани със съществуващи технически средства и проявяват неизследвани досега свойства. От това можем да заключим, че или тези вещества се подчиняват на други закони на физиката (ненютонова физика, словесен аналог на неевклидовата геометрия), или нашето ниво на развитие на науката и технологиите е едва в началния етап на своето формиране.

Какво са бариони?

Според настоящия кварк-глюонен модел на силни взаимодействия има само шестнадесет елементарни частици (и неотдавнашното откритие на Хигс бозона потвърждава това): шест типа (вкуса) кварки, осем глуона и два бозона. Барионите са тежки елементарни частици със силно взаимодействие. Най-известните от тях са кварките, протоните и неутроните. Семейства от такива вещества, които се различават повъртене, маси, техният "цвят", както и числата на "очарованието", "странността", са именно градивните елементи на това, което наричаме барионна материя. Черната (тъмна) материя, която съставлява 21,8% от общия състав на Вселената, се състои от други частици, които не излъчват електромагнитно излъчване и не реагират с него по никакъв начин. Следователно, поне за директно наблюдение и още повече за регистриране на такива вещества, е необходимо първо да разберете тяхната физика и да се споразумеете за законите, на които те се подчиняват. Много съвременни учени в момента правят това в изследователски институти по целия свят.

Най-вероятната опция

Какви вещества се считат за възможни? Като начало трябва да се отбележи, че има само два възможни варианта. Според GR и SRT (Обща и специална теория на относителността), по отношение на състава, това вещество може да бъде както барионна, така и небарионна тъмна материя (черна). Според основната теория на Големия взрив всяка съществуваща материя е представена под формата на бариони. Тази теза е доказана с изключително висока точност. Понастоящем учените са се научили да улавят частици, образувани минута след избухването на сингулярността, тоест след експлозията на свръхплътно състояние на материята, с телесна маса, стремяща се към безкрайност, а размерите на тялото клонят към нула. Сценарият с барионни частици е най-вероятният, тъй като именно от тях се състои нашата Вселена и чрез тях продължава своето разширяване. черна материя,според това предположение, той се състои от основни частици, общоприети от Нютоновата физика, но по някаква причина слабо взаимодействащи по електромагнитен начин. Ето защо детекторите не ги засичат.

Не върви толкова гладко

Този сценарий е подходящ за много учени, но все още има повече въпроси, отколкото отговори. Ако и черното, и бялото вещество са представени само от бариони, тогава концентрацията на леките бариони като процент от тежките, в резултат на първичен нуклеосинтез, трябва да бъде различна в първоначалните астрономически обекти на Вселената. И експериментално, наличието в нашата галактика на равновесен достатъчен брой големи гравитационни обекти, като черни дупки или неутронни звезди, не е разкрито, за да балансира масата на ореола на нашия Млечен път. Въпреки това, едни и същи неутронни звезди, тъмни галактически ореоли, черни дупки, бели, черни и кафяви джуджета (звезди в различни етапи от техния жизнен цикъл) най-вероятно са част от тъмната материя, от която е изградена тъмната материя. Черната енергия също може да допълни тяхното запълване, включително предсказани хипотетични обекти като преон, кварк и Q звезди.

Небарионни кандидати

Вторият сценарий предполага небарионен произход. Тук няколко вида частици могат да действат като кандидати. Например леки неутрино, чието съществуване вече е доказано от учени. Въпреки това, тяхната маса, от порядъка на една стотна към еднодесетхилядната eV (електрон-волт), на практика ги изключва от възможни частици поради непостижимостта на необходимата критична плътност. Но тежките неутрино, сдвоени с тежки лептони, практически не се проявяват в слаби взаимодействия при нормални условия. Такива неутрино се наричат стерилни; с тяхната максимална маса до една десета от eV, те са по-склонни да бъдат кандидати за частици тъмна материя. Аксионите и космионите са изкуствено въведени във физическите уравнения за решаване на проблеми в квантовата хромодинамика и в стандартния модел. Заедно с друга стабилна суперсиметрична частица (SUSY-LSP), те могат да се квалифицират като кандидати, тъй като не участват в електромагнитни и силни взаимодействия. Въпреки това, за разлика от неутрино, те все още са хипотетични, тяхното съществуване все още трябва да бъде доказано.

Теория на черната материя

Липсата на маса във Вселената поражда различни теории по този въпрос, някои от които са доста последователни. Например теорията, че обикновената гравитация не е в състояние да обясни странното и прекомерно бързо въртене на звездите в спиралните галактики. При такива скорости те просто биха излетяли от него, ако не беше някаква задържаща сила, която все още не е възможно да се регистрира. Други теории на теорията обясняват невъзможността за получаване на WIMPs (масивни електрослабо взаимодействащи частици-партньори на елементарни субчастици, суперсиметрични и свръхтежки - тоест идеални кандидати) в земни условия, тъй като те живеят в n-измерение, което е различно от нашите три- размерен. Според теорията на Калуза-Клайн, такива измервания не са достъпни за нас.

Смяна на звезди

Друга теория описва как променливите звезди и черната материя взаимодействат помежду си. Яркостта на такава звезда може да се промени не само поради метафизични процеси, протичащи вътре (пулсация, хромосферна активност, изхвърляне на изпъкналост, преливания и затъмнения в двоични звездни системи, експлозия на свръхнова), но и поради аномалните свойства на тъмната материя.

WARP устройство

Според една теория тъмната материя може да се използва като гориво за подкосмически двигатели на космически кораби, работещи по хипотетичната WARP технология (WARP Engine). Потенциално такива двигатели позволяват на кораба да се движи със скорост, надвишаваща скоростта на светлината. Теоретично те са в състояние да огъват пространството пред и зад кораба и да го движат в него дори по-бързо, отколкото електромагнитната вълна ускорява във вакуум. Самият кораб не ускорява локално - само пространственото поле пред него е огънато. Много фантастични истории използват тази технология, като сагата Star Trek.

Растеж в земни условия

Опитите за генериране и получаване на черна материя на земята все още не са успешни. В момента се провеждат експерименти на LHC (Голям Андронов колайдер), точно там, където за първи път е регистриран Хигс бозонът, както и на други, по-малко мощни, включително линейни колайдери в търсене настабилни, но електромагнитно слабо взаимодействащи партньори на елементарни частици. Все още обаче не са получени нито фотино, нито гравитино, нито хигсино, нито снеутрино (неутралино), нито други WIMP. Според предварителна предпазлива оценка на учените, за да се получи един милиграм тъмна материя в земни условия, е необходим еквивалентът на енергията, консумирана в Съединените щати през годината.