Ce este materia neagră? teoria materiei întunecate

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-02-12 12:09

Care a fost primul: oul sau puiul? Oamenii de știință din întreaga lume se luptă cu această întrebare simplă de zeci de ani. O întrebare similară apare despre ceea ce a fost chiar la început, în momentul creării Universului. Dar a fost această creație sau universurile sunt ciclice sau infinite? Ce este materia neagră în spațiu și prin ce diferă de materia albă? Lăsând deoparte diferitele feluri de religie, să încercăm să abordăm răspunsurile la aceste întrebări din punct de vedere științific. În ultimii ani, oamenii de știință au reușit să facă ceea ce este de neconceput. Probabil pentru prima dată în istorie, calculele fizicienilor teoreticieni au fost de acord cu calculele fizicienilor experimentali. Mai multe teorii diferite au fost prezentate comunității științifice de-a lungul anilor. Mai mult sau mai puțin precis, în moduri empirice, uneori cvasiștiințifice, totuși, datele calculate teoretic au fost totuși confirmate de experimente, unele chiar cu o întârziere de peste o duzină de ani (bosonul Higgs, de exemplu).

Materia întunecată - energie neagră

Există multe astfel de teorii, de exemplu: Teoria Corzilor, Teoria Big Bang, Teoria Universului Ciclic, Teoria Universului Paralel, Dinamica Newtoniană Modificată (MOND), F. Hoyle și alții. Cu toate acestea, în prezent, teoria unui Univers în continuă expansiune și evoluție este considerată general acceptată, ale cărui teze se încadrează bine în cadrul conceptului Big Bang. În același timp, cvasiempiric (adică empiric, dar cu toleranțe mari și pe baza teoriilor moderne existente ale structurii microcosmosului), s-au obținut date că toate microparticulele cunoscute de noi reprezintă doar 4,02% din volumul total de întreaga compoziție a Universului. Acesta este așa-numitul „cocktail barion”, sau materie barionică. Cu toate acestea, cea mai mare parte a Universului nostru (mai mult de 95%) sunt substanțe cu un plan diferit, compoziție și proprietăți diferite. Aceasta este așa-numita materie neagră și energie neagră. Se comportă diferit: reacționează diferit la diferite tipuri de reacții, nu sunt fixate prin mijloace tehnice existente și prezintă proprietăți neexplorate anterior. Din aceasta putem concluziona că fie aceste substanțe se supun altor legi ale fizicii (fizica non-newtoniană, un analog verbal al geometriei non-euclidiene), fie nivelul nostru de dezvoltare a științei și tehnologiei este abia la stadiul inițial al formării sale.

Ce sunt barionii?

Conform modelului actual de interacțiuni puternice quark-gluon, există doar șaisprezece particule elementare (și descoperirea recentă a bosonului Higgs confirmă acest lucru): șase tipuri (arome) de quarci, opt gluoni și doi bosoni. Barionii sunt particule elementare grele cu o interacțiune puternică. Cele mai cunoscute dintre ele sunt quarkurile, protonii și neutronii. Familii de astfel de substanțe, care diferă înrotația, masele, „culoarea” lor, precum și numerele de „încântare”, „ciudățenie”, sunt tocmai elementele de bază ale a ceea ce numim materie barionică. Materia neagră (întunecată), care reprezintă 21,8% din compoziția totală a Universului, este formată din alte particule care nu emit radiații electromagnetice și nu reacționează cu aceasta în niciun fel. Prin urmare, cel puțin pentru observarea directă și cu atât mai mult pentru înregistrarea unor astfel de substanțe, este necesar să se înțeleagă mai întâi fizica lor și să se convină asupra legilor cărora le respectă. Mulți oameni de știință moderni fac în prezent acest lucru în institute de cercetare din întreaga lume.

Cea mai probabilă opțiune

Ce substanțe sunt considerate posibile? Pentru început, trebuie menționat că există doar două opțiuni posibile. Conform GR și SRT (relativitate generală și specială), din punct de vedere al compoziției, această substanță poate fi atât materie întunecată barionică, cât și non-barionică (neagră). Conform teoriei principale a Big Bang-ului, orice materie existentă este reprezentată sub formă de barioni. Această teză a fost dovedită cu o acuratețe extrem de ridicată. În prezent, oamenii de știință au învățat să capteze particulele formate la un minut după izbucnirea singularității, adică după explozia unei stări superdense a materiei, cu o masă corporală care tinde spre infinit și dimensiunile corpului tinzând spre zero. Scenariul cu particule barione este cel mai probabil, deoarece din ele se formează Universul și prin ele își continuă expansiunea. materie neagra,conform acestei presupuneri, constă din particule de bază acceptate în general de fizica newtoniană, dar din anumite motive interacționează slab într-un mod electromagnetic. De aceea detectoarele nu le detectează.

Nu merge atât de bine

Acest scenariu se potrivește multor oameni de știință, dar există încă mai multe întrebări decât răspunsuri. Dacă atât materia neagră, cât și cea albă sunt reprezentate doar de barioni, atunci concentrația de barioni ușoare ca procent din cele grele, ca urmare a nucleosintezei primare, ar trebui să fie diferită în obiectele astronomice inițiale ale Universului. Și experimental, prezența în galaxia noastră a unui număr suficient de echilibru de obiecte gravitaționale mari, cum ar fi găurile negre sau stele cu neutroni, nu a fost dezvăluită pentru a echilibra masa halou a Căii Lactee. Cu toate acestea, aceleași stele neutronice, halourile galactice întunecate, găurile negre, piticele albe, negre și maronii (stele aflate în diferite etape ale ciclului lor de viață), cel mai probabil, fac parte din materia întunecată din care este alcătuită materia întunecată. Energia neagră poate, de asemenea, să completeze umplerea lor, inclusiv obiecte ipotetice prezise, cum ar fi preon, quark și stele Q.

Candidați nebarionici

Al doilea scenariu implică o origine non-barionică. Aici, mai multe tipuri de particule pot acționa ca candidați. De exemplu, neutrinii ușori, a căror existență a fost deja dovedită de oamenii de știință. Cu toate acestea, masa lor, de ordinul a o sutime la unuzece miile eV (electron-volt), practic le exclude din posibile particule din cauza imposibilității densității critice necesare. Dar neutrinii grei, împreună cu leptoni grei, practic nu se manifestă în interacțiuni slabe în condiții normale. Astfel de neutrini sunt numiți sterili; cu masa lor maximă de până la o zecime de eV, este mai probabil să fie candidați pentru particulele de materie întunecată. Axionii și cosmionii au fost introduși artificial în ecuațiile fizice pentru a rezolva probleme de cromodinamică cuantică și în modelul standard. Împreună cu o altă particulă supersimetrică stabilă (SUSY-LSP), ei se pot califica ca candidați, deoarece nu participă la interacțiuni electromagnetice și puternice. Cu toate acestea, spre deosebire de neutrini, aceștia sunt încă ipotetici, existența lor trebuie încă dovedită.

Teoria materiei negre

Lipsa de masă în Univers dă naștere la diferite teorii în acest sens, dintre care unele sunt destul de consistente. De exemplu, teoria conform căreia gravitația obișnuită nu este capabilă să explice rotația ciudată și exorbitant de rapidă a stelelor din galaxiile spirale. La astfel de viteze, ei pur și simplu ar zbura afară din ea, dacă nu ar fi un fel de forță de reținere, care nu este încă posibil de înregistrat. Alte teze de teorii explică imposibilitatea obținerii WIMP-urilor (particule masive care interacționează electroslab-partenere ale subparticulelor elementare, supersimetrice și supergrele - adică candidați ideali) în condiții terestre, deoarece trăiesc în n-dimensiunea, care este diferită de cele trei ale noastre. unul dimensional. Conform teoriei Kaluza-Klein, astfel de măsurători nu ne sunt disponibile.

Schimbarea stelelor

O altă teorie descrie modul în care stelele variabile și materia neagră interacționează între ele. Strălucirea unei astfel de stele se poate modifica nu numai din cauza proceselor metafizice care au loc în interior (pulsație, activitate cromosferică, ejecție de proeminență, revărsări și eclipse în sisteme stelare binare, explozie de supernove), ci și datorită proprietăților anormale ale materiei întunecate.

unitate WARP

Conform unei teorii, materia întunecată poate fi folosită drept combustibil pentru motoarele subspațiale ale navelor spațiale care funcționează pe tehnologia ipotetică WARP (WARP Engine). Potenţial, astfel de motoare permit navei să se deplaseze la viteze care depăşesc viteza luminii. Teoretic, ei sunt capabili să îndoaie spațiul din fața și din spatele navei și să-l miște în el chiar mai repede decât accelerează o undă electromagnetică în vid. Nava în sine nu accelerează local - doar câmpul spațial din fața ei este îndoit. Multe povești fantastice folosesc această tehnologie, cum ar fi saga Star Trek.

Creștere în condiții terestre

Încercările de a genera și obține materie neagră pe pământ nu au avut încă succes. În prezent, se desfășoară experimente la LHC (Large Andron Collider), exact acolo unde a fost înregistrat pentru prima dată bosonul Higgs, precum și la alte colizitoare, mai puțin puternice, inclusiv liniare, în căutareaparteneri stabili, dar cu interacțiune slabă electromagnetică ai particulelor elementare. Cu toate acestea, nici photino, nici gravitino, nici higsino, nici sneutrino (neutralino), nici alte WIMP nu au fost încă obținute. Potrivit unei estimări preliminare prudente a oamenilor de știință, pentru a obține un miligram de materie întunecată în condiții terestre, este nevoie de echivalentul energiei consumate în Statele Unite în timpul anului.