Темная Материя во Вселенной - ABCD42.RU

Темная Материя во Вселенной

Темная материя — «инопланетяне» для астрофизиков?

При всем нашем понимании законов физики и успехах Стандартной модели и общей теории относительности, во Вселенной есть ряд наблюдаемых явлений, которые не получается объяснить. Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами. Хотя мы постепенно открываем для себя космос, мы до сих пор не знаем всего. Например, мы знаем, что темная материя существует, но не знаем, каковы ее свойства. Значит ли это, что мы должны приписывать проявлениям темной материи все неизвестные эффекты?

Вселенная полна загадок, начиная от звездообразования и заканчивая высокоэнергетическими космическими лучами

Загадок на тему темной материи столько же, сколько и доказательств ее существования. Но винить темную материю во всех загадочных проявлениях космоса не только близоруко, но и неправильно. Так бывает, когда у ученых иссякают хорошие идеи.

Две яркие большие галактики в центре скопления Кома, каждая больше миллиона световых лет в размерах. Галактики на окраинах указывают на существование большого ореола темной материи по всему скоплению

Что такое темная материя

Темная материя имеется во Вселенной повсюду. Впервые к ней обратились в 1930-х годах, чтобы объяснить быстрое движение отдельных галактик в галактических скоплениях. Произошло это потому, что всей обычной материи — вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, — недостаточно, чтобы объяснить общее количество гравитации. Сюда входят звезды, планеты, газ, пыль, межзвездная и межгалактическая плазма, черные дыры и все остальное, что мы можем измерить. Линии доказательств, поддерживающих темную материю, многочисленны и убедительны, как отмечает физик Итан Зигель.

Темная материя необходима для объяснения:

  • вращательных свойств отдельных галактик,
  • формирования галактик разных размеров, от гигантских эллиптических до галактик размером с Млечный Путь и крошечных карликовых галактик рядом с нами,
  • взаимодействия между парами галактик,
  • свойств скоплений галактик и галактических скоплений на больших масштабах,
  • космической сети, включая ее нитевидную структуру,
  • спектр флуктуаций космического микроволнового фона,
  • наблюдаемые эффекты гравитационного линзирования далеких масс,
  • наблюдаемое разделение между эффектами гравитации и присутствием обычной материи в столкновениях галактических скоплений.

И в небольших масштабах отдельных галактик, и в масштабах всей Вселенной темная материя необходима.

Где находится темная материя

Если поместить все это в контекст остальной космологии, мы считаем, что каждая галактика, включая нашу собственную, содержит массивное диффузное гало темной материи, окружающее ее. В отличие от звезд, газа и пыли в нашей галактике, которые находятся по большей части в диске, гало темной материи должно быть сферическим, поскольку в отличие от обычной (на основе атомов) материи, темная материя не «сплющивается», когда вы сжимаете ее. Также темная материя должна быть плотнее у галактического центра и простираться в десять раз дальше, чем звезды самой галактики. Наконец, должны быть небольшие комки темной материи в каждом гало.

Чтобы воспроизвести полный набор наблюдений, перечисленных выше, а также другие, темная материя не должна обладать никаким свойствами, кроме следующих: она должна иметь массу; она должна взаимодействовать гравитационно; она должна медленно двигаться относительности скорости света; она не должна сильно взаимодействовать посредством других сил. Всё. Любые другие взаимодействия сильно ограничиваются, но не исключаются.

Почему же всякий раз, когда производится астрофизическое наблюдение с избытком обычной частицы определенного типа — фотонов, позитронов, антипротонов — люди первым делом говорят о темной материи?

Как узнать темную материю

В начале этой недели команда ученых, изучающая источники гамма-излучения вокруг пульсаров, опубликовала свои результаты в Science. В своей работе они попытались лучше понять, откуда взялся наблюдаемый нами избыток позитронов. Позитроны, антиподы электронов, обычно рождаются несколькими способами: при разгоне обычных частиц до достаточно высоких энергий, при столкновении с другими частицами вещества и с производством электрон-позитронных пар по формуле Эйнштейна E = mc 2 . Мы создаем такие пары в ходе физических экспериментов и можем наблюдать создание позитрона астрофизически, как напрямую, при поисках космических лучей, так и косвенно, при поиске энергетической сигнатуры электрон-позитронной аннигиляции.

Эти астрофизические позитронные сигнатуры встречаются вблизи галактического центра, ориентированные на точечные источники, такие как микроквазары и пульсары, расположенные в загадочном регионе нашей галактике, известном как Великий Аннигилятор, и в части диффузного фона, происхождение которого неизвестно. Одно известно наверняка: мы видим больше позитронов, чем ожидаем увидеть. И об этом известно давно. PAMELA это измерила, «Ферми» это измерил, AMS на борту МКС это измерил. Совсем недавно обсерватория HAWC измерила чрезвычайно высокоэнергетические, ТэВ-уровня гамма-лучи и показала, что это сильно разогнанные частицы, поступающие от пульсаров среднего уровня. Но, к сожалению, этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый излишек позитронов.

По какой-то причине с каждым измерением излишка позитронов, с каждым наблюдением астрофизического источника, который его не объясняет, нарратив перетекает в «мы не можем его объяснить, поэтому виновата темная материя». И это плохо, потому что есть много возможных астрофизических источников, не требующих ничего экзотического, например:

  • вторичное производство позитронов и гамма-лучей другими частицами,
  • микроквазары или что-то еще, кормящее черные дыры,
  • очень юные или очень старые пульсары, магнетары,
  • останки сверхновых.

Этот список не окончательный, но представляющий несколько примеров того, что могло бы создавать этот излишек.

Чем опасна темная материя

Многие работающие в этой области делают выбор в пользу темной материи, потому что будет прорывом, если темная материя уничтожает и производит гамма-лучи и частицы обычной материи. Это был бы сценарий мечты для астрофизиков-охотников за темной материей. Но принятие желаемого за действительное никогда не приводило к крупным открытиям. И хотя темная материя чаще всего представляется объяснением излишка позитронов, это не более вероятно, чем инопланетяне, объясняющие звезду Табби.

Обратившись за объяснениями к Бренде Дингус, главному исследователю HAWC, Итан Зигель получил следующий комментарий:

«Несомненно, есть и другие источники позитронов. Но позитроны не уходят далеко от своих источников, и поблизости не так-то много источников. Два лучших кандидата были обнаружены HAWC, и теперь мы знаем количество позитронов, которые они производят. Мы также знаем, как эти позитроны диффундируют от своих источников; медленнее, чем ожидалось. Хотя мы подтвердили источники позитронов поблизости, мы открыли, что позитроны очень медленно уходят от места своего происхождения, а значит не создают излишек позитронов на Земле. Исключая одну возможность, мы делаем другие возможности более вероятными. Впрочем, это не значит, что позитроны ДОЛЖНЫ исходить из темной материи. Мы не подразумеваем это».

Весьма замечательно, что позитроны в данных HAWC объясняют только 1% позитронов, наблюдаемых в других экспериментах, указывая на что-то еще в качестве виновника торжества. Когда производится наблюдение, расходящееся с нашими традиционными идеями, как с излишком астрофизических позитронов, не стоит исключать, что в деле может быть замешана темная материя. Но намного более вероятно, что другие астрофизические процессы объясняют эти эффекты. Когда в науке появляется загадка, все хотят революции, но чаще всего получают нечто заурядное.

Темная материя и темная энергия

Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!

Состав Вселенной

Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

Материалы по теме

Крупномасштабная структура Вселенной

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Сгустки размером с галактику

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Подходы и методы исследования частиц темной материи

Из чего состоит Вселенная

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Материалы по теме

Эволюция Вселенной: от начала до наших времен

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Читайте также  Развитие психики и сознания

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Распределение энергии во Вселенной

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Распределение масс во Вселенной

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского. В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.

Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Давайте узнаем про все это подробнее …

Темная материя и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Однако это еще не все.

Как известно, Вселенная состоит из нескольких миллиардов галактик, где существует самая разная материя. Возможно ли, чтобы какая-то из этих материй была невидима глазу. Скорее всего, поскольку результаты недавно проведенных исследований показали, что мы можем видеть лишь десятую часть Вселенной. Значит, более 90% материи человек просто не способен рассмотреть даже с использованием специального оборудования. Астрономы называют такую материю темной.

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.

Доказательством существования темной материи является ее тяжесть – сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной. Все части Вселенной взаимно притягиваются друг к другу. Благодаря этому ученые смогли рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов был выявлен существенный дисбаланс в этих параметрах, что дало основание полагать, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.

Изучение темной материиКроме того, доказательством существования темной материи стало ее гравитационное влияние на другие объекты, в том числе на траекторию движения звезд и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации А. Эйнштйна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.

Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Было исследован феномен гравитационного линзирования, который состоит в том, что плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, меняя траекторию световых потоков. Это приводит к искажению изображения и возникновению миражей звезд и галактик. Ученые фиксируют эти световые изгибы, но не могут назвать природу этого явления.

Темная материя в нашей Вселенной может существовать в виде массивных астрономический гало-объектов (МАГО). К ним относятся планеты, луны, коричневые и белые карлики, пылевые облака, нейтронные звезды и черные дыры. Как правило, они слишком малы, чтобы их свет был обнаружен человеком, однако их существование может быть вычислено через гравитационное воздействие на световые потоки. В последние годы астрономы обнаружили несколько типов МАГО-объектов. Они могут состоять как из обычных барионных частиц, так и аксинов, нейтринов, вимпилов и суперсимметричной темной материи.

Исследование темной материи и темной энергии
Поскольку интерес к темной материи продолжает расти, появляются новые инструменты, помогающие в получении более обширных представлений об этом таинственном феномене. Так, космический телескоп Хаббл предоставил весьма ценную информацию о размере и массе видимой Вселенной. Эти данные стали первым и очень важным шагом на пути к изучению истинного количество темной материи во Вселенной.

Важно понимать, что устройство Вселенной не является случайным, и с помощью Хаббла можно детально представить ее структуру. Доподлинно известно, что галактики располагаются в кластерах, а эти кластеры — в суперкластерах. Сверхскопления космических тел находятся в губчатой структуре с обширными пустотами. Очевидно, формирование такой структуры обусловлено весьма конкретными причинами. Рентгеновские телескопы, которые имеются в обсерватории Чандра, помогают в изучении огромных облаков горячего газа в этих скоплениях. Ученые выяснили, что в этих областях должна присутствовать и темная материя, иначе газ будет утекать из кластера. Кроме того, в данный момент ведется разработка новых инструментов, которые, в конце концов, помогут разглядеть эту темную сторону Вселенной.

Читайте также  Черная металлургия мира

Подходы и методы исследования частиц темной материи

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Что такое темная материя и зачем она нужна людям

Темная материя — самая загадочная тема современной астрофизики. Астрофизик, журналист и автор блога «Популярная наука» в «Яндекс. Дзен» Александр Дементьев объясняет, что это такое и зачем ее изучать

По оценкам международной группы ученых, 80% вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть состоит неизвестно из чего. И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже большие, чем изобретение электричества.

Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.

Что такое темная материя

Темная материя — вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.

Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?

Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.

Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т.п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.

Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезды. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.

Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:

15% массы приходится на горячий газ;

5% — на светящуюся видимую материю;

оставшиеся 80% приходятся на темную материю.

Каковы доказательства, что темная материя существует

Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.

Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем должны при условии, что темной материи не существует.

Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.

Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.

Почему открытие темной материи важно для человечества

Темная материя давно перестала быть локальной проблемой отдельной науки. Узнав ее природу, мы гораздо лучше поймем, как устроен наш мир и, возможно, получим доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.

В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание, какая красивая цифра — 1888!). За этим последовал шквал открытий. Ученые узнали, как устроен атом, открыли, что существуют галактики, начали использовать новые виды энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!

Сейчас 21-й год XXI века (не менее красивая цифра). И новым сравнимым по масштабу открытием может быть природа темной материи.

Даже если выяснится, что ее нет и это нелепая гипотеза, это приведет к перевороту в современной физике. Такое уже было в нашей истории. Ведь открытие электромагнитных волн отправило в небытие понятие «эфира», в котором якобы движутся все космические объекты. Никакого эфира нет, но это было важно доказать для дальнейшего прогресса в физике.

Что же представляет собой темная материя. Четыре гипотезы

Предположений о том, что же такое темная материя, в современной физике огромное количество. Но глобально их все можно свести к четырем типам:

1. «Обычное» вещество. Темная материя может представлять собой совокупность черных дыр, нейтронных звезд, планет-изгоев и т.п. То есть различные объекты, которые трудно обнаружить.

Эта гипотеза считалась весьма вероятной на заре исследования темной материи. Сейчас же к ней относятся скептически, ведь черные дыры можно отлавливать по их взаимодействию с окружающей материей.

По оценкам астрофизиков, на все эти объекты может приходиться максимум 10% вещества галактик. Но никак не 80%.

2. Темная материя состоит из частиц, которые мы еще не открыли. Вероятнее всего, эти частицы должны быть довольно крупными, так как проявляют себя в гравитационном взаимодействии. И эти частицы не заряжены, иначе они проявляли бы себя в электромагнитном взаимодействии.

Частицы темной материи, скорее всего, и сейчас прошивают Землю, пролетая сквозь нее с огромными скоростями. Но никак не взаимодействуют с ней. С одной стороны, их трудно поймать, с другой — от них трудно экранироваться. И это плюс — значит, частицы темной материи есть везде. Осталось только обнаружить их.

Сейчас по всему миру пытаются эти частицы отловить. Напрямую это сделать очень сложно (они же, как мы помним, «не любят» взаимодействовать с приборами).

Возможно, поможет косвенный метод — когда мы зафиксируем взаимодействие этих неведомых частиц с другими и увидим их косвенные проявления, например в виде фотонов.

3. Что-то не так с гравитацией. Точнее, с гравитацией как силой природы всё прекрасно. Что-то не так с нашей теорией гравитации.

«Зачем плодить новые странные сущности и частицы? Давайте пересмотрим теорию гравитации», — говорят адепты этой гипотезы.

Альтернативные теории гравитации (например, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способны объяснить отдельные явления. Но пока не удалось создать теорию гравитации, которая объяснит все явления в совокупности и непротиворечиво.

4. Темной материи не существует. Это как раньше с эфиром. Все думали, что он есть (иначе как световые волны могут путешествовать по пустому пространству?). Но оказалось, что свет — не только частицы, но и волна, и эфир для перемещения ему не нужен. Так и тут. Возможно, у уже известных законов физики есть обратная сторона, которую мы не знаем. Но, скорее всего, он завязан на предыдущих сценариях.

Читайте также  Понятие экосистемы, , сукцессии и ее видов

Что даст человечеству открытие темной материи

Мы знаем 118 природных элементов таблицы Менделеева. И это лишь 20% вещества. Представляете, какие тайны могут быть сокрыты в остальных 80%?

Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. Ведь забавно, как к расческе после причесывания притягиваются кусочки бумаги!

Когда журналист спросил Максвелла, зачем нужны его уравнения поля, ученый развел руками: он просто описал взаимодействие, существующее в природе. А теперь жизнь невозможно представить без электричества.

Но только когда мы постигли природу электричества, человечество пошло вперед семимильными шагами. Греки и понятия не имели, что подобные технологии возможны!

Теодор Мейман Фото: ТАСС

Когда в 1960 году Теодор Мейман представил свой первый лазер, он даже близко не представлял, как и зачем его можно использовать. А теперь он активно применяется в медицине, химии и навигации.

Понимание темной материи может теоретически дать нам доступ к энергии, которая будет намного эффективнее электричества.

Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с космической экспансией.

На Земле не так безопасно, как кажется. Человечество развилось в период относительного спокойствия. Однако за всю биологическую историю планеты было пять случаев крупного массового вымирания видов и еще 20 — менее масштабных. И только освоение других планет (говоря экономическим термином, диверсификация жизни) позволит увеличить шансы на выживание.

А как осваивать космос, путешествовать в межзвездном пространстве, если мы не знаем, из чего состоит 80% его вещества?

Мировоззрение. Кроме практической пользы будет польза философская. Мы серьезно уточним ответ на вопрос, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускорением.

В XIX–XX веках был расцвет философии. Создавались мировоззренческие концепции, которые помогали человечеству определиться с целями и установить моральные границы. Сейчас же философия пребывает в стагнации. Искать смысл жизни в накоплении и потреблении — слишком примитивная задача. Религиозные и идеалистические мировоззрения — в очевидном кризисе.

Человечество не может развиваться без смысла. Это наша важная особенность как вида. По мнению Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. Краткая история человечества», единственное отличие человека от других животных в том, что мы можем объединиться одной идеей и вместе работать над ее воплощением.

Нужны новые крупные научные открытия, чтобы человечество смогло найти новые мировоззренческие смыслы. Иначе как нам двигаться дальше?

Новая физика темной материи: зачем ее искать и как она будет работать?

Темная материя не излучает и не поглощает свет, практически не взаимодействует с «обычной» материей, ученым пока не удалось поймать ни одной «темной» частицы. Но без нее не могла бы существовать знакомая нам Вселенная, да и мы сами. Чем поможет и что объяснит изучение темной материи?

Читайте «Хайтек» в

Что такое темная материя?

Это такая гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению. Она составляет четверть массы энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.

Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, то находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу.

  • Видимое вещество — 5%.
  • Нейтрино — 0,3–3%.
  • Барионная темная материя — 4–5%.
  • Небарионная темная материя — 20–25%.
  • Темная энергия — 70–75%.

Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15–17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя.

Состав и природа темной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц темной материи — вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены.

Зачем нам нужна темная материя?

Темная материя нам нужна не только для объяснения астрофизических явлений вроде галактического вращения, движения скоплений и их столкновений, но и для объяснения самого происхождения жизни.

Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого взрыва, когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и галактики.

Все это произошло бы, хотя и немного иначе, с темной материей или без нее. Но чтобы элементы, необходимые для жизни, расплодились в изобилии — углерод, кислород, азот, фосфор, сера — их нужно выплавлять в ядрах самых массивных звезд во Вселенной. Чтобы из них образовались твердые планеты, органические молекулы и жизнь, им сперва нужно выбросить эти тяжелые атомы в межзвездную среду, где они снова станут звездами, уже следующими поколениями. Для этого нужен взрыв сверхновой.

Насколько сегодня ученые уверены, что темная материя действительно существует?

Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк».

Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы.

Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную Кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной.

Состав темной материи

По какой причине это происходит и каков состав темной материи, нам до сих пор точно не известно, однако существует три версии того, что это такое.

  1. Самая простая определяет ее как космологическую константу, которая остается неизменной и наполняет собой все пространство космоса. Как постоянная она присутствует в неизменной форме в любой отдельно взятой массе. Другое название — энергия вакуума.
  2. Вторая теория совершенно обратная, согласно ей темная материя — это квинтэссенция космоса, некое постоянно изменяющееся в пространстве и времени поле. Это альтернативный вариант описания темной энергии, который был выдвинут в конце XX века астрофизиком Кристофом Веттерихом. Исходя из этой концепции, Вселенная расширяется чуть медленнее, чем в рамках теории о постоянной константе.
  3. Третья теория для скептиков — темной энергии на самом деле не существует, это всего лишь еще неизученные свойства гравитации, которая на столь далеком расстоянии действует несколько иначе.

Что дальше?

Исследования и работы на тему изучения темной материи продолжаются, так как до сих пор у нас нет однозначного ответа на вопрос, существует ли эта субстанция.

Накануне стало известно о новой работе астрофизиков: они обнаружили в реликтовом излучении Вселенной намеки на нарушение пространственной четности. Иными словами, они стали на шаг ближе к открытию «новой физики».

Свет – это распространяющаяся электромагнитная волна. Когда он состоит из волн, колеблющихся в определенном направлении, физики называют его «поляризованным». Свет космического микроволнового фона рассеялся через 400 тыс. лет после Большого взрыва, поскольку путешествовал по Вселенной в течение 13,8 млрд лет.

Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона таким образом, что нарушает симметрию четности, мы можем найти его след в данных поляризации.

Юто Минами, один из авторов исследования

По его словам, благодаря новой методике ученые смогут максимально точно оценить, насколько сильно пыль Млечного Пути влияет на измерение поляризации реликтового излучения.

Расстояние, которое проходит свет от пыли в пределах Млечного Пути, намного короче, чем расстояние космического микроволнового фона. Это означает, что на излучение пыли не влияют ни темная материя, ни темная энергия. Исследователи выяснили, что с вероятностью 99,2% темная материя и темная энергия действительно нарушают принцип четности.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: