Len o komplikovaných veciach: čo je temná hmota a kde ju hľadať.

Temná hmota je ďalším z objavov ľudstva „na špičke pera“. Nikto to nikdy nepocítil, nevyžaruje elektromagnetické vlny a neinteraguje s nimi. Už viac ako pol storočia neexistujú žiadne experimentálne dôkazy o existencii temnej hmoty, poskytujú sa iba experimentálne výpočty, ktoré údajne potvrdzujú jej existenciu. Ale v súčasnosti je to len hypotéza astrofyzikov. Treba však poznamenať, že ide o jednu z najzaujímavejších a veľmi rozumných vedeckých hypotéz.

Všetko to začalo na začiatku minulého storočia: astronómovia si všimli, že obraz sveta, ktorý pozorovali nezapadá do teórie gravitácie. Teoreticky sa galaxie s vypočítanou hmotnosťou otáčajú rýchlejšie, ako by mali.

To znamená, že majú (galaxie) oveľa väčšiu hmotnosť, ako naznačujú výpočty z uskutočnených pozorovaní. Ale keďže sa stále otáčajú, potom buď teória gravitácie nie je správna, alebo táto teória „nefunguje“ na objektoch, ako sú galaxie. Alebo je vo vesmíre viac hmoty, ako dokážu moderné prístroje odhaliť. Táto teória sa medzi vedcami stala populárnejšou a táto nehmotná hypotetická látka sa nazývala temná hmota.
Z výpočtov vyplýva, že tmavej hmoty v galaxiách je približne 10-krát viac ako zvyčajne a rôzne hmoty medzi sebou interagujú iba na gravitačnej úrovni, čiže tmavá hmota sa prejavuje výlučne vo forme hmoty.
Niektorí vedci naznačujú, že niektorí temná hmota- Ide o obyčajnú látku, ktorá však nevyžaruje elektromagnetické žiarenie. Medzi takéto objekty patria tmavé galaktické halo, neutrónové hviezdy a hnedí trpaslíci, ako aj iné, zatiaľ hypotetické vesmírne objekty.

Ak veríte záverom vedcov, potom sa zbiera bežná hmota (obsiahnutá hlavne v galaxiách).
okolo oblastí s najhustejšou koncentráciou tmavej hmoty. Na výslednom priestore
Na mape je temná hmota v priebehu času nerovnomernou sieťou obrovských vlákien
zväčšovanie a zmenšovanie v miestach galaktických kôp.

Tmavá hmota je rozdelená do niekoľkých tried: horúca, teplá a studená (závisí to od rýchlosti častíc, z ktorých sa skladá). Takto sa rozlišuje horúca, teplá a studená tmavá hmota. Je to studená tmavá hmota, ktorá je predmetom najväčšieho záujmu astronómov, pretože môže vytvárať stabilné objekty, napríklad celé tmavé galaxie.
Teória temnej hmoty tiež zapadá do teórie veľkého tresku. Vedci preto predpokladajú, že 300-tisíc rokov po výbuchu sa častice tmavej hmoty najskôr začali zhlukovať v obrovských množstvách a potom sa na nich zhromaždili častice bežnej hmoty pôsobením gravitačnej sily a vznikli galaxie.
Tieto prekvapivé zistenia znamenajú že hmotnosť bežnej hmoty je len niekoľko percent celkovej hmotnosti vesmíru!!!

To znamená, že svet viditeľný pre nás je len malou časťou toho, z čoho sa vesmír v skutočnosti skladá. A my si ani nevieme predstaviť, čo je to obrovské „niečo“.

Temná hmota a temná energia vo vesmíre

V. A. Rubakov,
Inštitút jadrového výskumu RAS, Moskva, Rusko

1. Úvod

Prírodné vedy sú teraz na začiatku novej, mimoriadne zaujímavej etapy svojho vývoja. Je to pozoruhodné predovšetkým preto, že veda o mikrokozme – fyzika elementárnych častíc – a veda o vesmíre – kozmológia – sa stávajú jednou vedou o základných vlastnostiach sveta okolo nás. Pomocou rôznych metód odpovedajú na rovnaké otázky: akou hmotou je dnes vesmír naplnený? Aký bol jeho vývoj v minulosti? Aké procesy prebiehali medzi elementárnymi časticami v ranom vesmíre, ktoré nakoniec viedli k jeho súčasnému stavu? Ak sa pomerne nedávno diskusia o tomto druhu otázok zastavila na úrovni hypotéz, dnes existuje množstvo experimentálnych a pozorovacích údajov, ktoré umožňujú získať kvantitatívne (!) odpovede na tieto otázky. Toto je ďalšia črta súčasnej fázy: kozmológia sa za posledných 10–15 rokov stala exaktnou vedou. Už dnes sú pozorovacie kozmologické údaje vysoko presné; Ešte viac informácií o modernom a ranom vesmíre získame v nasledujúcich rokoch.

Najnovšie kozmologické údaje si vyžadujú radikálne doplnenie moderných predstáv o štruktúre hmoty a základných interakciách elementárnych častíc. Dnes vieme všetko alebo takmer všetko o „stavebných blokoch“, z ktorých sa skladá bežná hmota – atómy, atómové jadrá, protóny a neutróny, ktoré tvoria jadrá – a o tom, ako tieto „stavebné bloky“ medzi sebou interagujú vo vzdialenostiach do 1. /1000 veľkosť atómového jadra (obr. 1). Tieto poznatky boli získané ako výsledok dlhoročného experimentálneho výskumu hlavne na urýchľovačoch a teoretického pochopenia týchto experimentov. Kozmologické údaje naznačujú existenciu nových typov častíc, ktoré ešte neboli objavené v pozemských podmienkach a tvoria „temnú hmotu“ vo vesmíre. S najväčšou pravdepodobnosťou hovoríme o celej vrstve nových javov vo fyzike mikrosveta a je dosť možné, že túto vrstvu javov v pozemských laboratóriách v blízkej budúcnosti objavia.

Ešte prekvapivejším výsledkom pozorovacej kozmológie bol náznak existencie úplne novej formy hmoty – „temnej energie“.

Aké sú vlastnosti temnej hmoty a temnej energie? Aké kozmologické údaje naznačujú ich existenciu? Čo to znamená z pohľadu fyziky mikrosveta? Aké sú vyhliadky na štúdium temnej hmoty a temnej energie v pozemských podmienkach? Prednáška, ktorú vám ponúkame, je venovaná týmto otázkam.

2. Rozširujúci sa vesmír

Existuje množstvo faktov, ktoré hovoria o vlastnostiach vesmíru dnes a v relatívne nedávnej minulosti.

Vesmír ako celok homogénne: Všetky oblasti vo vesmíre vyzerajú rovnako. Samozrejme, toto neplatí pre malé oblasti: sú oblasti, kde je veľa hviezd – to sú galaxie; sú oblasti, kde je veľa galaxií – sú to zhluky galaxií; Sú aj oblasti, kde je málo galaxií – sú to obrovské prázdne miesta. Ale oblasti 300 miliónov svetelných rokov alebo väčšie vyzerajú všetky rovnako. Jasne to dokazujú astronomické pozorovania, ktorých výsledkom je „mapa“ vesmíru do vzdialenosti asi 10 miliárd svetelných rokov od nás. Treba povedať, že táto „mapa“ slúži ako zdroj mimoriadne cenných informácií o modernom vesmíre, pretože nám umožňuje na kvantitatívnej úrovni presne určiť, ako je hmota vo vesmíre rozložená.

Zapnuté ryža. 2 je zobrazený fragment tejto mapy, ktorý pokrýva relatívne malý objem vesmíru. Je vidieť, že vo vesmíre sú pomerne veľké štruktúry, ale vo všeobecnosti sú v ňom galaxie „rozptýlené“ rovnomerne.

Vesmír rozširujúce sa: Galaxie sa od seba vzďaľujú. Vesmír sa rozprestiera všetkými smermi a čím ďalej je tá či oná galaxia od nás, tým rýchlejšie sa od nás vzďaľuje. Dnes je rýchlosť tejto expanzie malá: všetky vzdialenosti sa zdvojnásobia za približne 15 miliárd rokov, ale predtým bola rýchlosť expanzie oveľa väčšia. Hustota hmoty vo vesmíre časom klesá a v budúcnosti bude vesmír čoraz vzácnejší. Naopak, vesmír býval oveľa hustejší ako teraz. Rozpínanie vesmíru priamo dokazuje „červenanie“ svetla vyžarovaného vzdialenými galaxiami alebo jasnými hviezdami: v dôsledku všeobecného rozťahovania vesmíru sa vlnová dĺžka svetla zvyšuje, keď letí smerom k nám. Práve tento jav objavil E. Hubble v roku 1927 a slúžil ako pozorovací dôkaz expanzie vesmíru, ktorú o tri roky skôr predpovedal Alexander Friedman.

Je pozoruhodné, že moderné pozorovacie údaje umožňujú nielen merať rýchlosť rozpínania vesmíru v súčasnosti, ale sledovať aj rýchlosť jeho rozpínania v minulosti. Povieme si o výsledkoch týchto meraní a o ďalekosiahlych záveroch, ktoré z nich vyplývajú. Tu si povieme nasledovné: samotný fakt rozpínania vesmíru spolu s teóriou gravitácie – všeobecnou teóriou relativity – naznačuje, že vesmír bol v minulosti mimoriadne hustý a extrémne rýchlo sa rozpínal. Ak sledujeme vývoj vesmíru späť do minulosti pomocou známych fyzikálnych zákonov, dospejeme k záveru, že tento vývoj začal Veľkým treskom; v tomto bode bola hmota vo vesmíre taká hustá a gravitačná interakcia taká silná, že neplatili známe fyzikálne zákony. Odvtedy uplynulo 14 miliárd rokov, toto je vek moderného vesmíru.

Vesmír je „teplý“: obsahuje elektromagnetické žiarenie charakterizované teplotou T = 2,725 stupňov Kelvina (reliktné fotóny, dnes predstavujúce rádiové vlny). Samozrejme, táto teplota je dnes nízka (nižšia ako teplota tekutého hélia), ale v minulosti to zďaleka tak nebolo. Vesmír sa pri rozpínaní ochladzuje, takže v raných fázach jeho vývoja bola teplota, ako aj hustota hmoty oveľa vyššia ako dnes. V minulosti bol vesmír horúci, hustý a rýchlo sa rozpínajúci.

Fotografia zobrazená na ryža. 3 , viedol k niekoľkým dôležitým a neočakávaným záverom. Po prvé, umožnilo zistiť, že náš trojrozmerný priestor je euklidovský s dobrým stupňom presnosti: súčet uhlov trojuholníka v ňom sa rovná 180 stupňom, a to aj pre trojuholníky so stranami, ktorých dĺžky sú porovnateľné s veľkosť viditeľnej časti vesmíru, t.j. porovnateľná so 14 miliardami svetelných rokov. Všeobecne povedané, všeobecná teória relativity umožňuje, že priestor nemusí byť euklidovský, ale zakrivený; pozorovacie údaje naznačujú, že to tak nie je (aspoň pre našu oblasť vesmíru). Metóda merania „súčtu uhlov trojuholníka“ na mierkach kozmologických vzdialeností je nasledovná. Je možné spoľahlivo vypočítať charakteristickú priestorovú veľkosť oblastí, kde sa teplota líši od priemeru: v okamihu prechodu plazma-plyn je táto veľkosť určená vekom vesmíru, t.j. je úmerná 300 tisícom svetla. rokov. Pozorovaná uhlová veľkosť týchto oblastí závisí od geometrie trojrozmerného priestoru, čo umožňuje určiť, že táto geometria je euklidovská.

V prípade euklidovskej geometrie trojrozmerného priestoru všeobecná teória relativity jednoznačne spája rýchlosť expanzie vesmíru s celkovým hustota všetkých foriem energie a Rovnako ako v Newtonovej teórii gravitácie, rýchlosť rotácie Zeme okolo Slnka je určená hmotnosťou Slnka. Nameraná rýchlosť expanzie zodpovedá celkovej hustote energie v modernom vesmíre

Z hľadiska hustoty hmoty (keďže energia I súvisí s hmotnosťou vzťahom E = mс 2 ) toto číslo je

Ak by energia vo vesmíre bola úplne určená pokojovou energiou bežnej hmoty, potom by vo vesmíre bolo v priemere 5 protónov na meter kubický. Uvidíme však, že obyčajnej hmoty je vo Vesmíre oveľa menej.

Po druhé, z fotografie ryža. 3 je možné zistiť, čo to bolo rozsah(amplitúda) nehomogenít teplota a hustota v ranom vesmíre - bola 10 –4 –10 –5 od priemerných hodnôt. Práve z týchto nehomogenít hustoty vznikli galaxie a zhluky galaxií: oblasti s vyššou hustotou priťahovali okolitú hmotu v dôsledku gravitačných síl, stali sa ešte hustejšími a nakoniec vytvorili galaxie.

Keďže počiatočné nehomogenity hustoty sú známe, proces tvorby galaxií je možné vypočítať a výsledok porovnať s pozorovanou distribúciou galaxií vo vesmíre. Tento výpočet je v súlade s pozorovaniami iba vtedy, ak predpokladáme, že okrem bežnej hmoty existuje vo vesmíre aj iný druh hmoty – temná hmota, ktorej podiel na celkovej hustote energie je dnes asi 25 %.

Ďalšia etapa vývoja Vesmíru zodpovedá ešte skorším dobám, od 1 do 200 sekúnd (!) od okamihu Veľkého tresku, keď teplota Vesmíru dosiahla miliardy stupňov. V tomto čase prebiehali vo vesmíre termonukleárne reakcie, podobné reakciám v strede Slnka alebo v termonukleárnej bombe. V dôsledku týchto reakcií sa niektoré protóny spojili s neutrónmi a vytvorili ľahké jadrá - jadrá hélia, deutéria a lítia-7. Je možné vypočítať počet vytvorených svetelných jadier, zatiaľ čo jediným neznámym parametrom je hustota počtu protónov vo vesmíre (ten sa samozrejme znižuje v dôsledku expanzie vesmíru, ale jeho hodnoty v rôznych časoch jednoducho spolu súvisia).

Porovnanie tohto výpočtu s pozorovaným množstvom svetelných prvkov vo vesmíre je uvedené v ryža. 4 : čiary predstavujú výsledky teoretických výpočtov v závislosti od jediného parametra - hustoty bežnej hmoty (baryónov) a obdĺžnikov - pozorovacích údajov. Je pozoruhodné, že existuje zhoda pre všetky tri ľahké jadrá (hélium-4, deutérium a lítium-7); Zhoda je aj s údajmi o žiarení kozmického mikrovlnného pozadia (znázornené zvislým pruhom na obr. 4, označeným CMB - Cosmic Microwave Background). Táto dohoda naznačuje, že všeobecná teória relativity a známe zákony jadrovej fyziky správne opisujú vesmír vo veku 1–200 sekúnd, keď hmota v ňom mala teplotu miliardu stupňov alebo vyššiu. Je pre nás dôležité, aby všetky tieto údaje viedli k záveru, že hustota hmotnosti bežnej hmoty v modernom vesmíre je

to znamená, že bežná hmota sa podieľa len 5% na celkovej hustote energie vo vesmíre.

4. Energetická bilancia v modernom vesmíre

Takže podiel bežnej hmoty (protóny, atómové jadrá, elektróny) na celkovej energii v modernom vesmíre je len 5%. Vesmír obsahuje okrem bežnej hmoty aj reliktné neutrína – asi 300 neutrín všetkých typov na centimeter kubický. Ich podiel na celkovej energii (hmotnosti) vo vesmíre je malý, pretože hmotnosti neutrín sú malé a určite nie sú väčšie ako 3%. Zvyšných 90 – 95 % celkovej energie vo vesmíre je „to, čo nie je známe“. Navyše toto „neznáme čo“ pozostáva z dvoch frakcií – temnej hmoty a temnej energie a ako je znázornené v ryža. 5 .

Zároveň je hmota vo hviezdach stále 10-krát menšia; obyčajná hmota sa nachádza hlavne v oblakoch plynu.

5. Temná hmota

Temná hmota je podobná bežnej hmote v tom zmysle, že je schopná zhromažďovať sa do zhlukov (veľkosti, povedzme, galaxie alebo zhluku galaxií) a podieľa sa na gravitačných interakciách rovnakým spôsobom ako obyčajná hmota. S najväčšou pravdepodobnosťou pozostáva z nových častíc, ktoré v pozemských podmienkach ešte neboli objavené.

Okrem kozmologických údajov existenciu tmavej hmoty podporujú aj merania gravitačného poľa v kopách galaxií a v galaxiách. Existuje niekoľko spôsobov, ako merať gravitačné pole v kopách galaxií, jedným z nich je gravitačná šošovka, znázornená na ryža. 6 .

Gravitačné pole kopy ohýba lúče svetla vyžarované galaxiou umiestnenou za kopou, t.j. gravitačné pole pôsobí ako šošovka. V tomto prípade sa niekedy objaví niekoľko obrázkov tejto vzdialenej galaxie; v ľavej polovici obr. 6 sú modré. Ohyb svetla závisí od rozloženia hmoty v zhluku bez ohľadu na to, ktoré častice túto hmotu vytvárajú. Takto obnovené rozloženie hmoty je znázornené v pravej polovici obr. 6 v modrej farbe; je jasné, že sa veľmi líši od rozloženia svietivej látky. Takto namerané hmotnosti zhlukov galaxií sú v súlade so skutočnosťou, že temná hmota sa podieľa asi 25 % na celkovej hustote energie vo vesmíre. Pripomeňme, že toto isté číslo sa získa porovnaním teórie vzniku štruktúr (galaxií, zhlukov) s pozorovaniami.

Temná hmota existuje aj v galaxiách. Vyplýva to opäť z meraní gravitačného poľa, teraz v galaxiách a ich okolí. Čím silnejšie je gravitačné pole, tým rýchlejšie sa hviezdy a oblaky plynu otáčajú okolo galaxie, takže meranie rýchlosti rotácie v závislosti od vzdialenosti od stredu galaxie nám umožňuje rekonštruovať rozloženie hmoty v nej. Toto je znázornené v ryža. 7 : keď sa vzďaľujete od stredu galaxie, rýchlosť rotácie neklesá, čo naznačuje, že v galaxii, vrátane ďaleko od jej svietivej časti, je nesvietivá tmavá hmota. V našej Galaxii v blízkosti Slnka je hmotnosť tmavej hmoty približne rovnaká ako hmotnosť bežnej hmoty.

Čo sú častice tmavej hmoty? Je jasné, že tieto častice by sa nemali rozpadať na iné, ľahšie častice, inak by sa počas existencie Vesmíru rozpadli. Táto skutočnosť sama o sebe naznačuje, že v prírode existuje Nový, ešte neotvorené zákon zachovania, ktorý zabraňuje rozpadu týchto častíc. Analógia je tu so zákonom zachovania elektrického náboja: elektrón je najľahšia častica s elektrickým nábojom, a preto sa nerozpadá na ľahšie častice (napríklad neutrína a fotóny). Ďalej, častice temnej hmoty interagujú s našou hmotou extrémne slabo, inak by už boli objavené pri pozemských experimentoch. Potom začína oblasť hypotéz. Najpravdepodobnejšou (ale zďaleka nie jedinou!) hypotézou sa zdá byť, že častice temnej hmoty sú 100–1000-krát ťažšie ako protón a že ich interakcia s bežnou hmotou je intenzitou porovnateľná s interakciou neutrín. V rámci tejto hypotézy nachádza moderná hustota temnej hmoty jednoduché vysvetlenie: častice temnej hmoty sa intenzívne rodili a anihilovali vo veľmi ranom vesmíre pri ultra vysokých teplotách (asi 10-15 stupňov) a niektoré z nich prežili dodnes. Vzhľadom na špecifikované parametre týchto častíc sa ich aktuálny počet vo vesmíre ukazuje presne taký, aký je potrebný.

Môžeme v blízkej budúcnosti očakávať objavenie častíc temnej hmoty v pozemských podmienkach? Keďže dnes nepoznáme povahu týchto častíc, nie je možné na túto otázku odpovedať úplne jednoznačne. Výhľad sa však zdá byť veľmi optimistický.

Existuje niekoľko spôsobov, ako hľadať častice temnej hmoty. Jeden z nich je spojený s experimentmi na budúcich vysokoenergetických urýchľovačoch a urýchľovačoch. Ak sú častice tmavej hmoty skutočne 100–1000-krát ťažšie ako protón, potom sa zrodia pri zrážkach obyčajných častíc zrýchlených na zrážačoch na vysoké energie (energie dosiahnuté na existujúcich zrážačoch na to nestačia). Bezprostredné vyhliadky sú tu spojené s Veľkým hadrónovým urýchľovačom (LHC), ktorý sa buduje v medzinárodnom centre CERN pri Ženeve a ktorý bude produkovať zrážkové zväzky protónov s energiou 7x7 teraelektronvoltov. Treba povedať, že podľa dnes populárnych hypotéz sú častice tmavej hmoty len jedným zástupcom novej rodiny elementárnych častíc, takže spolu s objavom častíc tmavej hmoty možno dúfať v objavenie celej triedy nových častice a nové interakcie na urýchľovačoch. Kozmológia naznačuje, že svet elementárnych častíc nie je ani zďaleka vyčerpaný „stavebnými kameňmi“, ktoré sú dnes známe!

Ďalším spôsobom je detekovať častice temnej hmoty, ktoré lietajú okolo nás. Nie je ich v žiadnom prípade malý počet: s hmotnosťou rovnajúcou sa 1000-násobku hmotnosti protónu by tu a teraz malo byť 1000 týchto častíc na meter kubický. Problém je v tom, že s bežnými časticami interagujú extrémne slabo, látka je pre nich priehľadná. Častice tmavej hmoty sa však príležitostne zrážajú s atómovými jadrami a tieto kolízie sa snáď dajú odhaliť. Hľadajte týmto smerom

Napokon, ďalší spôsob je spojený so zaznamenávaním produktov anihilácie častíc temnej hmoty medzi sebou. Tieto častice by sa mali hromadiť v strede Zeme a v strede Slnka (hmota je pre nich takmer priehľadná a sú schopné padať do Zeme alebo Slnka). Tam sa navzájom anihilujú a pri tom vznikajú ďalšie častice vrátane neutrín. Tieto neutrína voľne prechádzajú hrúbkou Zeme alebo Slnka a môžu byť zaznamenané špeciálnymi inštaláciami – neutrínovými teleskopy. Jeden z týchto neutrínových teleskopov sa nachádza v hlbinách jazera Bajkal (NT-200, ryža. 8 ), ďalší (AMANDA) - hlboko v ľade na južnom póle.

Ako je uvedené v ryža. 9 , neutríno prichádzajúce napríklad zo stredu Slnka môže s nízkou pravdepodobnosťou zažiť interakciu vo vode, ktorej výsledkom je vznik nabitej častice (miónu), ktorej svetlo sa zaznamenáva. Keďže interakcia neutrín s hmotou je veľmi slabá, pravdepodobnosť takejto udalosti je nízka a je potrebný detektor s veľmi veľkým objemom. Teraz sa na južnom póle začalo s výstavbou detektora s objemom 1 kubický kilometer.

Existujú aj iné prístupy k hľadaniu častíc temnej hmoty, napríklad hľadanie produktov ich zničenia v centrálnej oblasti našej Galaxie. Čas ukáže, ktorá zo všetkých týchto ciest povedie k úspechu ako prvá, no v každom prípade bude objav týchto nových častíc a štúdium ich vlastností najdôležitejším vedeckým úspechom. Tieto častice nám povedia o vlastnostiach vesmíru 10 -9 s (jedna miliardtina sekundy!) po Veľkom tresku, keď teplota vesmíru bola 10 15 stupňov a častice temnej hmoty intenzívne interagovali s kozmickou plazmou.

6. Temná energia

Temná energia je oveľa zvláštnejšia látka ako temná hmota. Na začiatok sa nezhromažďuje v zhlukoch, ale je rovnomerne „rozprestretý“ po celom vesmíre. V galaxiách a kopách galaxií je ho toľko ako mimo nich. Najneobvyklejšie je, že v určitom zmysle nezažívam temnú energiu anti gravitácia. Už sme povedali, že moderné astronomické metódy dokážu nielen merať aktuálnu rýchlosť rozpínania vesmíru, ale aj určiť, ako sa menila v priebehu času. Astronomické pozorovania teda naznačujú, že dnes (a v nedávnej minulosti) sa vesmír rozširuje čoraz rýchlejšie: rýchlosť expanzie sa zvyšuje s časom. V tomto zmysle môžeme hovoriť o antigravitácii: obyčajná gravitačná príťažlivosť by spomalila ústup galaxií, no v našom Vesmíre sa ukazuje, že opak je pravdou.

Tento obraz vo všeobecnosti nie je v rozpore so všeobecnou teóriou relativity, ale na to musí mať tmavá energia špeciálnu vlastnosť - negatívny tlak. To ho výrazne odlišuje od bežných foriem hmoty. Nebudem to preháňať povaha temnej energie je hlavnou záhadou základnej fyziky 21. storočia.

Jedným z kandidátov na rolu temnej energie je vákuum. Hustota energie vákua sa pri rozširovaní vesmíru nemení, čo znamená negatívny tlak vákua. Ďalším kandidátom je nové superslabé pole, ktoré preniká celým Vesmírom; používa sa pre ňu výraz „kvintesencia“. Sú aj iní kandidáti, no v každom prípade je temné energetické ja niečo úplne nezvyčajné.

Ďalším spôsobom, ako vysvetliť zrýchlenú expanziu vesmíru, je predpokladať, že samotné zákony gravitácie sa menia v priebehu kozmologických vzdialeností a kozmologických časov. Táto hypotéza nie je ani zďaleka neškodná: pokusy o zovšeobecnenie všeobecnej teórie relativity v tomto smere narážajú na vážne ťažkosti.

Zrejme, ak je takéto zovšeobecnenie vôbec možné, bude to spojené s myšlienkou existencie ďalších rozmerov priestoru, okrem troch rozmerov, ktoré vnímame v každodennej skúsenosti.

Bohužiaľ, v súčasnosti neexistujú žiadne viditeľné spôsoby, ako priamo experimentálne študovať temnú energiu v pozemských podmienkach. To, samozrejme, neznamená, že by sa v budúcnosti nemohli objaviť nové skvelé nápady v tomto smere, ale dnes sú spojené nádeje na objasnenie podstaty temnej energie a (alebo v širšom zmysle dôvodov zrýchleného rozpínania vesmíru) výlučne s astronomickými pozorovaniami a so získavaním nových, presnejších kozmologických údajov. Musíme sa podrobne naučiť, ako presne sa vesmír rozšíril v relatívne neskorom štádiu svojho vývoja, a to nám, dúfajme, umožní vybrať si medzi rôznymi hypotézami.

Hovoríme o pozorovaniach supernov typu 1a.

Zmena energie a so zmenou objemu je určená tlakom, Δ E = -pΔ V. Ako sa vesmír rozširuje, energia vákua sa zvyšuje spolu s objemom (hustota energie je konštantná), čo je možné iba vtedy, ak je tlak vákua záporný. Všimnite si, že opačné znaky tlaku a energie a vákua priamo vyplývajú z Lorentzovej invariantnosti.

7. Záver

Ako to už vo vede často býva, veľkolepé pokroky v časticovej fyzike a kozmológii vyvolali neočakávané a zásadné otázky. Dnes nevieme, čo tvorí väčšinu hmoty vo vesmíre. Môžeme len hádať, aké javy sa vyskytujú na ultrakrátke vzdialenosti a aké procesy prebiehali vo vesmíre v najskorších štádiách jeho vývoja. Je skvelé, že mnohé z týchto otázok budú zodpovedané v dohľadnej dobe – do 10-15 rokov a možno aj skôr. Naša doba je časom radikálnej zmeny pohľadu na prírodu a hlavné objavy ešte len prídu.

DISKUSIA

Termín „tmavá hmota“ (alebo skrytá hmota) sa používa v rôznych oblastiach vedy: kozmológia, astronómia, fyzika. Hovoríme o hypotetickom objekte – forme priestorového a časového obsahu, ktorý priamo interaguje s elektromagnetickým žiarením a nenecháva ho cez seba prejsť.

Temná hmota – čo to je?

Od nepamäti sa ľudia zaoberali pôvodom vesmíru a procesmi, ktoré ho formujú. V dobe technológií sa urobili dôležité objavy a teoretický rámec sa výrazne rozšíril. V roku 1922 britský fyzik James Jeans a holandský astronóm Jacobus Kapteyn zistili, že väčšina galaktickej hmoty je neviditeľná. Potom sa prvýkrát použil termín tmavá hmota - ide o látku, ktorú nemožno vidieť žiadnou z metód známych ľudstvu. Prítomnosť tajomnej látky naznačujú nepriame znaky - gravitačné pole, ťažkosť.

Temná hmota v astronómii a kozmológii

Za predpokladu, že všetky objekty a časti vo vesmíre sa navzájom priťahujú, astronómovia dokázali nájsť množstvo viditeľného priestoru. Zistila sa však nezrovnalosť v skutočných a predpokladaných hmotnostiach. A vedci zistili, že existuje neviditeľná hmota, ktorá tvorí až 95 % všetkých neznámych esencií vo vesmíre. Tmavá hmota vo vesmíre má tieto vlastnosti:

• podlieha gravitácii;
• ovplyvňuje iné vesmírne objekty,
• slabo interaguje s reálnym svetom.

Temná hmota - filozofia

Temná hmota zaujíma vo filozofii zvláštne miesto. Táto veda sa zaoberá štúdiom svetového poriadku, základov existencie, systému viditeľných a neviditeľných svetov. Ako základný princíp sa brala určitá substancia, určená priestorom, časom a okolitými faktormi. Záhadná temná hmota vesmíru, objavená oveľa neskôr, zmenila chápanie sveta, jeho štruktúru a vývoj. Vo filozofickom zmysle je neznáma substancia, ako zrazenina energie priestoru a času, prítomná v každom z nás, preto sú ľudia smrteľní, pretože pozostávajú z času, ktorý má svoj koniec.

Prečo je potrebná temná hmota?

Len malá časť vesmírnych objektov (planét, hviezd atď.) je viditeľná hmota. Podľa štandardov rôznych vedcov temná energia a temná hmota zaberajú takmer celý priestor vo vesmíre. Prvý predstavuje 21-24%, zatiaľ čo energia zaberá 72%. Každá látka neznámej fyzikálnej povahy má svoje vlastné funkcie:

1. Čierna energia, ktorá neabsorbuje ani nevyžaruje svetlo, odtláča predmety preč, čo spôsobuje rozpínanie vesmíru.
2. Galaxie sú postavené na základe skrytej hmoty, jej sila priťahuje objekty vo vesmíre a drží ich na ich miestach. To znamená, že spomaľuje expanziu vesmíru.

Z čoho sa skladá temná hmota?

Temná hmota v Slnečnej sústave je niečo, čoho sa nemožno dotknúť, preskúmať alebo dôkladne preštudovať. Preto existuje niekoľko hypotéz týkajúcich sa jeho povahy a zloženia:

1. Zložkou tejto látky sú pre vedu neznáme častice, ktoré sa podieľajú na gravitácii. Nie je možné ich odhaliť ďalekohľadom.
2. Úkazom je zhluk malých čiernych dier (nie väčších ako Mesiac).

Je možné rozlíšiť dva typy skrytej hmoty v závislosti od rýchlosti jej častíc a hustoty ich akumulácie.

1. Horúce. Nestačí vytvárať galaxie.
2. Chladný. Pozostáva z pomalých, masívnych zrazenín. Týmito komponentmi môžu byť axióny a bozóny známe vede.

Existuje temná hmota?

Všetky pokusy o meranie predmetov neprebádanej fyzickej povahy nepriniesli úspech. V roku 2012 sa skúmal pohyb 400 hviezd okolo Slnka, ale prítomnosť skrytej hmoty vo veľkých objemoch sa nedokázala. Aj keď temná hmota v skutočnosti neexistuje, existuje teoreticky. S jeho pomocou sa vysvetľuje umiestnenie objektov vo vesmíre na ich miestach. Niektorí vedci nachádzajú dôkazy o skrytej kozmickej hmote. Jeho prítomnosť vo vesmíre vysvetľuje skutočnosť, že zhluky galaxií sa nerozletujú rôznymi smermi a držia sa spolu.

Temná hmota – zaujímavé fakty

Povaha skrytej hmoty zostáva záhadou, no naďalej zaujíma vedecké mysle na celom svete. Pravidelne sa vykonávajú experimenty na štúdium samotnej látky a jej vedľajších účinkov. A fakty o nej sa stále množia. Napríklad:

1. Toľko vychvaľovaný Veľký hadrónový urýchľovač, najvýkonnejší urýchľovač častíc na svete, páli na všetky valce, aby odhalil existenciu neviditeľnej hmoty vo vesmíre. Svetové spoločenstvo so záujmom očakáva výsledky.
2. Japonskí vedci vytvorili prvú mapu skrytej hmoty vo vesmíre na svete. Jeho dokončenie sa plánuje do roku 2019.
3. Nedávno teoretická fyzička Lisa Randall naznačila, že temná hmota a dinosaury sú prepojené. Táto látka poslala na Zem kométu, ktorá zničila život na planéte.

Zložkami našej galaxie a celého Vesmíru sú svetlá a temná hmota, teda viditeľné a neviditeľné objekty. Ak sa moderná technológia vyrovná so štúdiom prvého, metódy sa neustále zdokonaľujú, potom je veľmi problematické študovať skryté látky. Ľudstvo tento jav ešte nepochopilo. Neviditeľná, nehmotná, no všadeprítomná temná hmota bola a zostáva jednou z hlavných záhad vesmíru.

Dodnes nebola vyriešená záhada, odkiaľ sa temná hmota vzala. Existujú teórie, ktoré naznačujú, že pozostáva z medzihviezdneho plynu s nízkou teplotou. V tomto prípade látka nemôže produkovať žiadne žiarenie. Proti tejto myšlienke však existujú teórie. Hovorí sa, že plyn je schopný sa zahriať, čo vedie k tomu, že sa stávajú obyčajnými „baryonickými“ látkami. Túto teóriu podporuje fakt, že množstvo plynu v studenom stave nedokáže odstrániť vzniknutý deficit.

O teóriách temnej hmoty je toľko otázok, že stojí za to sa tomu venovať trochu viac.

Čo je temná hmota?

Otázka, čo je temná hmota, vznikla asi pred 80 rokmi. Ešte na začiatku 20. storočia. V tom čase prišiel švajčiarsky astronóm F. Zwicky s myšlienkou, že hmotnosť všetkých galaxií v skutočnosti je väčšia ako hmotnosť všetkých tých objektov, ktoré je možné vidieť pomocou vlastných plynov v ďalekohľade. Všetky početné indície naznačovali, že vo vesmíre je niečo neznáme, čo má pôsobivú hmotnosť. Bolo rozhodnuté dať tejto nevysvetliteľnej látke názov „tmavá látka“.

Táto neviditeľná látka zaberá najmenej štvrtinu celého vesmíru. Zvláštnosťou tejto látky je, že jej častice zle interagujú medzi sebou a s bežnými inými látkami. Táto interakcia je taká slabá, že ju vedci ani nedokážu odhaliť. V skutočnosti existujú len známky vplyvu častíc.

Štúdiu tejto problematiky sa venujú najväčšie mozgy po celom svete, takže aj najväčší skeptici sveta veria, že sa podarí zachytiť častice látky. Najžiadanejším cieľom je urobiť to v laboratórnom prostredí. V baniach sa pracuje vo veľkých hĺbkach, také podmienky na experimenty sú potrebné na odstránenie rušenia spôsobeného časticami lúčov z vesmíru.

Existuje možnosť, že vďaka moderným urýchľovačom, najmä pomocou Veľkého hadrónového urýchľovača, sa získa veľa nových informácií.

Častice tmavej hmoty majú jednu zvláštnu vlastnosť – vzájomné ničenie. V dôsledku takýchto procesov sa objavuje gama žiarenie, antičastice a častice (napríklad elektrón a pozitrón). Preto sa astrofyzici snažia nájsť stopy gama žiarenia či antičastíc. Na to sa používajú rôzne pozemné a vesmírne inštalácie.

Dôkazy o existencii temnej hmoty

Úplne prvé pochybnosti o správnosti výpočtov hmotnosti vesmíru, ako už bolo spomenuté, zdieľal astronóm zo Švajčiarska F. Zwicky. Na začiatok sa rozhodol zmerať rýchlosť galaxií z kopy Coma pohybujúcich sa okolo stredu. A výsledok jeho práce ho trochu zmiatol, pretože rýchlosť pohybu týchto galaxií sa ukázala byť vyššia, ako očakával. Navyše túto hodnotu vopred vypočítal. Ale výsledky neboli rovnaké.

Záver bol zrejmý: skutočná hmotnosť zhluku bola oveľa väčšia ako zdanlivá. Dalo by sa to vysvetliť tým, že väčšinu hmoty, ktorá sa v tejto časti Vesmíru nachádza, nie je možné vidieť a tiež nie je možné ju pozorovať. Táto látka prejavuje svoje vlastnosti iba vo forme hmoty.

Množstvo gravitačných experimentov potvrdilo prítomnosť neviditeľnej hmoty v kopách galaxií. Teória relativity má určitý výklad tohto javu. Ak sa ním budete riadiť, tak každá hmota je schopná deformovať priestor, navyše ako šošovka ohýba priamy tok svetelných lúčov. Kopa galaxií spôsobuje skreslenie, jeho vplyv je taký silný, že sa stáva viditeľným. Pohľad na galaxiu, ktorá sa nachádza priamo za kopou, je najviac skreslený. Toto skreslenie sa používa na výpočet toho, ako je hmota rozdelená v tomto zhluku. Takto sa meria skutočná hmotnosť. Vždy sa ukáže, že je niekoľkonásobne väčšia ako hmotnosť viditeľnej hmoty.

Štyri desaťročia po práci priekopníka v tejto oblasti F. Zwickyho sa tejto problematiky chopil americký astronóm V. Rubin. Študovala rýchlosť, ktorou hmota, ktorá sa nachádza na okrajoch galaxií, rotuje okolo stredu galaxie. Ak sa budeme držať Keplerovych zákonov týkajúcich sa gravitačných zákonov, tak medzi rýchlosťou rotácie galaxií a vzdialenosťou od stredu existuje určitý vzťah.

Ale v skutočnosti merania ukázali, že rýchlosť otáčania sa nemenila s rastúcou vzdialenosťou od stredu. Takéto údaje by sa dali vysvetliť iba jedným spôsobom - hmota galaxie má rovnakú hustotu v strede aj na okrajoch. Viditeľná látka však mala oveľa väčšiu hustotu v strede a bola charakterizovaná riedkosťou na okrajoch a nedostatok hustoty sa dal vysvetliť iba prítomnosťou nejakej látky, ktorá nebola viditeľná pre oko.

Na vysvetlenie javu je potrebné, že tejto neviditeľnej hmoty je v galaxiách takmer 10-krát viac ako hmoty, ktorú môžeme vidieť. Táto neznáma látka sa nazýva „tmavá hmota“ alebo „temná hmota“. K dnešnému dňu zostáva tento jav pre astrofyzikov najzaujímavejšou záhadou.

Existuje ďalší argument v prospech dôkazov o existencii temnej hmoty. Vyplýva to z výpočtov, ktoré popisujú proces vzniku galaxií. Predpokladá sa, že to začalo približne 300 000 rokov po veľkom tresku. Výsledky výpočtu hovoria, že príťažlivosť medzi úlomkami hmoty, ktorá sa objavila počas výbuchu, nemohla kompenzovať kinetickú energiu z expanzie. To znamená, že hmota sa nemohla sústrediť v galaxiách, ale dnes to môžeme vidieť.

Tento nevysvetliteľný fakt sa nazýva paradox galaxie; bol uvedený ako argument, ktorý ničí teóriu veľkého tresku. Ale dá sa na to pozrieť aj z druhej strany. Častice najbežnejšej hmoty by sa totiž dali zmiešať s časticami tmavej hmoty. Potom sa výpočty stanú správnymi a ako sa vytvorili galaxie, v ktorých sa nahromadilo veľa tmavej hmoty a častice bežnej hmoty sa k nim už pripojili v dôsledku gravitácie. Veď obyčajná hmota tvorí malý zlomok celkovej hmotnosti Vesmíru.

Viditeľná hmota má relatívne nízku hustotu v porovnaní s tmavou hmotou, pretože je 20-krát hustejšia. Preto tých 95% hmoty vesmíru, ktoré podľa výpočtov vedcov chýbajú, sú temnou hmotou.

To však viedlo k záveru, že celý viditeľný svet, ktorý bol skúmaný hore-dole, taký známy a zrozumiteľný, bol len malým doplnkom toho, čo sa v skutočnosti skladá.

Všetky galaxie, planéty a hviezdy sú len malým kúskom niečoho, o čom nemáme ani potuchy. To je to, čo je odhalené, ale skutočné je pred nami skryté.

V článkoch série sme skúmali štruktúru viditeľného vesmíru. Hovorili sme o jeho štruktúre a časticiach, ktoré tvoria túto štruktúru. O nukleónoch, ktoré hrajú hlavnú úlohu, pretože z nich pozostáva všetka viditeľná hmota. O fotónoch, elektrónoch, neutrínach a tiež o vedľajších hercoch zapojených do univerzálnej hry, ktorá sa odohráva 14 miliárd rokov po Veľkom tresku. Zdalo by sa, že už nie je o čom hovoriť. Ale to nie je pravda. Faktom je, že látka, ktorú vidíme, je len malou časťou toho, z čoho pozostáva náš svet. Všetko ostatné je niečo, o čom nevieme takmer nič. Toto tajomné „niečo“ sa nazýva temná hmota.

Ak by tiene objektov nezáviseli od ich veľkosti,
a keby mali svoj vlastný svojvoľný rast, tak možno
čoskoro by na celej zemeguli nezostalo jediné svetlé miesto.

Kozma Prutkov

Čo sa stane s naším svetom?

Po objave červených posunov v spektrách vzdialených galaxií Edwardom Hubbleom v roku 1929 bolo jasné, že vesmír sa rozpína. Jedna z otázok, ktorá v tejto súvislosti vyvstala, bola nasledovná: ako dlho bude expanzia trvať a ako sa skončí? Sily gravitačnej príťažlivosti pôsobiace medzi jednotlivými časťami Vesmíru majú tendenciu spomaliť ústup týchto častí. To, k čomu bude brzdenie viesť, závisí od celkovej hmotnosti vesmíru. Ak je dostatočne veľká, gravitačné sily postupne zastavia expanziu a nahradí ju kompresia. V dôsledku toho sa vesmír nakoniec opäť „zrúti“ do bodu, z ktorého sa kedysi začal rozširovať. Ak je hmotnosť menšia ako určitá kritická hmotnosť, expanzia bude pokračovať navždy. Väčšinou sa zvykne hovoriť nie o hmotnosti, ale o hustote, ktorá s hmotnosťou súvisí jednoduchým pomerom, známym zo školského kurzu: hustota je hmotnosť delená objemom.

Vypočítaná hodnota kritickej priemernej hustoty vesmíru je približne 10 -29 gramov na centimeter kubický, čo zodpovedá priemeru piatich nukleónov na meter kubický. Treba zdôrazniť, že hovoríme o priemernej hustote. Charakteristická koncentrácia nukleónov vo vode, zemi a vo vás a vo mne je asi 10 30 na meter kubický. V prázdnote, ktorá oddeľuje zhluky galaxií a zaberá leví podiel na objeme vesmíru, je však hustota o desiatky rádov nižšia. Hodnota koncentrácie nukleónov, spriemerovaná na celý objem vesmíru, bola meraná desiatky a stokrát, pričom sa pomocou rôznych metód starostlivo počítalo množstvo hviezd a oblakov plynu a prachu. Výsledky takýchto meraní sa trochu líšia, ale kvalitatívny záver sa nemení: hustota vesmíru sotva dosahuje niekoľko percent kritickej hodnoty.

Preto až do 70. rokov 20. storočia bola všeobecne akceptovaná predpoveď večná expanzia nášho sveta, ktorá by mala nevyhnutne viesť k takzvanej tepelnej smrti. Tepelná smrť je stav systému, keď je látka v ňom rozložená rovnomerne a jej rôzne časti majú rovnakú teplotu. V dôsledku toho nie je možný ani prenos energie z jednej časti systému do druhej, ani prerozdelenie hmoty. V takomto systéme sa nič nedeje a už nikdy nemôže stať. Jasnou analógiou je voda rozliata na akýkoľvek povrch. Ak je povrch nerovný a existujú aj malé rozdiely v nadmorskej výške, voda sa po ňom pohybuje z vyšších do nižších miest a nakoniec sa zhromažďuje v nížinách a vytvára mláky. Pohyb sa zastaví. Jedinou útechou bolo, že tepelná smrť nastane o desiatky a stovky miliárd rokov. V dôsledku toho nemusíte premýšľať o tejto pochmúrnej vyhliadke veľmi, veľmi dlho.

Postupne sa však ukázalo, že skutočná hmotnosť vesmíru je oveľa väčšia ako viditeľná hmotnosť obsiahnutá vo hviezdach a oblakoch plynu a prachu a s najväčšou pravdepodobnosťou je blízko kritickej. Alebo sa mu možno presne rovnať.

Dôkaz temnej hmoty

Prvý náznak, že niečo nie je v poriadku s výpočtom hmotnosti vesmíru, sa objavil v polovici 30. rokov 20. storočia. Švajčiarsky astronóm Fritz Zwicky meral rýchlosti, ktorými sa galaxie v zhluku Coma (jedna z najväčších nám známych kôp, zahŕňa tisíce galaxií) pohybujú okolo spoločného stredu. Výsledok bol odrádzajúci: rýchlosti galaxií sa ukázali byť oveľa väčšie, než by sa dalo očakávať na základe pozorovanej celkovej hmotnosti kopy. To znamenalo, že skutočná hmotnosť zhluku Coma bola oveľa väčšia ako zdanlivá hmotnosť. Ale hlavné množstvo hmoty prítomnej v tejto oblasti Vesmíru zostáva z nejakého dôvodu neviditeľné a nedostupné pre priame pozorovania, prejavuje sa len gravitačne, teda len ako hmotnosť.

O prítomnosti skrytej hmoty v kopách galaxií svedčia aj experimenty na takzvanej gravitačnej šošovke. Vysvetlenie tohto javu vyplýva z teórie relativity. V súlade s ním akákoľvek hmota deformuje priestor a podobne ako šošovka skresľuje priamu dráhu svetelných lúčov. Skreslenie, ktoré kopy galaxií spôsobujú, je také veľké, že je ľahké si ho všimnúť. Najmä zo skreslenia obrazu galaxie, ktorá leží za kopou, je možné vypočítať rozloženie hmoty v zhluku šošoviek a tým zmerať jej celkovú hmotnosť. A ukazuje sa, že je vždy mnohonásobne väčší ako príspevok viditeľnej hmoty klastra.

40 rokov po Zwickyho práci, v 70-tych rokoch, americká astronómka Vera Rubinová študovala rýchlosť rotácie okolo galaktického stredu hmoty nachádzajúceho sa na periférii galaxií. V súlade s Keplerovymi zákonmi (a tie priamo vyplývajú zo zákona univerzálnej gravitácie), pri pohybe zo stredu galaxie na jej perifériu, by sa rýchlosť rotácie galaktických objektov mala znižovať nepriamo úmerne k druhej odmocnine vzdialenosti k stred. Merania ukázali, že pre mnohé galaxie zostáva táto rýchlosť takmer konštantná vo veľmi významnej vzdialenosti od stredu. Tieto výsledky možno interpretovať iba jedným spôsobom: hustota hmoty v takýchto galaxiách pri pohybe od stredu neklesá, ale zostáva takmer nezmenená. Keďže hustota viditeľnej hmoty (obsiahnutej vo hviezdach a medzihviezdnom plyne) rýchlo klesá smerom k periférii galaxie, chýbajúcu hustotu musí dodať niečo, čo z nejakého dôvodu nevidíme. Na kvantitatívne vysvetlenie pozorovaných závislostí rýchlosti rotácie na vzdialenosti od stredu galaxií je potrebné, aby toto neviditeľné „niečo“ bolo približne 10-krát väčšie ako bežná viditeľná hmota. Toto „niečo“ sa nazývalo „temná hmota“ (v angličtine „ temná hmota“) a stále zostáva najzaujímavejšou záhadou v astrofyzike.

Ďalší dôležitý dôkaz o prítomnosti temnej hmoty v našom svete pochádza z výpočtov simulujúcich proces formovania galaxií, ktorý sa začal približne 300 000 rokov po Veľkom tresku. Tieto výpočty ukazujú, že sily gravitačnej príťažlivosti, ktoré pôsobili medzi letiacimi úlomkami hmoty generovanej počas explózie, nedokázali kompenzovať kinetickú energiu expanzie. Hmota sa jednoducho nemala zhromaždiť v galaxiách, ktoré napriek tomu pozorujeme v modernej dobe. Tento problém sa nazýval galaktický paradox a dlho sa považoval za vážny argument proti teórii veľkého tresku. Ak však predpokladáme, že častice bežnej hmoty v ranom vesmíre boli zmiešané s časticami neviditeľnej temnej hmoty, potom vo výpočtoch všetko zapadne na svoje miesto a konce sa začnú stretávať - ​​vznik galaxií z hviezd a potom zhlukov galaxií. , sa stáva možným. Zároveň, ako ukazujú výpočty, najskôr sa v galaxiách nahromadilo obrovské množstvo častíc temnej hmoty a až potom sa na nich vplyvom gravitačných síl nazbierali prvky bežnej hmoty, ktorej celková hmotnosť bola len niekoľko percent. celková hmotnosť vesmíru. Ukazuje sa, že známy a zdanlivo do detailov preštudovaný viditeľný svet, ktorý sme nedávno považovali za takmer pochopený, je len malým doplnkom k niečomu, z čoho vlastne vesmír pozostáva. Planéty, hviezdy, galaxie a ty a ja sme len obrazovka pre obrovské „niečo“, o čom nemáme ani najmenšie tušenie.

Photofact

Kopa galaxií (v ľavej dolnej časti zakrúžkovanej oblasti) vytvára gravitačnú šošovku. Skresľuje tvar objektov nachádzajúcich sa za šošovkou - naťahuje ich obrazy jedným smerom. Na základe veľkosti a smeru úseku skonštruovala medzinárodná skupina astronómov z Juhoeurópskeho observatória pod vedením vedcov z Parížskeho inštitútu astrofyziky rozdelenie hmoty, ktoré je znázornené na spodnom obrázku. Ako vidíte, hviezdokopa obsahuje oveľa viac hmoty, než je možné vidieť cez ďalekohľad.

Lov tmavých, masívnych objektov je pomalý proces a výsledky nevyzerajú na fotografiách práve najpôsobivejšie. V roku 1995 si Hubbleov teleskop všimol, že jedna z hviezd vo Veľkom Magellanovom oblaku zažiarila jasnejšie. Táto žiara trvala viac ako tri mesiace, no potom sa hviezda vrátila do svojho prirodzeného stavu. A o šesť rokov neskôr sa vedľa hviezdy objavil sotva svietiaci objekt. Bol to studený trpaslík, ktorý prechádzal vo vzdialenosti 600 svetelných rokov od hviezdy a vytvoril gravitačnú šošovku, ktorá zosilňovala svetlo. Výpočty ukázali, že hmotnosť tohto trpaslíka je len 5-10% hmotnosti Slnka.

Napokon, všeobecná teória relativity jednoznačne spája rýchlosť rozpínania vesmíru s priemernou hustotou hmoty v ňom obsiahnutej. Za predpokladu, že priemerné zakrivenie priestoru je nulové, teda že v ňom pôsobí geometria Euklida a nie Lobačevského (čo bolo spoľahlivo overené napríklad pri experimentoch s kozmickým mikrovlnným žiarením pozadia), by sa táto hustota mala rovnať 10 - 29 gramov na centimeter kubický. Hustota viditeľnej hmoty je približne 20-krát menšia. Chýbajúcich 95% hmotnosti vesmíru je temná hmota. Všimnite si, že hodnota hustoty nameraná z rýchlosti expanzie vesmíru sa rovná kritickej hodnote. Dve hodnoty, nezávisle vypočítané úplne odlišnými spôsobmi, sa zhodovali! Ak sa v skutočnosti hustota vesmíru presne rovná kritickej hustote, nemôže to byť náhoda, ale dôsledok nejakej základnej vlastnosti nášho sveta, ktorú ešte treba pochopiť a pochopiť.

Čo to je?

Čo dnes vieme o temnej hmote, ktorá tvorí 95 % hmotnosti vesmíru? Takmer nič. Ale stále niečo vieme. V prvom rade niet pochýb o tom, že temná hmota existuje – o tom nevyvrátiteľne svedčia vyššie uvedené fakty. S istotou tiež vieme, že temná hmota existuje v niekoľkých formách. Po začiatku 21. storočia ako výsledok dlhoročných pozorovaní v experimentoch SuperKamiokande(Japonsko) a SNO (Kanada) sa zistilo, že neutrína majú hmotnosť, ukázalo sa, že 0,3 % až 3 % z 95 % skrytej hmoty leží v neutrínach, ktoré sú nám už dlho známe – aj keď ich hmotnosť je extrémne malé, ale ich množstvo je vo Vesmír má približne miliardkrát väčší počet nukleónov: každý kubický centimeter obsahuje v priemere 300 neutrín. Zvyšných 92 – 95 % tvoria dve časti – tmavá hmota a tmavá energia. Malá časť tmavej hmoty je obyčajná baryonická hmota, postavená z nukleónov, zvyšok zrejme tvoria nejaké neznáme masívne slabo interagujúce častice (takzvaná studená tmavá hmota). Energetická bilancia v modernom vesmíre je uvedená v tabuľke a príbeh o jej posledných troch stĺpcoch je uvedený nižšie.

Baryonická temná hmota

Malá (4-5%) časť tmavej hmoty je obyčajná hmota, ktorá vyžaruje málo alebo žiadne vlastné žiarenie, a preto je neviditeľná. Existenciu niekoľkých tried takýchto objektov možno považovať za experimentálne potvrdenú. Najkomplexnejšie experimenty založené na rovnakej gravitačnej šošovke viedli k objavu takzvaných masívnych kompaktných halo objektov, ktoré sa nachádzajú na periférii galaktických diskov. To si vyžadovalo monitorovanie miliónov vzdialených galaxií počas niekoľkých rokov. Keď tmavé, masívne teleso prechádza medzi pozorovateľom a vzdialenou galaxiou, jeho jas sa nakrátko zníži (alebo sa zvýši, keď tmavé teleso pôsobí ako gravitačná šošovka). V dôsledku starostlivého pátrania boli takéto udalosti identifikované. Povaha masívnych kompaktných halo objektov nie je úplne jasná. S najväčšou pravdepodobnosťou ide buď o ochladené hviezdy (hnedí trpaslíci) alebo o objekty podobné planétam, ktoré nie sú spojené s hviezdami a cestujú po galaxii samy. Ďalším predstaviteľom baryónovej tmavej hmoty je horúci plyn nedávno objavený v kopách galaxií pomocou metód röntgenovej astronómie, ktorý nežiari vo viditeľnom rozsahu.

Nebaryonická temná hmota

Hlavnými kandidátmi na nebaryonickú tmavú hmotu sú takzvané WIMP (skratka z angličtiny Slabo interaktívne masívne častice- slabo interagujúce masívne častice). Zvláštnosťou WIMP je, že nevykazujú takmer žiadnu interakciu s bežnou hmotou. To je dôvod, prečo sú skutočnou neviditeľnou temnou hmotou a preto je mimoriadne ťažké ich odhaliť. Hmotnosť WIMP musí byť aspoň desaťkrát väčšia ako hmotnosť protónu. Hľadanie WIMP sa za posledných 20 – 30 rokov uskutočnilo v mnohých experimentoch, no napriek všetkému úsiliu sa ich zatiaľ nepodarilo odhaliť.

Jedna myšlienka je, že ak takéto častice existujú, potom by Zem, keď obieha okolo Slnka so Slnkom okolo galaktického centra, mala letieť cez dážď WIMP. Napriek tomu, že WIMP je extrémne slabo interagujúca častica, stále má veľmi malú pravdepodobnosť interakcie s obyčajným atómom. Súčasne v špeciálnych inštaláciách - veľmi zložitých a drahých - môže byť zaznamenaný signál. Počet takýchto signálov by sa mal počas roka meniť, pretože pri pohybe Zeme na obežnej dráhe okolo Slnka mení svoju rýchlosť a smer vzhľadom na vietor, ktorý tvoria WIMP. Experimentálna skupina DAMA, pracujúca v talianskom podzemnom laboratóriu Gran Sasso, uvádza pozorované medziročné odchýlky v rýchlostiach počtu signálov. Iné skupiny však tieto výsledky zatiaľ nepotvrdili a otázka zostáva v podstate otvorená.

Iný spôsob hľadania WIMP je založený na predpoklade, že počas miliárd rokov svojej existencie by rôzne astronomické objekty (Zem, Slnko, stred našej Galaxie) mali zachytiť WIMP, ktoré sa hromadia v strede týchto objektov a anihilovať navzájom, dávajú vznik prúdu neutrín . Pokusy o detekciu nadmerného toku neutrín zo stredu Zeme smerom k Slnku a do stredu Galaxie sa uskutočnili na podzemných a podvodných neutrínových detektoroch MACRO, LVD (Gran Sasso Laboratory), NT-200 (Jazero Bajkal, Rusko), SuperKamiokande, AMANDA (Scott Station -Amundsen, Južný pól), ale zatiaľ neviedli k pozitívnemu výsledku.

Experimenty na hľadanie WIMP sa aktívne vykonávajú aj na urýchľovačoch častíc. V súlade so slávnou Einsteinovou rovnicou E=mс 2 je energia ekvivalentná hmotnosti. Preto urýchľovaním častice (napríklad protónu) na veľmi vysokú energiu a jej zrážkou s inou časticou možno očakávať vytvorenie párov ďalších častíc a antičastíc (vrátane WIMP), ktorých celková hmotnosť sa rovná celková energia zrážaných častíc. Ale experimenty s urýchľovačom zatiaľ neviedli k pozitívnemu výsledku.

Temná energia

Na začiatku minulého storočia Albert Einstein, ktorý chcel zabezpečiť nezávislosť času pre kozmologický model vo všeobecnej teórii relativity, zaviedol do rovníc teórie takzvanú kozmologickú konštantu, ktorú označil gréckym písmenom „ lambda“ - Λ. Toto Λ ​​bola čisto formálna konštanta, v ktorej samotný Einstein nevidel žiadny fyzický význam. Po objavení expanzie Vesmíru jej potreba zmizla. Einstein veľmi oľutoval svoje unáhlenie a kozmologickú konštantu Λ označil za svoju najväčšiu vedeckú chybu. O desaťročia neskôr sa však ukázalo, že Hubbleova konštanta, ktorá určuje rýchlosť rozpínania vesmíru, sa mení s časom a jej závislosť od času možno vysvetliť výberom hodnoty tej veľmi „chybnej“ Einsteinovej konštanty Λ, ktorá prispieva do skrytej hustoty vesmíru. Táto časť skrytej hmoty sa začala nazývať „temná energia“.

O temnej energii sa dá povedať ešte menej ako o temnej hmote. Po prvé, je rovnomerne rozložená v celom vesmíre, na rozdiel od bežnej hmoty a iných foriem temnej hmoty. V galaxiách a kopách galaxií je ho toľko ako mimo nich. Po druhé, má niekoľko veľmi zvláštnych vlastností, ktoré možno pochopiť iba analýzou rovníc teórie relativity a interpretáciou ich riešení. Napríklad tmavá energia zažíva antigravitáciu: vďaka jej prítomnosti sa zvyšuje rýchlosť expanzie vesmíru. Zdá sa, že temná energia sa odtláča a urýchľuje rozptyl bežnej hmoty zhromaždenej v galaxiách. Tmavá energia má tiež podtlak, vďaka čomu v látke vzniká sila, ktorá jej bráni v natiahnutí.

Hlavným kandidátom na temnú energiu je vákuum. Hustota energie vákua sa pri rozširovaní vesmíru nemení, čo zodpovedá podtlaku. Ďalším kandidátom je hypotetické superslabé pole, nazývané kvintesencia. Nádeje na objasnenie podstaty temnej energie sa spájajú predovšetkým s novými astronomickými pozorovaniami. Pokrok v tomto smere nepochybne prinesie ľudstvu radikálne nové poznatky, keďže v každom prípade musí byť temná energia úplne nezvyčajnou látkou, úplne inou, akou sa doteraz zaoberala fyzika.

Takže 95% nášho sveta pozostáva z niečoho, o čom takmer nič nevieme. K takejto skutočnosti možno mať rôzne postoje, o ktorých niet pochýb. Môže spôsobiť úzkosť, ktorá vždy sprevádza stretnutie s niečím neznámym. Alebo sklamanie, pretože taká dlhá a zložitá cesta k skonštruovaniu fyzikálnej teórie, ktorá popisuje vlastnosti nášho sveta, viedla k konštatovaniu: väčšina vesmíru je pred nami skrytá a neznáma.

Ale väčšina fyzikov sa teraz cíti povzbudená. Skúsenosti ukazujú, že všetky hádanky, ktoré príroda položila ľudstvu, boli skôr či neskôr vyriešené. Nepochybne bude vyriešená aj záhada temnej hmoty. A to určite prinesie úplne nové poznatky a pojmy, o ktorých zatiaľ nemáme ani tušenia. A možno sa stretneme s novými záhadami, ktoré sa zase vyriešia. Toto však bude úplne iný príbeh, ktorý si čitatelia „Chémie a života“ budú môcť prečítať až o niekoľko rokov neskôr. Alebo možno o pár desaťročí.