Самое темное вещество во вселенной

Темная материя

Впервые существование темной материи заподозрил американский астрофизик Фриц Цвикки. Он наблюдал за скоплениями галактик в созвездии Волосы Вероники и обнаружил, что их видимая масса на самом деле меньше, чем должна быть. 40 лет спустя его подозрения в своих исследованиях подтвердила астроном Вера Ру́бин. После этого окончательно стало ясно, что во Вселенной существует другая материя и даже энергия, которые и составляют основную массу пространства. Их прозвали темными.

Чтобы проверить данную теорию, проводились и другие исследования:

• Убывание скорости вращение галактик. Оно не происходит по одной простой причине – их реальная масса и видимая не совпадают.
• Изучение объектов галактики показали, что их общая масса намного меньше, чем масса всей галактики.
• Эллиптические галактики не могли бы удержать горячий газ, если бы имели массу, равную видимой.

После всех этих исследований были обнаружены несколько свойств темной материи. Например, она может взаимодействовать с видимой. Так как темное вещество намного плотнее обычного, то оно может захватывать его частицы с помощью гравитационных ям.

Согласно исследованиям о составе Вселенной темная энергия в ней составляет почти 70%. Видимая материя занимает около 5%, а темная в пять раз больше.

Что входит в тёмную материю (теории)

Барионная тёмная материя. Такого во Вселенной крайне мало, но все же встречается. Это все та же видимая материя, но имеющая крайне слабое электромагнитное взаимодействие. Из-за этого ее крайне сложно выявить. Она может содержаться в черных дырах, нейтронных звездах и прочих.

Небарионная тёмная материя. Согласно теории, такого вещества в космосе гораздо больше. Оно и составляет основу всей Вселенной. Но все это лишь предположения.

Небарионная тёмная материя

Лёгкие нейтрино. Существование этих частиц уже доказано, и их должно быть очень много. Пусть их масса совсем мала, но в огромном количестве они действительно могут влиять на пространство.

Тяжёлые нейтрино. У этих частиц полностью отсутствует способность к слабому взаимодействию. В отличие от легких, тяжелые нейтрино действительно могут составлять большую часть темной материи.

Аксионы. Возможно, в темном веществе содержится огромная доля аксионов, но их существование еще даже не доказано. Поэтому они все еще являются гипотетическими частицами.

Суперсимметричные частицы. Они могут составлять львиную долю темной материи уже хотя бы потому, что не имеют сильного и электромагнитного взаимодействия. На данный момент они еще не доказаны, и ученые склоняются к тому, что легчайшая суперсимметричная частица всего одна. Она так и называется LSP (Lightest Supersymmetric Particle).

Космионы. Еще одна гипотетическая частица, которая введена в обиход только для решения некоторых задач. Скорее всего, после подтверждения необходимых теорий, ее вовсе уберут и предполагаемого состава темного вещества.

Дефекты пространства-времени. Они могут образовываться в результате взаимодействия областей вакуума с разной энергией. В этом случае получаются весьма тяжелые частицы, которые и могут доминировать в темной материи, но их все еще не обнаружили.

Темная материя

Классификация

Согласно космологии Большого взрыва, в самом начале времен температура темной материи и плазмы была одинаковая. Затем она начала снижаться, изменяя и характеристики частиц. Вследствие этого, видимое и темное вещество практически перестали взаимодействовать друг с другом. Темную материю можно разделить на три вида в зависимости от ее температуры:

• Горячая. Это происходит из-за того, что энергия частиц намного больше, чем их масса, поэтому возрастает температура самого вещества.
• Холодная. Холодные частицы «замедлены». Из-за того, что они покинули плазму в нерелятивистском состоянии, они не могут разогнаться до околосветовых скоростей. Конкретных частиц пока, естественно, не обнаружено, но существуют гипотетические – вимпы. Они имеют высокую массу и крайне низкое взаимодействие. Но они все же могут «связываться» с частицами видимой материи, поэтому их обнаружение может быть гораздо проще, чем всех остальных в темном веществе.
• Тёплая. Это вещество тоже должно состоять из достаточно массивных частиц, которые могли образоваться в результате расширения Вселенной.

Изучение тёмной материи

Каким же образом можно изучать вещество, которое даже обнаружить нельзя? На данный момент существует три основных метода:

• Динамический. Прямое изучение радиальных скоростей галактик.
• Газодинамический. Изучение рентгеновских лучей.
• Гравитационное линзирование. Позволяет наблюдать даже самые удаленные галактики.

Изучение тёмной материи

Фактическое обнаружение частиц

Состав темной материи так сложно узнать, потому что у ее частиц даже нет заряда. Но обнаружить их все же можно с помощью двух методов:

• Прямой. Прямое изучение взаимодействия частиц барионной и темной материи.
• Косвенный. Изучение последствий некоторых событий, к примеру, аннигиляции вещества.

Темная материя – одна из многих тайн Вселенных, изучение которых нам еще предстоит. Сегодня мы можем сказать наверняка лишь одно – о точном устройстве космоса мы не знаем практически ничего.

Источник

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?

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.

Источник

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.

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!

Источник