Stäng kodVisa resultatDölj resultatet
Mysterier med mörk materia
(Mysteriet med mörk materia)
i uthyrning från: 01.01.2012
Mysterier med mörk materia
(Mysteriet med mörk materia)
i uthyrning från: 01.01.2012
Vi fick alla lära oss i skolan att universum består av atomer. Faktum är att atomer bara utgör 5% av materien i universum, resten är fortfarande ett mysterium för oss. Det finns något annat i rymden, en annan verklighet som vi precis har börjat upptäcka. Vi vet att dessa inte är atomer, men vi vet inte vad de är. Varför är astrofysiker övertygade om existensen av denna mystiska osynliga materia? För utan mörk materia skulle galaxer inte rotera – det skulle inte finnas tillräckligt med gravitationskrafter för att få galaxernas stjärnor att rotera med den hastighet som de roterar med idag. Det finns vissa anomalier i galaxernas beteende och rörelse; för att förstå dem antar forskare att det finns osynlig materia som är involverad i galaxernas rörelse.
Maria Saprykina
MÖRK MATERIENS MYSTERI
Osynlig materia, d.v.s. astrofysiker kallar det mörkt och avger eller absorberar inte ljus och upptäcker det genom gravitationen det skapar. Den finns överallt - från galaktiska skalor till superkluster av galaxer. Dess massa är mycket större än den för synlig materia, men vad den egentligen är är ett mysterium. Det är förmodligen inte öppet än elementarpartiklar eller lågmassa svarta hål och hypotetiska maskhål. En medlem av astrospacecentret talade om detta i sin engelska artikel Fysiska institutet dem. P.N. Lebedev RAS (Moskva) och International Academy uppkallad efter. Nilsa Bohr (Köpenhamn, Danmark), Motsvarande medlem av RAS Igor Novikov. Översättningen gjordes av korresponderande medlem av Ryska vetenskapsakademin Viktor Abalakin och publicerades i tidskriften Earth and the Universe.
Så den mörka materiens natur är ett av huvudmysterierna i modern kosmologi. Upptäckten och forskningen av detta fenomen har en ganska lång historia. Experter har varit passionerade för detta ämne i 85 år. Nuförtiden är detta problem det största inom all astrofysik.
Till och med för 30 och till och med 20 år sedan trodde astronomer: massan av mörk materia som dominerar i universum bestämmer dess dynamik och krökning tredimensionellt utrymme. Men idag vet vi mycket mer. Observation inom temperaturmätningar av anisotropi i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (och den dök upp omedelbart efter universums födelse och bär viktig information om dess utveckling), data om graden av distribution av helium och andra lätta element och bildandet av Universums struktur indikerar: vanlig materia (baryonisk - baryon (tunga) elementarpartiklar med en massa som inte är mindre än protonernas massa deltar i alla grundläggande interaktioner)) är ansvariga för cirka 4% av det materiella innehållet i kosmos. Det visar sig att stjärnor, planeter, gas, damm och vi själva är gjorda av det, och de återstående 96% är den "mörka" sektorn med cirka 23% mörk materia och cirka 73% mörk energi. Det är känt: materien i fråga orsakar effekten av gravitationsattraktion, precis som vanlig materia, och mörk energi, tvärtom, orsakar gravitationsrepulsion. Den senare dominerar verkligen i universum, även om experter fortfarande inte vet något om dess fysiska natur.
Mörk materia har ett gravitationsinflytande på ljusets utbredning från avlägsna källor (så kallad gravitationslinsning). En viktig bit av information kommer också från analysen av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och processen för bildning av universums struktur från små initiala inhomogeniteter. Men det är just den mörka materiens gravitationskraft som intresserar oss som är nödvändig för bildandet av galaxhopar och galaxer. De flesta kosmologer, säger Novikov, utvecklar idén om en typ av mörk materia som kallas kall materia. Många av dem är övertygade: den består av partiklar som bildades under den tidiga, heta perioden av universums utveckling, men som fortfarande existerar i vår tid. Listan över element som kan inkluderas i dem är mycket omfattande: dessa är främst hypotetiska partiklar - säg axioner eller supersymmetriska reliker. Experiment har nu inletts för att söka efter dem direkt och indirekt. Som ett resultat är direkt detektering av mörk materia fullt möjlig, men enligt artikelförfattaren, fysisk natur det förblir ett mysterium.
Under tiden, förutom partiklar som fortfarande är okända för vetenskapen och av intresse för fysiker, finns det andra föremål som mörk materia kan bestå av. Vissa av dem är fantastiska i sig själva - och förresten inte mindre viktiga för vetenskapens utveckling: det här är relativistiska mörka kroppar (primära svarta hål och maskhål).
Hypotesen om förekomsten av ursvarta hål har också en mycket lång historia. Tack vare forskning utförd av inhemska forskare akademiker Yakov Zeldovich och Igor Novikov 1961, och 1971 av den engelske teoretiske fysikern Stephen Hawking, kan vi dra slutsatsen: i universums tidiga skeden (för cirka 13 miljarder år sedan) fanns det små svarta hål , deras massor kan vara mindre än stjärnornas. Beräkningar visar att de vars initiala massor var mindre än en miljard ton nu helt har förlorat energi på grund av kvantstrålning; tyngre har överlevt till denna dag.
Huvudfrågan är om de kan upptäckas med astronomiska medel om de verkligen finns i universum? För att hitta små svarta hål är det nödvändigt att känna till emissionen av deras hårda kvanta. Att observera det senare skulle avsevärt bidra till identifieringen av ursprungliga svarta hål, men hittills har ingen av dem upptäckts. Endast följande har fastställts: antalet svarta hål med en massa på cirka en miljard ton överstiger inte tusen per kubik ljusår. Om det fanns fler av dem skulle det vara möjligt att beräkna deras totala strålning. Kvantstrålning från massiva ursvarta hål är obetydlig, så de kan inkluderas i antalet objekt som ingår i mörk materia. 1994 pekade de ryska astrofysikerna Pavel Ivanov, Pavel Naselsky och Igor Novikov, som arbetade vid det danska centret för teoretisk astrofysik, på detta perspektiv. Samtidigt dök ett meddelande upp om att mikrolinsning av stjärnor i det stora magellanska molnet av massiva kompakta haloobjekt i vår galax upptäcktes. Bland annat framfördes följande idé: svarta hål kan vara sådana föremål. Den nya upptäckten lägger till ytterligare bevis till teorin att kall mörk materia består av ursprungliga svarta hål.
Men, understryker artikelförfattaren, vi bör inte glömma de primära maskhålen. Enligt allmän teori relativitetsteori, detta är ett mycket krökt utrymme i form av en tunnel som förbinder två ingångar till det. Materia eller strålning som faller in i ett av hålen sprids över hela tunnelns volym och kommer följaktligen ut ur det andra hålet. Eller tvärtom. Enligt en hypotes existerade dessa primära hålor troligen i början av universums expansion. Och det skulle de kunna fortsätta med i framtiden. Obs: kvantavdunstning (den så kallade Hawking-avdunstning) påverkar inte sådana objekt, så de kvarstår under kosmologiska tidsperioder om de inte är föremål för andra instabiliteter. Utifrån detta kan det inte uteslutas att en del av den kalla mörka materian också består av maskhål.
Så, avslutar Novikov, mörka föremål - ursprungliga mörka hål och maskhål - kan lösa mysteriet med mörk materia. Men hur framgångsrika (eller misslyckade) de föreslagna koncepten är kommer att framgå först när resultaten av observationer av studien av kall mörk materia blir kända med hjälp av, först och främst, Planck-rymdobservatoriet, som lanserades den 14 maj 2009 inom ramen för European Space Agency Horizon -2000 och uppkallad efter den framstående tyske fysikern Max Planck (1858-1947).
Novikov I. Mörka föremål och mörk materia. - Tidningen "Earth and Universe", 2009, nr 5
Illustrationer från redaktörerna för tidningen "Earth and Universe"
Material utarbetat av Maria SAPRYKINA
"Science in Russia", nr 1, 2010
Förr eller senare kommer vår värld att upphöra att existera. Precis som det en gång uppstod från en enda partikel som var mindre än en atom. Forskare har länge inte tvivlat på detta. Men om den dominerande teorin tidigare var att universums död skulle inträffa som ett resultat av dess snabbt accelererande expansion och, som en konsekvens, oundviklig "termisk död", så har denna åsikt förändrats med upptäckten av mörk materia.
UNIVERSUMS MÖRKA KRAFTER
Experter säger att hela det enorma kosmos kan förgås som ett resultat av dess kollaps och sugs in i något gigantiskt svart hål, som är en del av den mystiska "mörka materien".
I rymdens kalla djup har två oförsonliga krafter varit i krig sedan världens skapelse - mörk energi och mörk materia. Om den första säkerställer universums expansion, strävar den andra tvärtom efter att dra in den i sig själv, för att komprimera den till glömska. Denna konfrontation pågår med varierande grad av framgång. En av krafternas seger över den andra, störningen av den kosmiska balansen, är lika förödande för allt.
Einstein föreslog också att det finns mycket mer materia i rymden än vi kan se. I vetenskapshistorien har det funnits situationer när rörelsen himlakroppar lydde inte den himmelska mekanikens lagar. Som regel förklarades denna mystiska avvikelse från banan i existensen av en okänd materiell kropp(eller flera kroppar). Så upptäcktes planeten Neptunus och stjärnan Sirius B.
RYMDKLÄMMER
1922 studerade astronomerna James Jime och Jacobus Kapteyn stjärnornas rörelse i vår galax och drog slutsatsen att det mesta av materien i galaxen är osynlig; I dessa verk dök termen "mörk materia" först upp, men den motsvarar inte riktigt den nuvarande innebörden av detta begrepp.
Astronomer har länge varit medvetna om fenomenet med universums accelererande expansion. Genom att observera galaxernas avstånd från varandra fann de att denna hastighet ökade. Energin som driver rymden i alla riktningar, som luft i en ballong, har kallats "mörk". Denna energi trycker bort galaxer från varandra, den verkar mot tyngdkraften.
Men, som det visade sig, är hennes krafter inte obegränsade. Det finns också ett slags kosmiskt "lim" som hindrar galaxer från att spridas isär. Och massan av detta "lim" överstiger avsevärt massan synligt universum. Denna enorma kraft av okänt ursprung kallades mörk materia. Trots det hotfulla namnet är det senare inte ett absolut ont. Allt handlar om den bräckliga balansen av kosmiska krafter som existensen av vår till synes orubbliga värld vilar på.
Slutsatsen om förekomsten av mystisk materia, som inte är synlig, registreras inte av något av instrumenten, men vars existens kan anses bevisad, gjordes på grundval av en kränkning gravitationslagar Universum. Åtminstone som vi känner dem. Det märktes att stjärnor i spiralgalaxer som vår har en ganska hög rotationshastighet och, enligt alla lagar, med en sådan snabb rörelse borde de helt enkelt flyga ut i det intergalaktiska rymden under påverkan av centrifugalkraften, men de gör inte detta. De hålls av någon mycket stark gravitationskraft, som inte registreras eller fångas av någon känd modern vetenskap sätt. Detta fick forskare att tänka till.
EVIG KAMP
Om dessa svårfångade, men överlägsna i gravitationskraft till alla synliga, inte existerade rymdobjekt mörka "fästen", så efter en lång tid skulle universums expansionshastighet under påverkan av mörk energi närma sig gränsen vid vilken ett brott i rum-tidskontinuumet skulle inträffa. Rymden kommer att förintas och universum kommer att upphöra att existera. Detta händer dock inte ännu.
Astrofysiker har funnit att för cirka 7 miljarder år sedan var gravitationen (dominerad av mörk materia) och mörk energi i balans. Men universum expanderade, densiteten minskade och styrkan hos mörk energi ökade. Sedan dess har det dominerat vårt universum. Nu försöker forskare förstå om denna process någonsin kommer att ta slut.
Idag är det redan känt att universum endast består av 4,9% av vanlig materia - baryonisk materia, som utgör vår värld. Det mesta (74%) av hela universum består av mystisk mörk energi, och 26,8% av massan i universum består av fysik-trotsande, svårupptäckta partiklar som kallas mörk materia.
Hittills, i den oförsonliga eviga kampen mellan mörk materia och mörk energi, vinner den senare. De ser ut som två brottare i olika viktklasser. Men det betyder inte att kampen är en självklarhet. Galaxer kommer att fortsätta att skingras. Men hur lång tid tar denna process? Enligt sista hypotesen, mörk materia är bara en manifestation av svarta håls fysik.
SVART HÅL ÄR MASSOR AV MÖRK MATERIA?
Svarta hål är de mest massiva och kraftfulla föremålen i det kända universum. De böjer rumtiden så kraftigt att inte ens ljus kan fly från deras gränser. Därför, precis som mörk materia, kan vi inte se dem. Svarta hål är ett slags tyngdpunkter för stora ytor. Det kan antas att detta är strukturerad mörk materia. Ett slående exempel Dessa är de supermassiva svarta hålen som lever i mitten av galaxer. Tittar vi på mitten av vår galax, till exempel, ser vi hur stjärnorna runt den accelererar.
Anne Martin från Cornell University noterar att det enda som skulle förklara denna acceleration är ett supermassivt svart hål. Vi kan bedöma förekomsten av mörk materia, såväl som svarta hål, endast på basis av deras interaktion med omgivande föremål. Därför observerar vi dess effekter i galaxers och stjärnors rörelse, men vi ser det inte direkt; den varken avger eller absorberar ljus. Det är logiskt att anta att svarta hål bara är klumpar av mörk materia.
Kan ett av de gigantiska svarta hålen, som så småningom kommer att svälja inte bara det omgivande utrymmet, utan också dess mindre kraftfulla "håliga" släktingar, svälja hela universum? Frågan om detta är fortfarande öppen. Enligt forskare, om detta händer, kommer det inte att vara tidigare än om 22 miljarder år. Så det räcker för vår livstid. Sålänge världen fortsätter sin resa mellan mörk energis Scylla och mörk materias Charybdis. Universums öde kommer att bero på resultatet av kampen mellan dessa två dominerande krafter i rymden.
TESLAS PROFETIA
Det finns dock en alternativ syn på problemet med mörk materia. Vissa paralleller kan hittas mellan den mystiska substansen och Nikola Teslas teori om den universella etern. Enligt Einstein är etern inte en riktig kategori, utan existerar som ett resultat av felaktiga vetenskapliga åsikter. För Tesla är etern verklighet.
För flera år sedan, på en gatuförsäljning i New York, köpte en antikälskare sig en brandmanshjälm, utsliten med tiden. Inuti den, under fodret, låg en gammal anteckningsbok. Anteckningsboken var tunn, med ett bränt omslag och det luktade mögel. Arken, gulnade med tiden, täcktes med bläck som hade bleknat med tiden. Som det visade sig tillhörde manuskriptet den berömda uppfinnaren Nikola Tesla, som bodde och arbetade i USA. Inspelningen förklarar teorin om etern, där man kan hitta otvivelaktiga indikationer på upptäckten av den svårfångade mörka materian årtionden efter hans död.
"Vad är eter, och varför är det så svårt att upptäcka? - skriver uppfinnaren i manuskriptet. – Jag funderade länge på den här frågan och kom fram till följande slutsatser. Det är känt att ju tätare ämnet är, desto högre hastighet för utbredningen av vågor i det. Genom att jämföra ljudets hastighet i luft med ljusets hastighet kom jag fram till att eterns densitet är flera tusen gånger större än luftens densitet. Men etern är elektriskt neutral och därför samverkar den mycket svagt med vår materiella värld, dessutom är densiteten av substansen i den materiella världen försumbar jämfört med eterns densitet.”
Enligt vetenskapsmannen är det inte etern som är eterisk – det är vår materiella värld som är eterisk för etern. Således erbjuder han en mycket mer positiv syn på mörk materia, och ser i den någon sorts ursubstans, universums vagga. Men inte bara. Enligt Tesla, med ett skickligt tillvägagångssätt, är det möjligt att få outtömliga energikällor från eterns mörka materia, för att penetrera Parallella världar och till och med etablera kontakter med intelligenta invånare i andra galaxer. ”Jag tror att stjärnorna, planeterna och hela vår värld uppstod från etern när en del av den av någon anledning blev mindre tät. Genom att komprimera vår värld från alla sidor försöker etern återgå till sitt ursprungliga tillstånd, och den inre elektriska laddningen i den materiella världens substans förhindrar detta. Med tiden, efter att ha förlorat sin inre elektriska laddning, kommer vår värld att komprimeras av etern och förvandlas till eter. Etern har lämnat etern och kommer att lämna”, hävdade Tesla.
Bland andra astronomiska vetenskaper skiljer sig kosmologin åt. Detta är en av antika vetenskaper. Det räcker med att påminna om Hesiods "Teogoni" skriven om detta ämne (VIII-VII århundraden f.Kr.). Kosmologi studerar universum som helhet och tillhör gruppen naturvetenskaper. Moderna vetenskaplig grund den fick först i början av 1900-talet - med tillkomsten av den allmänna relativitetsteorin (GTR).Eftersom relativitetsteorin är grunden för kosmologi, så bidrar alla experiment för att verifiera dess sanning också till kosmologins rättfärdigande. Men med relativitetsteorin som sin grund reduceras kosmologin inte till den och har därför sin egen observationsbas.
Fram till början av 90-talet av 1900-talet utvecklades kosmologins observationsbas inom den ram som är traditionell för all astronomi. Fler och fler togs i drift stora teleskop, vågområdet för observationer utökades. Forskningsämne under en lång tid bara galaxer och associerade fenomen som kvasarer fanns kvar. Kvalitativt ny era i utvecklingen av kosmologi började 1992 med upptäckten av den så kallade kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (som dök upp, som föreslagits, vid ögonblicket av "big bang"), som innehåller information om många parametrar och processer i universum. Värdet av data som erhållits från studien av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning är stor betydelse också för att den bär information om ett mycket tidigt skede av universums expansion, när inga galaxer ännu existerade.
Klassisk kosmologi, i den form som den existerade vid tiden för Einstein och Friedman, tillät alla värden på universums täthet - både mer och mindre än det kritiska värdet. Det är inte av en slump som densitetsvärdet kallas kritiskt. Endast vid detta (kritiska) värde är universums rumsliga krökning lika med noll och dess huvudparameter - baryonen, det vill säga vad materien består av, visar sig vara oberoende av tid. Framgångar i studiet av universum under det senaste decenniet inkluderar först och främst en förändring i idéer om universums densitet: data har erhållits om att universums totala densitet är lika med det kritiska värdet med hög noggrannhet.
Detta kom inte som en överraskning - de flesta teoretiker ansåg att det var det mest troliga sedan början av 1980-talet, när det nu allmänt accepterade konceptet om kosmologisk inflation föreslogs - en modell av universums mycket snabba expansion i ett tidigt skede av dess utveckling .
Alla har upplevt inflation i ekonomin och få kan säga att detta är ett positivt fenomen. Med kosmologisk inflation är det motsatta sant - det löste framgångsrikt nästan alla problem med klassisk kosmologi och minskade avsevärt relevansen av de återstående två eller tre.
Det faktum att vanlig materia praktiskt taget inte har någon effekt på dynamiken i universums expansion har länge varit ett fast etablerat faktum. Tillbaka i mitten av 1970-talet visade en studie av processer i det expanderande universum - främst bildandet av kärnor av deuterium-, litium- och heliumisotoper med atomvikter 3 och 4 - att antalet bildade kärnor beror på det totala antalet baryoner .
Den sista punkten för att lösa problemet med att mörk materia interagerar med baryoner endast gravitationsmässigt sattes av nyare studier av kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning, som bestämde densiteten av mörk materia med hög noggrannhet. Frågan om dess fysiska natur är dock fortfarande öppen, eftersom inte en enda typ av sådan partikel har registrerats experimentellt hittills.
Det andra problemet är den fysiska naturen hos den kosmologiska konstanten själv: är den likvärdig med den som Einstein introducerade, eller är det något annat. Dominansen av den kosmologiska konstanten i universum återspeglas radikalt i dess evolution - ett sådant universum expanderar med acceleration och har en högre ålder (med alla efterföljande konsekvenser) än ett universum där denna konstant är lika med noll.
Ur en teoretisk synvinkel har närvaron av en kosmologisk konstant ännu inga allvarliga eller åtminstone allmänt accepterade motiveringar. Snarare kan det kallas en "extra" kvantitet, men våra idéer om universum skulle inte förändras dramatiskt om det visade sig att den kosmologiska konstanten faktiskt är lika med noll (eller så liten att den inte kan bestämmas med den befintliga nivån av teknologi). Men kosmologi, som allt naturvetenskap, bygger på basen av observationsdata, och dessa data indikerar dess betydande värde.
Vi lever i en värld vars expansionsdynamik styrs av en form av materia som är okänd för oss. Det enda vi vet säkert om det är faktumet om dess existens och ekvationen för dess vakuumliknande tillstånd. Vi vet inte om eller hur tillståndsekvationen för mörk energi förändras över tiden. Det betyder att alla diskussioner om universums framtid i huvudsak är spekulativa och baserade på deras författares estetiska åsikter.
Baserat på material från tidskriften "Science and Life"
Den ursprungliga artikeln finns på NewsInfos webbplats
för tidningen "Man Without Borders"
