Šta je crna materija? teorija tamne materije

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-02-12 04:41

Šta je bilo prvo: jaje ili kokoška? Naučnici širom sveta decenijama se bore sa ovim jednostavnim pitanjem. Slično se postavlja i o tome šta je bilo na samom početku, u trenutku stvaranja Univerzuma. Ali da li je to bilo, ova kreacija, ili su univerzumi ciklični ili beskonačni? Šta je crna tvar u svemiru i po čemu se razlikuje od bijele tvari? Ostavljajući po strani različite vrste religija, pokušajmo pristupiti odgovorima na ova pitanja sa naučnog stanovišta. Tokom proteklih nekoliko godina, naučnici su uspjeli učiniti nezamislivo. Vjerovatno prvi put u istoriji, proračuni teorijskih fizičara složili su se sa proračunima eksperimentalnih fizičara. Naučnoj zajednici je tokom godina predstavljeno nekoliko različitih teorija. Manje ili više tačno, na empirijski način, ponekad kvazinaučno, teoretski izračunati podaci su ipak potvrđeni eksperimentima, neki čak i sa zakašnjenjem od više od desetak godina (Higsov bozon, na primer).

Tamna materija - crna energija

Postoji mnogo takvih teorija, na primjer: teorija struna, teorija velikog praska, teorija cikličkog univerzuma, teorija paralelnog univerzuma, modificirana njutnova dinamika (MOND), F. Hoyle i drugi. Međutim, trenutno se teorija univerzuma koji se stalno širi i razvija se smatra općeprihvaćenom, čije se teze dobro uklapaju u okvir koncepta Velikog praska. Istovremeno, kvaziempirijski (tj. empirijski, ali sa velikim tolerancijama i na osnovu postojećih savremenih teorija o strukturi mikrokosmosa) dobijeni su podaci da sve nama poznate mikročestice čine samo 4,02% ukupne zapremine celokupnog sastava Univerzuma. Ovo je takozvani "barion koktel", ili barionska materija. Međutim, najveći dio našeg svemira (više od 95%) su tvari drugačijeg plana, različitog sastava i svojstava. To je takozvana crna materija i crna energija. Ponašaju se različito: različito reaguju na različite vrste reakcija, nisu fiksirani postojećim tehničkim sredstvima i pokazuju ranije neistražena svojstva. Iz ovoga možemo zaključiti da se ili ove supstance povinuju drugim zakonima fizike (nenjutnova fizika, verbalni analog neeuklidske geometrije), ili je naš nivo razvoja nauke i tehnologije tek u početnoj fazi svog formiranja.

Šta su barioni?

Prema sadašnjem kvark-gluonskom modelu jakih interakcija, postoji samo šesnaest elementarnih čestica (a nedavno otkriće Higsovog bozona to potvrđuje): šest tipova (aroma) kvarkova, osam gluona i dva bozona. Barioni su teške elementarne čestice sa jakom interakcijom. Najpoznatiji od njih su kvarkovi, proton i neutron. Porodice takvih supstanci, koje se razlikuju pospin, mase, njihova "boja", kao i brojevi "očaranosti", "čudnosti", upravo su gradivni blokovi onoga što nazivamo barionskom materijom. Crna (tamna) materija, koja čini 21,8% ukupnog sastava Univerzuma, sastoji se od drugih čestica koje ne emituju elektromagnetno zračenje i ni na koji način ne reaguju s njim. Stoga, barem za direktno promatranje, a još više za registraciju takvih supstanci, potrebno je prvo razumjeti njihovu fiziku i složiti se oko zakona kojima se povinuju. Mnogi savremeni naučnici to trenutno rade u istraživačkim institutima širom svijeta.

Najvjerovatnija opcija

Koje supstance se smatraju mogućim? Za početak, treba napomenuti da postoje samo dvije moguće opcije. Prema GR i SRT (Opća i specijalna relativnost), u smislu sastava, ova supstanca može biti i barionska i nebarionska tamna materija (crna). Prema glavnoj teoriji Velikog praska, svaka postojeća materija je predstavljena u obliku bariona. Ova teza je dokazana sa izuzetno velikom tačnošću. Trenutno su naučnici naučili da hvataju čestice nastale minut nakon eksplozije singulariteta, odnosno nakon eksplozije supergustog stanja materije, sa tjelesnom masom koja teži beskonačnosti, a dimenzije tijela teže nuli. Scenario sa barion česticama je najvjerovatniji, jer se od njih sastoji naš Univerzum i kroz njih nastavlja svoje širenje. crna materija,prema ovoj pretpostavci, sastoji se od osnovnih čestica koje je općenito prihvaćena od strane Njutnove fizike, ali iz nekog razloga slabo interaguju na elektromagnetski način. Zato ih detektori ne detektuju.

Ne ide tako glatko

Ovaj scenario odgovara mnogim naučnicima, ali još uvijek ima više pitanja nego odgovora. Ako su i crna i bijela tvar predstavljene samo barionima, tada bi koncentracija lakih bariona kao postotak teških, kao rezultat primarne nukleosinteze, trebala biti različita u početnim astronomskim objektima Univerzuma. I eksperimentalno, prisutnost u našoj galaksiji ravnotežnog dovoljnog broja velikih gravitacijskih objekata, kao što su crne rupe ili neutronske zvijezde, nije otkrivena da bi uravnotežila masu oreola našeg Mliječnog puta. Međutim, iste neutronske zvijezde, tamni galaktički oreoli, crne rupe, bijeli, crni i smeđi patuljci (zvijezde u različitim fazama svog životnog ciklusa), najvjerovatnije su dio tamne materije od koje se sastoji tamna materija. Crna energija također može dopuniti njihovo punjenje, uključujući predviđene hipotetičke objekte kao što su preon, kvark i Q zvijezde.

Nebarionski kandidati

Drugi scenario implicira ne-barionsko porijeklo. Ovdje se kao kandidati mogu ponašati nekoliko vrsta čestica. Na primjer, lagani neutrini, čije su postojanje naučnici već dokazali. Međutim, njihova masa, reda jedna stota prema jedandesethiljaditi eV (elektron-volt), praktično ih isključuje iz mogućih čestica zbog nedostižnosti potrebne kritične gustine. Ali teški neutrini, upareni s teškim leptonima, praktički se ne manifestiraju u slabim interakcijama u normalnim uvjetima. Takvi neutrini se nazivaju sterilnim; s njihovom maksimalnom masom do jedne desetine eV, vjerojatnije je da će biti kandidati za čestice tamne materije. Aksioni i kozmioni su umjetno uvedeni u fizičke jednadžbe radi rješavanja problema u kvantnoj hromodinamici iu standardnom modelu. Zajedno sa drugom stabilnom supersimetričnom česticom (SUSY-LSP), mogu se kvalifikovati kao kandidati, jer ne učestvuju u elektromagnetnim i jakim interakcijama. Međutim, za razliku od neutrina, oni su još uvijek hipotetički, njihovo postojanje tek treba dokazati.

Teorija crne materije

Nedostatak mase u svemiru dovodi do različitih teorija o ovome, od kojih su neke prilično konzistentne. Na primjer, teorija da obična gravitacija nije u stanju da objasni čudnu i pretjerano brzu rotaciju zvijezda u spiralnim galaksijama. Takvim brzinama jednostavno bi izletjeli iz njega, da nije bilo neke sile zadržavanja, koju još nije moguće registrirati. Druge teze teorija objašnjavaju nemogućnost dobijanja WIMP-ova (masivnih elektro-slabo interakcijskih čestica-partnera elementarnih subčestica, supersimetričnih i superteških - odnosno idealnih kandidata) u zemaljskim uslovima, jer žive u n-dimenziji, koja se razlikuje od naših tri- dimenzionalni. Prema Kaluza-Klein teoriji, takva mjerenja nam nisu dostupna.

Changing Stars

Druga teorija opisuje kako promjenjive zvijezde i crna materija međusobno djeluju. Sjaj takve zvezde može da se promeni ne samo zbog metafizičkih procesa koji se dešavaju unutra (pulsacija, aktivnost hromosfere, izbacivanje prominencije, prelivanja i pomračenja u binarnim zvezdanim sistemima, eksplozija supernove), već i zbog anomalnih svojstava tamne materije.

WARP pogon

Prema jednoj teoriji, tamna materija se može koristiti kao gorivo za podsvemirske motore svemirskih letelica koje rade na hipotetičkoj WARP tehnologiji (WARP Engine). Potencijalno, takvi motori omogućavaju brodu da se kreće brzinama većim od brzine svjetlosti. Teoretski, oni su u stanju savijati prostor ispred i iza broda i pomicati ga u njemu čak i brže nego što elektromagnetski val ubrzava u vakuumu. Sam brod ne ubrzava lokalno - samo je prostorno polje ispred njega savijeno. Mnoge fantastične priče koriste ovu tehnologiju, kao što je saga Star Trek.

Rast u zemaljskim uslovima

Pokušaji stvaranja i dobijanja crne materije na Zemlji još nisu bili uspješni. Trenutno se izvode eksperimenti na LHC-u (Large Andron Collider), upravo na mjestu gdje je prvi put zabilježen Higgsov bozon, kao i na drugim, manje moćnim, uključujući linearne sudarače u potrazi zastabilni, ali elektromagnetski slabo interakcijski partneri elementarnih čestica. Međutim, ni fotino, ni gravitino, ni higsino, ni sneutrino (neutralino), ni drugi WIMP-ovi još nisu dobijeni. Prema preliminarnoj opreznoj proceni naučnika, da bi se dobio jedan miligram tamne materije u zemaljskim uslovima, potreban je ekvivalent energije koja se potroši u Sjedinjenim Državama tokom godine.