Что такое темная материя? Существует ли темная материя? Нефть темная материя


Тёмная материя во Вселенной

Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы  во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.

Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.

Откуда появилась концепция тёмной материи?

Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.

Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.

Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.

Какая она - тёмная материя?

Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.

Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.

На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.

Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.

(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP))

Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.

Теории существования тёмной материи

Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:

  • Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
  •  
  • Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
  •  
  • Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.

Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?

Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то  в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.

Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.

В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.

Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как  историческое открытие 28 нейтрино.

Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.

xn----8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai

Как найти темную материю с помощью атомных часов

Темная материя — неуловимое вещество, за которым охотятся физики во всем мире. Группа исследователей из Университета Невады провела интересную работу и попробовала вычислить загадочное вещество с помощью атомных часов.

Василий Макаров

3 ноября 2017 19:32

Темная материя составляет 85% всей материи во Вселенной, но, несмотря на множество астрофизических доказательств, указывающих на ее существование, обнаружение темной материи до сих пор было практически невозможным. Как следствие, науке до сих пор очень мало известно о природе и свойствах этого феномена. Но недавно профессора из Университета Невады (UNR) провели обширное исследование и существенно сузили области «охоты» за неуловимым веществом.

Теоретически, существует несколько формул поиска темной материи, однако команда Джеффа Блевитта и Андрея Деревянко из UNR подозревает, что она возникает из квантовых полей при формировании макроскопических объектов. Идея состоит в том, что темная материя «сплавляется» в форму пузырьков или полосок, которые проходят сквозь Солнечную систему и за ее пределы. Чтобы подтвердить это, ученые решили отыскать любые доказательства того, что такие объекты встречаются на пути Земли.

Поиски темной материи с помощью атомных часов

Судя по всему, темная материя неоднородна, и ее сверхлегкие составляющие могут вызывать изменения в фундаментальных законах окружающего мира — к примеру, менять массу кварков, электронов и электрические заряды. Такие сдвиги в естественных константах могут изменять уровни атомной энергии, которые исследователи собирались измерить с помощью атомных часов, в данном случае выступающих очень удобным инструментом.

В интервью новостному агентству Nevada Today Деревянко сравнил этот процесс со «стеной, которая движется сквозь часовую сеть и вызывающую серию атомарных часовых сбоев, распространяющихся по GPS с галактической скоростью». Суть заключается в том, что когда скопление темной материи проходит сквозь привычную нам материю, она словно «тянет» за собой массы частиц и силы, которые обеспечивают взаимодействие между частицами. Стоит учесть, что это явление очень, очень слабое, иначе подобные искажения давно бы уже обнаружили пытливые физики. В данном случае именно сверхчувствительные устройства вроде атомарных часов могут пролить некий свет на столь малозаметные процессы.

Схема, согласно которой скопления темной материи могут пересекаться с Землей

«Нимб» из темной материи является гипотетической частью галактики, окружающей ее диск и даже простирающейся далеко за ее пределами. Если у Млечного Пути есть ореол из темной материи, то Земля движется сквозь него со скоростью 300 км/с, или же в 1/1000 скорости света. Однако когда ученые исследовали обширный архив данных, собранный их предшественниками, то не обнаружили никаких доказательств взаимодействия фрагментов темной материи с обычной материей.

Заключение

Тем не менее, исследование по обнаружению темной материи заключается не только в достижении индивидуальных результатов, но и в формировании стратегии, которая в будущем позволит избежать ошибок и направит науку на верный путь. Сами ученые уверены, что современное оборудование попросту недостаточно чувствительно для обнаружения мельчайших атомарных сдвигов, но в будущем аналогичный эксперимент на более совершенных приборах увенчается успехом.

www.popmech.ru

Темная материя и Темная энергия

Открытия в космологии обычно проходят в два этапа. На первом исследуется сама суть вопроса: существует ли это нечто? На втором ставится вопрос: что это такое? В случае с темной материей большинство ученых уверено, что первый этап пройден. Если же говорить о темной энергии, то так далеко они пока не продвинулись.

СКРЫТАЯ МАССА

Первым, кто указал на возможность существования темной материи, был швейцарский астроном Фриц Цвикки. В 1932 году он изучал скопление Волосы Вероники. Исследуя движение галактик, вращавшихся вокруг его центра, Цвикки вычислил, сколько материи требуется, чтобы поддерживать их гравитационную связь. Проанализировав их излучение и рассчитав общее количество имевшихся звезд, он обнаружил, что большей части массы не хватало.

Открытие Цвикки должно было бы вызвать громадный интерес, но из-за его раздражительного характера коллеги-ученые его не любили, поэтому это открытие, как и многие другие, сделанные им, были проигнорированы.

СПИРАЛЬНАЯ ЗАГАДКА

Пройдет еще 40 лет, когда другой ученый снова займется изучением скрытой массы. Этим ученым окажется Вера Рубин, работавшая на кафедре геомагнетизма Института Карнеги в Вашингтоне.

С помощью высокочувствительного спектрографа, сконструированного ее коллегой физиком Кентом Фордом, Рубин изучала движения звезд в спиральных галактиках, лежащих на ребре. При расчете скорости этих звезд она отметила аномалию. На удалении от центра галактики звезды не замедлялись, как считалось ранее. Ученые полагали, что звезды в центре, где скоплена большая часть массы, врашаются гораздо быстрее, чем во внешних областях (как планеты в планетарных системах).

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Рубин поняла, что во внешнем гало спиральных галактик должна концентрироваться та же масса, что и в ярко сверкающем центральном диске. Однако увидеть ее невозможно, поскольку речь идет о темной материи. По-началу эти рассуждения были встречены скептически, но дальнейшие исследования подтвердили выводы Рубин и Форда. Анализ газа в скоплениях галактик с помощью рентгеновской обсерватории «Чандра» показал, что темной материи в 10 раз больше, чем вещества, имеющего излучение. Оказалось, что Цвикки был целиком прав.

Для более точного подсчета темной материи было разработано гравитационное линзирование. Этот метод впервые предложил также Цвикки. Все указывало на то, что темной материи было гораздо больше, чем видимого вещества. Правда, если вопрос о самом существовании темной материи больше не стоял, наука пока не могла объяснить, что же это такое.

СТРАННЫЕ ЧАСТИЦЫ

Считалось, что некоторая часть темной материи может включать нейтрино, черные дыры и плотные образования, названные «массивными объектами гало галактик» (МАСНО), такие как коричневые карлики. Профессор астрономии из Принстонского университета в Нью-Джерси Джерри Острикер считает, что «мы не знаем, что такое темная материя, зато мы знаем о том, что к ней точно не относится». У темной материи есть масса, говорит он, но она не участвует в электромагнитном взаимодействии с другой материей, поэтому не излучает и не поглощает свет.

Во-вторых, она не содержит обычных элементарных частиц, о которых мы знаем, поэтому, возможно, она состоит из каких-то странных частиц, которые пока не открыты. Ученые называют такие частицы «слабовзаимодействуюшими массивными частицами» (WIMP). Предпринимаются попытки обнаружить их, но на сегодня результаты пока нулевые.

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Впереди ученых ожидали два новых удара.

Удар № 1: по картам космического фонового излучения вывели форму Вселенной, что дало основание считать, что масса Вселенной намного больше, чем предполагалось ранее.

Удар № 2: изучая красное смешение сверхновых типа 1i в попытках определить скорость расширения Вселенной, астрофизик Сол Перлмуттер, возглавлявший Космологический проект по изучению сверхновых звезд в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, сделал открытие. Он обнаружил, что эти сверхновые были на самом деле на 17-25 % более тусклыми, чем предполагалось по теории Большого взрыва. Они находились от нас дальше, чем показывали прежние прогнозы, стало быть, скорость расширения Вселенной растет. Должна существовать отрицательная гравитация. Ее нарекли темной энергией, и все ученые мира принялись за формулировку теории.

КОСМОС УСКОРЯЕТСЯ

Одно из объяснений, что такое темная энергия, может заключаться в том, что после Большого взрыва она была доминирующей силой, но с расширением Вселенной ее гравитация ослабла. По мере того как плотность пространства уменьшилась примерно 6 млрд лет назад, темная энергия взял верх, и расширение Вселенной стало ускоряться. Другая гипотеза требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна, указывающей на то, что пространство само противодействует гравитации.

Еще одна теория описывает темную энергию как форму отрицательного давления или такой тип силового поля (как электромагнетизм), называемый квинтэссенцией, который отталкивает материю.

Поскольку энергия и масса взаимозаменяемы (по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc²), темная энергия может составлять большую часть массы во Вселенной — чуть ли не до 73 %. А вот темная материя охватывает меньше 27 %, тогда как звезды, газ и пыль вместе дают оставшуюся часть (0,5%). Какое из решений правильное, ученым пока еще только предстоит решить.

    2925      

mir-znaniy.com

Тёмная материя

Первым ученым, кто теоретически обосновал и рассчитал возможность существования скрытой неизвестной материи, был швейцарский астроном болгарского происхождения Фриц Цвикки. Используя доплеровские методы, ученый вычислил скорости восьми галактик, расположенных в созвездии Вероники. В научной литературе иногда встречается другое романтичное название – Волосы Вероники.

Тёмная материя

Тёмная материя и тёмная энергия

История открытия неизвестной массы

Логика расчетов Цвикки заключалась в следующем. Поле тяготения должно удерживать галактики внутри их скопления. Исходя из этого положения, вычисляется необходимая масса. Галактики излучают свет, следовательно, можно рассчитать еще одно значение галактической массы. Эти две величины должны были совпасть, но этого не случилось. Значения очень сильно расходились. Требовалось гораздо большее значение массы для того, чтобы гравитационное поле не давало возможности галактикам разлететься.

Именно этой недостающей ее части Цвикки дал название «темная материя»

Как показали расчеты ученого, обыкновенного вещества в созвездии намного меньше, чем темной материи. Цвикки опубликовал свои результаты в не очень известном журнале Helvetica Phisica Acta.

Однако последующие 40 лет астрофизики старались не замечать такого тревожного и выдающегося результата.

В 1970 году Вера Рубин и У.К.Форд впервые изучают вращательные движения загадочной туманности Андромеды. Немного позже было изучено движение более 60 галактик. Исследования показали, что скорость вращения галактик намного больше той скорости, которую обеспечивает их видимая наблюдаемая масса. Полученный комплекс неоспоримых наблюденных фактов есть доказательство существования скрытой неизвестной материи.

Темная материя. Анатолий Владимирович

Общие представления о неведомых частицах неизвестной материи

В своих исследованиях физики иногда используют труднодоступные для обычных людей методы идентификации непознанных объектов Вселенной. Они оконтуривают неизвестные явления твердо установленными и экспериментально проверенными моделями и начинают потихоньку «прижимать» строптивое явление, терпеливо ожидая от него необходимой информации.

Однако темная материя проявляет истинное гравитационное мужество к научному любопытству физиков.

Скрытая материя скучивается точно так же, как и обыкновенное вещество, образуя галактики и их скопления. В этом, пожалуй, заключается единственное сходство хорошо нам известного видимого вещества и неизвестной массы, доля которой составляет 25% в энергетическом «банке» Вселенной.

Загадка тёмной материи

Этот неизвестный акционер нашей Вселенной обладает простыми свойствами. Достаточно холодное скрытое вещество охотно взаимодействует с его видимым соседом (в частности, с барионами) исключительно на гравитационном языке. Следует отметить, что космическая плотность барионов в несколько раз меньше плотности скрытой материи. Такое превосходство в плотности позволяет ей фактически «руководить» гравитационным потенциалом Вселенной.

Ученые предполагают, что вещественный состав материи – это новые неизвестные частицы. Но обнаружить их пока не удается. Известно лишь то, что они не распадаются на еще более мелкие элементы Природы. Иначе во временном жизненном интервале Вселенной они бы уже прошли процесс распада. Следовательно, этот факт красноречиво говорит в пользу того, что имеет место быть новый закон сохранения, запрещающий распад частиц. Однако он еще не открыт.

Далее, вещество темной материи «не любит» взаимодействовать с известными частицами. В силу этого обстоятельства состав скрытой массы невозможно определить земными экспериментами. Природа частиц остается неизвестной.

Frequency Keepers - Неоднородная Вселенная

Какие есть пути поиска частиц темного вещества?

Перечислим несколько путей.

  1. Есть предположение, что протоны легче неизвестных частиц на 2-3 порядка. В таком случае они могут рождаться в столкновениях с видимыми частицами, если их разогнать до очень высоких энергий в коллайдере.
  2. Сложилось впечатление, что неведомые частицы находятся где-то там, в далеких галактиках. Нет не только там, но и рядом с нами. Предполагается, что в одном кубическом метре их количество может достигать 1000 штук. Однако они предпочитают избегать столкновений с атомными ядрами известного вещества. Хотя такие случаи бывают, и ученые надеются их зарегистрировать.
  3. Неизвестные частицы скрытой массы аннигилируют между собой. Поскольку обычное вещество для них является абсолютно прозрачным, они могут проваливаться в центр Солнца и Земли. Одним из продуктов процесса аннигиляции является нейтрино, которое обладает способностью беспрепятственно проникать сквозь всю толщу Солнца и Земли. Регистрация таких нейтрино, возможно, даст некоторую информацию о неизвестных частицах.

Какова природа скрытой массы?

Ученые наметили три направления в исследовании природы темного вещества.

  1. Барионная темная материя.

При таком предположении все частицы хорошо известны. Но их излучение проявляет себя так, что его невозможно обнаружить.

Примеры:

  • обыкновенное вещество, сильно рассеянное в пространстве между галактиками;
  • массивные астрофизические галообъекты (MACHO).

Данные объекты, окружая галактики, обладают сравнительно маленькими размерами. Имеют очень слабое излучение. Эти свойства не дают возможности их обнаружить.

В состав тел могут входить следующие объекты:

  • коричневые карлики;
  • белые карлики;
  • черные дыры;
  • нейтронные звезды.

Поиск вышеназванных объектов осуществляется с помощью гравитационных линз.

  1. Небарионная темная материя.

Состав вещества неизвестен. Возможны два варианта:

  • холодная масса, которая могла бы включать фотино, аксионы и кварковые комья;
  • горячая масса (нейтрино).
  1. Новый взгляд на тяготение.
Правдивость теории

Не исключено, что межгалактические расстояния заставят посмотреть на выдержанную временем теорию тяготения под новым углом галактического зрения.

Открытия свойств тайной материи еще впереди. Дано ли это знать человеку и что он будет делать с таким богатством – только будущее ответить на эти вопросы.

www.13min.ru

Ученые впервые получили изображение темной материи

#космическая отрасль(105)

#Наука в 2017 году(87)

#Космос(81)

#NASA(80)

#Росатом(80)

#Атомная энергетика(76)

#США(74)

#Медицина(73)

#альтернативная энергетика(59)

#Китай(58)

#Астрономия(57)

#Физика(53)

#Биология(53)

#Роскосмос(50)

#ядерная энергетика(43)

#робототехника(38)

#МГУ(36)

#Ростех(35)

#Биотехнологии(31)

#ядерная безопасность(29)

#экология(28)

#Видеореактор(28)

#СО РАН(27)

#Климат(27)

#ТГУ(25)

#ТПУ(25)

#Химия(24)

#Марс(24)

#Генетика(24)

#2 сезон(24)

#Будущее(22)

#НИЯУ МИФИ(22)

#Япония(22)

#Роботы(22)

#искусственный интеллект(21)

#Палеонтология(21)

#История атомной отрасли(21)

#МФТИ(20)

#История науки(20)

#Космонавтика(19)

#биоинженерия(19)

#Археология(18)

#Геология(17)

#Эволюция(17)

#Нейронауки(17)

#Мозг(17)

#Фантастика(17)

#НГУ(16)

#Индия(16)

#Энергетика(15)

#солнечная энергетика(15)

#ДВФУ(15)

#авиационная отрасль(15)

#Страна Росатом(15)

#История(15)

#Росэнергоатом(15)

#психология(15)

#микроэлектроника(14)

#Экзопланеты(14)

#Материалы(14)

#Арктика(14)

#Солнечная система(14)

#MIT(14)

#Украина(14)

#Ядерная физика(14)

#ТВЭЛ(13)

#Россия(13)

#Ядерные реакторы(13)

#Образование(13)

#ОПК(13)

#Луна(12)

#Динозавры(12)

#ДНК(12)

#Нанотехнологии(12)

#Кино(12)

#Математика(11)

#Франция(11)

#СФУ(11)

#Наука в 2016 году(11)

#ESA(11)

#Германия(11)

#Животные(11)

#SpaceX(11)

#РАН(10)

#Великобритания(10)

#Westinghouse(10)

#ASE(10)

#Микробиология(10)

#Спутники(10)

#Антарктида(10)

#Атомэнергомаш(9)

#Вода(9)

#Астрофизика(9)

#Гарвардский университет(9)

#Пионеры космоса(9)

#НФ-сериалы(9)

#Африка(9)

#Иран(9)

#DARPA(8)

#транспорт(8)

#Казахстан(8)

#ТюмГУ(8)

#Ядерная медицина(8)

#Культура(8)

#Квантовая физика(8)

#биотехнологи(8)

#Библиоатом(7)

#Сколково(7)

#Атомный флот(7)

#АЭС Фукусима(7)

#УрФУ(7)

#Ядерные технологии(7)

#Южная Корея(7)

#Канада(7)

#Океанология(7)

#Вулканы(7)

#уран(7)

#Физика высоких энергий(7)

#Электроника(7)

#ITER(7)

#МИСиС(7)

#Экономика(7)

#Внеземная жизнь(7)

#AREVA(7)

#Океан(6)

#Стэнфордский университет(6)

#Топливо(6)

#Метеорология(6)

#Календарь(6)

#Росатомфлот(6)

#Хэнфорд(6)

#Белорусская АЭС(6)

#Растения(6)

#МКС(6)

#ВШЭ(6)

#Электроэнергетика(6)

#Британские ученые(6)

#Звезды(6)

#Египет(6)

#Роснано(6)

#ледокол Сибирь(5)

#МАГАТЭ(5)

#ВИЭ(5)

#Энергоатом(5)

#Солнце(5)

#Нобелевская премия(5)

#3D-технологии(5)

#ветроэнергетика(5)

#Происхождение жизни(5)

#Атоммаш(5)

#СпбГУ(5)

#Метеориты(5)

#Швейцария(5)

#ИЯФ СО РАН(5)

#Казатомпром(5)

#ЦЕРН(5)

#Земля(5)

#Хевел(5)

#нанотехнологи(5)

#Птицы(5)

#Термоядерный синтез(5)

#ЧАЭС(5)

#ОАЭ(5)

#Стивен Хокинг(5)

#АЭМ-технологии(5)

#здоровье(5)

#Глобальное потепление(5)

#АЭС(5)

#генная инженерия(5)

#кибербезопасность(5)

#ЕС(5)

#Саудовская Аравия(4)

#нейтрино(4)

#Электромобили(4)

#навигация(4)

#Сибирь(4)

#биоресурсы(4)

#лазеры(4)

#ДВО РАН(4)

#Юпитер(4)

#Инновация(4)

#Продовольственная безопасность(4)

#МИФИ(4)

#Breakthrough initiatives(4)

#Спутниковые фото(4)

#Ботаника(4)

#Клетка(4)

#Эмбрион(4)

#Toshiba(4)

#Ускорители частиц(4)

#Образ ученых(4)

#Изобретатели(4)

#Наука(4)

#Частная космонавтика(4)

#ЮАР(4)

#Калашников(4)

#Быстрые реакторы(4)

#нефтяная отрасль(4)

#трансплантология(4)

#ОСК(4)

#Изотопы(4)

#Комиксы(4)

#Армения(3)

#Европейское космическое агентство(3)

#Мецаморская АЭС(3)

#плазма(3)

#Висконсинский университет(3)

#Брауновский университет(3)

#интернет(3)

#Зоология(3)

#Тяньваньская АЭС(3)

#строительство(3)

#Сколтех(3)

#ледники(3)

#Евратом(3)

#Польша(3)

#

reactor.space

Что такое темная материя? Существует ли темная материя?

Вопрос происхождения Вселенной, ее прошлого и будущего волновал людей с незапамятных времен. На протяжении многих веков теории возникали и опровергались, предлагая картину мира, опирающуюся на известные данные. Основательным потрясением для научного мира стала теория относительности Эйнштейна. Она же внесла огромный вклад в понимание процессов, формирующих Вселенную. Однако и теория относительности не могла претендовать на звание истины в последней инстанции, не требующей каких бы то ни было дополнений. Совершенствующиеся технологии позволили астрономам сделать немыслимые ранее открытия, которые потребовали новой теоретической базы или значительного расширения уже существующих положений. Одним из таких феноменов стала темная материя. Но обо всем по порядку.

Дела давно минувших дней

Для понимания термина «темная материя» вернемся в начало прошлого века. В то время главенствовало представление о Вселенной как о стационарной структуре. Между тем общая теория относительности (ОТО) предполагала, что рано или поздно сила притяжения приведет к «слипанию» всех объектов космоса в единый клубок, произойдет так называемый гравитационный коллапс. Между космическими объектами не существует сил отталкивания. Взаимное притяжение компенсируется центробежными силами, создающими постоянное движение звезд, планет и прочих тел. Таким образом поддерживается равновесие системы.

Для того чтобы предотвратить теоретический коллапс Вселенной, Эйнштейн ввел космологическую постоянную - величину, приводящую систему в необходимое стационарное состояние, но при этом фактически выдуманную, не имеющую очевидных оснований.

Расширяющаяся Вселенная

Вычисления и открытия Фридмана и Хаббла показали отсутствие необходимости нарушать стройные уравнения ОТО при помощи новой постоянной. Было доказано, и сегодня этот факт практически ни у кого не вызывает сомнений, что Вселенная расширяется, у нее было когда-то начало, и о стационарности речи идти не может. Дальнейшее развитие космологии привело к появлению теории большого взрыва. Главное подтверждение новых предположений — наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками. Именно измерение скорости удаления друг от друга соседних космических систем и привело к формированию гипотезы о том, что существует темная материя и темная энергия.

Данные, не согласующиеся с теорией

Фриц Цвикки в 1931 году, а потом и Ян Оорт в 1932-м и в 1960-х занимались подсчетом массы вещества галактик в удаленном скоплении и соотношения ее со скоростью удаления их друг от друга. Из раза в раз ученые приходили к одним и тем же выводам: такого количества вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла удержать вместе галактики, двигающиеся со столь большими скоростями. Цвикки и Оорт предположили, что существует скрытая масса, темная материя Вселенной, не позволяющая космическим объектам разлететься в разные стороны.

Однако гипотеза получила признание научного мира только в семидесятых годах, после оглашения результатов работы Веры Рубин. Она построила кривые вращения, наглядно демонстрирующие зависимость скорости движения вещества галактики от расстояния, которое отделяет его от центра системы. Вопреки теоретическим предположениям оказалось, что скорости звезд по мере удаления от галактического центра не уменьшаются, а возрастают. Объяснить подобное поведение светил можно было только наличием у галактики гало, которое заполняет темная материя. Астрономия, таким образом, столкнулась с совершенно неизученной частью мироздания.

Свойства и состав

Темной этот вид материи называют потому, что ее нельзя увидеть никакими существующими способами. Ее присутствие опознается по косвенному признаку: темная материя создает гравитационное поле, при этом не излучая совершенно электромагнитных волн.

Важнейшей задачей, возникшей перед учеными, стало получение ответа на вопрос о том, из чего состоит эта материя. Астрофизики пытались «наполнить» ее привычным барионным веществом (барионная материя состоит из более или менее изученных протонов, нейтронов и электронов). В темное гало галактик включали компактные слабоизлучающие звезды типа коричневых карликов и огромные, по массе приближенные к Юпитеру планеты. Однако подобные предположения не выдерживали проверки. Барионная материя, привычная и известная, таким образом, не может играть существенной роли в скрытой массе галактик.

Сегодня поиском неизвестных составляющих занимается физика. Практические изыскания ученых основываются на теории суперсимметрии микромира, согласно которой для каждой известной частицы существует суперсимметричная пара. Вот они-то и составляют темную материю. Однако доказательств существования подобных частиц пока получить не удалось, возможно, это дело ближайшего будущего.

Темная энергия

Открытием нового типа материи не закончились сюрпризы, которые подготовила Вселенная ученым. В 1998 году астрофизикам представился еще один шанс сопоставить данные теорий с фактами. Этот год ознаменовался взрывом сверхновой звезды в далекой от нас галактике. Астрономы измерили расстояние до нее и крайне удивились полученным данным: звезда вспыхнула гораздо дальше, чем это должно было быть согласно существующей теории. Оказалось, что скорость расширения Вселенной со временем увеличивается: сейчас она гораздо выше, чем была 14 миллиардов лет назад, когда предположительно случился большой взрыв.

Как известно, чтобы ускорить движение тела, ему нужно передать энергию. Силу, которая вынуждает Вселенную расширяться быстрее, стали называть темной энергией. Это не менее загадочная часть космоса, чем темная материя. Известно лишь, что для нее характерно равномерное распределение по всей Вселенной, а зарегистрировать ее воздействие можно лишь на огромных космических расстояниях.

И снова космологическая постоянная

Темная энергия пошатнула теорию большого взрыва. Часть научного мира скептически относится к возможности подобной субстанции и вызванного ей ускорения расширения. Некоторые астрофизики пытаются возродить забытую космологическую постоянную Эйнштейна, которая вновь из разряда большой научной ошибки может перейти в число рабочих гипотез. Ее присутствие в уравнениях создает антигравитацию, приводящую к ускорению расширения. Однако некоторые следствия наличия космологической постоянной не согласуются с данными наблюдений.

Сегодня темная материя и темная энергия, составляющие большую часть вещества во Вселенной, — загадки для ученых. Однозначного ответа на вопрос об их природе нет. Более того, возможно, это не последняя тайна, что хранит от нас космос. Темная материя и энергия могут стать преддверием новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной.

fb.ru

Тёмная материя - нерешенная загадка современной науки

Содержание страницы:

В 30-х годах ХХ в. швейцарец Ф. Цвикки наблюдал за одним из самых больших галактических скоплений в созвездии Волосы Вероники. Из наблюдений выяснилось, что видимая масса скопления гораздо меньше существующей. Эти данные подтвердились через сорок лет Верой Рубин. Стало понятно, что некая тёмная материя и тёмная энергия наполняют основной массой и галактическое пространство, и любое другое.

Наличие тёмной материи начали предполагать исходя из некоторых наблюдении:

  • Скорости вращения галактик не убывают от центра к краям. Убывание скорости должно происходить, если галактическая масса соответствует видимой.
  • Исследования спутников галактик и шаровых скоплений показывали, что вся масса галактики больше общей массы её звёзд и других составляющих
  • Двойные галактические системы и скопления обладали большей долей тёмной материи
  • В эллиптических галактиках звёздной массы не хватит, чтобы удерживать горячий газ

Из всех наблюдений выявились некоторые свойства таинственного вещества. Оно может взаимодействовать с обычным веществом. Тёмная материя в несколько раз плотнее барионного, и захватывает его частицы посредством гравитационных ям. Вследствие этого происходит свечение.

Вокруг нашего светила, на расстояниях до 13 тыс. св. лет, больших объёмов тёмной материи не выявлено, хотя, по расчётам, концентрация её должна быть порядка 0,5 кг на объём Земли.

Обсерватория «Планк» в 2013 году опубликовала данные о составе наблюдаемой Вселенной. Обычная (барионная) материя составляет 4,9%, тёмная – 26,8%, а тёмная энергия – 68,3%. Из этого очевидно, что тёмная материя и тёмная энергия — основа нашей Вселенной.

Что входит в тёмную материю (теории)

  • Барионная тёмная материя. Вполне логично допущение, что эта материя обычная, но плохо взаимодействующая электромагнитным образом. Поэтому обнаружить её не удаётся. Состав этого вещества может быть таким: звёзды-карлики, тёмные гало, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Возможно присутствие звёзд кварковых и преонных, но они имеют статус объектов гипотетических. Такой вариант объяснения тёмной материи следует из космологии Большого взрыва. Исходя из этого, получается, что концентрация лёгких элементов должна быть резко отличной от наблюдаемой.
  • Небарионная тёмная материя. Предполагаемых объектов такого вещества достаточно. Но, конечно, всё это – теоретические модели.
  • Лёгкие нейтрино. Эти частицы реально существуют, и этот факт доказан. Считается, что их число во Вселенной аналогично числу фотонов. Хотя они и обладают очень малой массой, но общее число вполне может влиять на динамику пространства. Их масса в диапазоне 10-2 – 10-3 эВ. После производства некоторых экспериментов выяснилось, что лёгкие нейтрино не могут быть доминирующей частью тёмной материи.
  • Тяжёлые нейтрино. Эти нейтрино названы стерильными за неспособность слабого взаимодействия. Изученные свойства этих частиц таковы, что они вполне способны составить значительную часть тёмной материи. Параметры их масс — 10-1 – 10-4 эВ.
  • Аксионы. Такой тип частиц относится к гипотетическим нейтральным. Они введены в квантовую хромодинамику для решения некоторых проблем. Возможно, что они составляют существенную часть тёмной материи, несмотря на небольшую массу — 10-5эВ.
  • Суперсимметричные частицы. Теоретически существует одна такая частица — LSP. Она стабильная, и не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях . Ею может быть гравитино, фотино, хиггсино и некоторые другие.
  • Космионы. Такие частицы ввели в физику, чтобы разрешить проблемы солнечных нейтрино. Но, после разрешения некоторых теорий, эти частицы, вероятно, исключат из числа претендентов, составляющих тёмную материю.
  • Дефекты пространства-времени. В вакуумном поле Вселенной могли происходить энергетические скачки. Результатом этого могла стать различная выстроенность скалярного поля. При взаимодействии областей, имеющих различную ориентацию, образовывались дефекты разных конфигураций. Объекты, полученные при этом, наделены большой массой. Они вполне могли бы стать доминирующей составляющей тёмной материи. Но пока такие частицы не обнаружены.

Классификация

Начальные стадии развития Вселенной характерны термодинамическим равновесием между частицами тёмной материи и космической плазмы. В какой-то момент началось снижение температуры, из-за чего изменились параметры пролёта частиц в плазме. Все взаимодействия с барионными частицами прекратились. Исходя из значений температуры, при которых это случилось, тёмная материя разделяется на три типа:

  1. Горячая. Такой параметр тёмной материи получился из-за многократного превышения энергии частиц над их массой, случившегося в точке выхода из равновесия.
  2. Холодная. Это частицы, вылетевшие из плазмы в нерелятивистском состоянии, то есть, не имеющие околосветовых скоростей. На роль таких частиц претендует класс вимпов – это массивные, но слабо взаимодействующие частицы. Они тоже пока существуют только в умах учёных. Они имеют приличную массу – больше десятков ГэВ – и остаточную концентрацию, которая способна сбалансировать энергии современной Вселенной. Сила их взаимодействия с барионным веществом позволяет надеяться на обнаружение их в прямом виде. Из теоретических разработок следует, что тёмная материя в любой галактике должна особенно концентрироваться в её центре. Но астрономические наблюдения  опровергают это, показывая, что она собирается в гало вокруг галактик и наполняет межгалактические пустоты.
  3. Тёплая. Такой тип материи составляют частицы, имеющие массу, не меньше 1 эВ. На выходе из равновесного состояния такие частицы были релятивистские. Они могли образоваться во время  перехода из одной стадии расширения Вселенной в другую. Возможными кандидатами на роль такого типа материи стали нейтрино и LSP-гравитино.

Изучение тёмной материи

Пока известно о трёх методах, позволяющих производить прямые астрономические наблюдения.

  1. Динамический. Изучаются радиальные скорости галактик в их скоплениях при помощи современных приборов.
  2. Газодинамический. Исследуется рентгеновское излучение горячих газов скоплений.
  3. Расчёт слабого гравитационного линзирования. Для этого метода необходимы точные изображения очень удалённых крупнейших скоплений галактик.

Фактическое обнаружение частиц

Все частицы тёмной материи не имеют электрического заряда. Это является главной трудностью в их поиске, существующем в двух вариантах.

  1. Прямой. Используя наземную аппаратуру, проводятся изучения следствий, вытекающих из взаимодействия тёмных частиц с электронами и ядрами атомов.
  2. Косвенный. Отыскиваются возможные потоки вторичных частиц, возникших в результате различных действий, например аннигиляции материи.

Всё усложняющиеся наблюдения учёных за нашим миром, позволяют сделать вывод, что большая часть его нам неведома. 95% всего наполнения Вселенной – интересная загадка, которую ещё предстоит решить.

comments powered by HyperComments

light-science.ru