Cum Funcționează Materia Întunecată

{h1}

Aflați totul despre materia întunecată, despre cum o detectăm și despre importanța acesteia în univers.

În albumul de urmărire din 1978 pentru „Born to Run”, Bruce Springsteen folosește întunericul de la marginea orașului ca metaforă a necunoscutului dezolant cu care ne confruntăm cu toții pe măsură ce creștem și încercăm să înțelegem lumea.

Cosmologii care lucrează pentru a descifra originea și soarta universului trebuie să se identifice complet cu simțul truditului The Boss. Acești oameni de știință uimitori s-au confruntat cu întunericul propriu de la marginea orașului (sau de la marginea galaxiilor) de mult timp în timp ce încearcă să explice unul dintre cele mai mari mistere ale astronomiei. Este cunoscut ca materie întunecată, care este el însuși un marcator de loc - precum x sau y folosit în clasa de algebră - pentru ceva necunoscut și până acum nevăzut. Într-o zi, se va bucura de un nou nume, dar astăzi suntem blocați cu eticheta temporară și conotațiile sale de incertitudine întunecată.

Doar pentru că oamenii de știință nu știu ce să numească materie întunecată nu înseamnă că nu știu nimic despre asta. Ei știu, de exemplu, că materia întunecată se comportă diferit față de materia „normală”, cum ar fi galaxiile, stelele, planetele, asteroizii și toate lucrurile vii și fără viață de pe Pământ. Astronomii clasifică toate aceste lucruri ca fiind materia baryonicăși știu că unitatea sa cea mai fundamentală este atomul, care în sine este compus din particule subatomice și mai mici, precum protoni, neutroni și electroni.

Spre deosebire de materia baronică, materia întunecată nu emite și nu absoarbe lumina sau alte forme de energie electromagnetică. Astronomii știu că există, deoarece ceva din univers exercită forțe gravitaționale semnificative asupra lucrurilor pe care le putem vedea. Când măsoară efectele acestei gravitații, oamenii de știință estimează că materia întunecată adaugă până la 23 la sută din univers. Materia baronică reprezintă doar 4,6 la sută. Și un alt mister cosmic cunoscut sub numele de energie întunecată constituie restul - 72% la sută [sursa: NASA / WMAP]!

Deci, ce este materia întunecată? De unde a venit? Unde este acum? Cum studiază oamenii de știință lucrurile când nu le pot vedea? Și ce speră să câștige rezolvând puzzle-ul? Materia întunecată este secretul pentru solidificarea modelului standard al fizicii particulelor sau va modifica fundamental modul în care vedem și înțelegem lumea din jurul nostru? Atâtea întrebări de răspuns. Vom începe de la început - următorul.

Dovadă pentru materia întunecată: începutul

Astronomii au fost fascinați de galaxii de secole. Întâi s-a dat seama că sistemul nostru solar se afla înconjurat în brațele unui corp masiv de stele. Apoi au venit dovezi că alte galaxii au existat dincolo de Calea Lactee. Până în anii 1920, oamenii de știință precum Edwin Hubble catalogau mii de „universuri insulare” și înregistrau informații despre dimensiunile, rotațiile și distanțele lor de pe Pământ.

Un aspect cheie astronomi sperau să măsoare a fost masa unei galaxii. Dar nu poți doar cântări ceva de dimensiunea unei galaxii - trebuie să găsești masa ei prin alte metode. O metodă este de a măsura intensitatea luminii sau luminozitatea. Cu cât este mai luminoasă o galaxie, cu atât are mai multă masă (vezi cum funcționează stelele). O altă abordare este de a calcula rotația corpului sau a discului unei galaxii, urmărind cât de repede stelele din galaxie se deplasează în jurul centrului său. Variațiile de viteză de rotație ar trebui să indice regiuni cu gravitație variabilă și, prin urmare, masă.

Când astronomii au început să măsoare rotațiile galaxiilor spiralate în anii 1950 și 60, au făcut o descoperire nedumerită. Se așteptau să vadă stele în apropierea centrului unei galaxii, unde materia vizibilă este mai concentrată, se mișcă mai repede decât stelele de la margine. Ceea ce au văzut în schimb au fost că stelele de la marginea unei galaxii aveau aceeași viteză de rotație ca stelele din apropierea centrului. Astronomii au observat acest lucru mai întâi cu Calea Lactee, iar apoi, în anii ’70, Vera Rubin a confirmat fenomenul când a făcut măsurători cantitative detaliate ale stelelor în alte câteva galaxii, inclusiv în Andromeda (M31).

Implicația tuturor acestor rezultate a indicat două posibilități: Ceva a fost în mod fundamental greșit în înțelegerea noastră despre gravitate și rotație, ceea ce părea puțin probabil, având în vedere că legile lui Newton au rezistat multe teste timp de secole. Sau, mai probabil, galaxiile și grupele galactice trebuie să conțină o formă invizibilă de materie - salut, materie întunecată - responsabilă pentru efectele gravitaționale observate. Pe măsură ce astronomii și-au concentrat atenția asupra materiei întunecate, au început să strângă dovezi suplimentare despre existența acesteia.

Pionierii materiei întunecate

Conceptul de materie întunecată nu a avut originea în Vera Rubin. În 1932, astronomul olandez Jan Hendrik Oort a observat că stelele din cartierul nostru galactic se mișcau mai repede decât au prevăzut calculele. El a folosit termenul „materie întunecată” pentru a descrie masa neidentificată necesară pentru a provoca această creștere a vitezei. Un an mai târziu, Fritz Zwicky a început studierea galaxiilor în clusterul Coma. Folosind măsurători de luminozitate, el a stabilit cât de multă masă ar trebui să fie în cluster și apoi, deoarece masa și gravitația sunt legate, a calculat cât de repede ar trebui să se miște galaxiile. Când a măsurat viteza lor reală, însă, a descoperit că galaxiile se mișcau mult, mult mai repede decât se aștepta. Pentru a explica discrepanța, Zwicky a sugerat ca mai multă masă - două ordine de mărime mai mult - să fie ascunsă între materia vizibilă. Ca și Oort, Zwicky a numit această materie întunecată invizibilă [sursa: SuperCDMS la Queen's University].

Dovadă pentru Dark Matter: New Discoveries

Este un inel dublu Einstein! Hubble scoase fotografia câmpului gravitațional al unei galaxii eliptice care deformează lumina a două galaxii exact în spatele ei. Mulțumesc, Hubble.

Este un inel dublu Einstein! Hubble scoase fotografia câmpului gravitațional al unei galaxii eliptice care deformează lumina a două galaxii exact în spatele ei. Mulțumesc, Hubble.

Astronomii au continuat să găsească informații nedumerite în timp ce studiau galaxiile îndepărtate ale universului. Câțiva stupefiatori indrăgostiți și-au îndreptat atenția ciorchini galactici - noduri de galaxii (câte 50 și câte mii) legate între ele prin gravitație - în speranța de a găsi bazine de gaz fierbinte care anterior au fost nedetectate și care ar putea însemna că masa este atribuită materiei întunecate.

Când au întors telescoape cu raze X, cum ar fi Observatorul de raze X Chandra, spre aceste grupuri, au găsit într-adevăr nori vaste de gaz supraîncălzit. Nu este suficient, însă, pentru a ține cont de discrepanțele în masă. Măsurarea presiunii gazelor fierbinți în ciorchine galactice a arătat că trebuie să existe aproximativ cinci până la șase ori mai multă materie întunecată decât toate stelele și gazele pe care le observăm [sursa: Observatorul cu raze X Chandra]. În caz contrar, nu ar exista o gravitație suficientă în cluster pentru a preveni scurgerea gazului fierbinte.

Grupurile galactice au oferit alte indicii despre materia întunecată. Împrumutând din teoria generală a relativității lui Albert Einstein, astronomii au arătat că grupurile și supercluzorii pot distorsiona spațiul timpului cu masa lor imensă. Razele de lumină care emană dintr-un obiect îndepărtat din spatele unui cluster trec prin spațiul distorsionat, ceea ce face ca razele să se îndoaie și să convergă pe măsură ce se îndreaptă spre un observator. Prin urmare, clusterul acționează ca o lentilă gravitațională mare, la fel ca o lentilă optică (vezi Cum funcționează lumina).

Imaginea distorsionată a obiectului îndepărtat poate apărea în trei moduri posibile, în funcție de forma obiectivului:

  1. Inel - imaginea apare ca un cerc parțial sau complet de lumină cunoscut sub numele de inel Einstein. Acest lucru se întâmplă atunci când obiectul îndepărtat, galaxia lentilată și observatorul / telescopul sunt perfect aliniate. Este ca un ochi de taur cosmic.
  2. Oblong sau eliptic - imaginea este împărțită în patru imagini și apare ca o cruce cunoscută sub numele de Cruce Einstein.
  3. grup - imaginea apare ca o serie de arce și arcuite în formă de banane.

Măsurând unghiul de îndoire, astronomii pot calcula masa lentilelor gravitaționale (cu cât este mai mare îndoirea, cu atât este mai masivă lentila). Folosind această metodă, astronomii au confirmat că grupurile galactice au într-adevăr mase mari care le depășesc pe cele măsurate de materia luminoasă și, ca urmare, au furnizat dovezi suplimentare de materie întunecată.

Chandra la salvare

În 2000, Chandra a observat un nor gigantic de gaz fierbinte care înconjura grupul galactic Abell 2029, determinând astronomii să estimeze că clusterul trebuie să dețină o cantitate de materie întunecată echivalentă cu mai mult de o sută de trilioane de sori! Dacă alte grupuri au caracteristici similare, atunci 70 până la 90% din masa universului ar putea fi atribuite materiei întunecate [sursa: Observatorul de raze X Chandra].

Cartografierea materiei întunecate

Această imagine compozită a clusterului galaxiei care fuzionează Abell 520 s-a suprapus,

Această imagine compozită a clusterului galaxiei care fuzionează Abell 520 a suprapus hărți „colorate false” care arată concentrația clusterului de lumina stelară (portocaliu), gaz fierbinte (verde) și materie întunecată (mare parte din albastru).

În timp ce astronomii adunau indicii despre existența - și despre cantitatea uluitoare - a materiei întunecate, au apelat la computer pentru a crea modele despre cum ar putea fi organizate lucrurile ciudate. Au făcut ghiciri educate despre cât de mult ar putea exista materie baryonic și întunecat în univers, apoi au lăsat computerul să deseneze o hartă pe baza informațiilor. Simulările au arătat materia întunecată ca un material ușor împletit cu materia vizibilă regulată. În unele locuri, materia întunecată se încleșa în bulgări. În alte locuri, se întindea pentru a forma filamente lungi și stricte, pe care galaxiile apar încurcate, ca insectele prinse în mătase de păianjen. Potrivit computerului, materia întunecată ar putea fi peste tot, legând universul împreună ca un fel de țesut conjunctiv invizibil.

De atunci, astronomii au lucrat cu sârguință pentru a crea o hartă similară a materiei întunecate bazată pe observația directă. Și au folosit unul dintre aceleași instrumente - lentile gravitaționale - care au ajutat la dovedirea existenței materiei întunecate în primul rând. Studiind efectele de încovoiere ușoară a grupurilor de galaxii și combinând datele cu măsurători optice, au reușit să „vadă” materialul invizibil și au început să asambleze hărți precise.

În unele cazuri, astronomii mapează un singur grup. De exemplu, în 2011, două echipe au folosit date de la Observatorul de raze X al Chandra și alte instrumente, cum ar fi Telescopul spațial Hubble, pentru a cartografia distribuția materiei întunecate într-un cluster de galaxie cunoscut sub numele de Abell 383, care se află la aproximativ 2,3 miliarde de ani-lumină. de pe Pământ. Ambele echipe au ajuns la aceeași concluzie: Problema întunecată din grup nu este sferică, ci ovoidală, ca un fotbal american, orientată cu un capăt îndreptat către observatori. Cercetătorii nu au fost de acord însă cu privire la densitatea materiei întunecate de pe Abell 383. O echipă a calculat că materia întunecată a crescut spre centrul clusterului, în timp ce cealaltă a măsurat substanța mai puțin întunecată la centru. Chiar și cu aceste discrepanțe, eforturile independente au dovedit că materia întunecată poate fi detectată și mapată cu succes.

În ianuarie 2012, o echipă internațională de cercetători a publicat rezultatele unui proiect și mai ambițios. Folosind camera foto de 340 de megapixeli de pe telescopul Canada-Franța-Hawaii (CFHT) de pe Muntele Mauna Kea din Hawaii, oamenii de știință au studiat efectele cu lentile gravitaționale ale 10 milioane de galaxii în patru regiuni diferite ale cerului pe o perioadă de cinci ani. Când au cusut totul împreună, au avut o imagine a materiei întunecate, care priveau peste un miliard de ani-lumină de spațiu - cea mai mare hartă a lucrurilor invizibile produse până în prezent. Produsul lor final semăna cu simulările anterioare ale computerului și a dezvăluit o vastă rețea de materii întunecate care se întindea prin spațiu și se amestecă cu materia normală pe care o cunoaștem de secole.

Identificarea particulelor de materie întunecată

Pe baza dovezilor, majoritatea astronomilor sunt de acord că există materie întunecată. Dincolo de asta, au mai multe întrebări decât răspunsuri. Cea mai mare întrebare, îndrăznim să spunem una dintre cele mai mari din toată cosmologia, se concentrează asupra naturii exacte a materiei întunecate. Este un tip de materie exotică, nedescoperită sau este o chestiune obișnuită că avem dificultăți în observare?

Această din urmă posibilitate pare puțin probabilă, dar astronomii au luat în considerare câțiva candidați, la care se referă Machos, sau obiecte halo compacte masive. MACHO-urile sunt obiecte mari care se află în halosul galaxiilor, dar evită detectarea, deoarece au luminozități atât de scăzute. Astfel de obiecte includ pitici brune, pitici albe extrem de slabe, stele cu neutroni și chiar găuri negre. MACHO-urile contribuie probabil oarecum la misterul materiei întunecate, dar pur și simplu nu sunt suficiente pentru a da seama de toată materia întunecată dintr-o singură galaxie sau un grup de galaxii.

Astronomii consideră că este mai probabil ca materia întunecată să constea dintr-un tip cu totul nou de materie construit dintr-un nou tip de particule elementare. La început, au considerat neutrinii, particule fundamentale postulate mai întâi în anii 1930 și apoi descoperite în anii 1950, dar, deoarece au o masă atât de mică, oamenii de știință sunt îndoielnici că formează multă materie întunecată. Alți candidați sunt figuri ale imaginației științifice. Sunt cunoscuți ca WIMP (pentru particule masive care interacționează slab), și dacă există, aceste particule au mase de zeci sau sute de ori mai mari decât cele ale unui proton, dar interacționează atât de slab cu materia obișnuită încât sunt dificil de detectat. WIMP-urile ar putea include orice număr de particule ciudate, cum ar fi:

  • neutralino (neutrini masivi) - particule hipotetice care sunt similare cu neutrinoii, dar mai grele și mai lente. Deși nu au fost descoperiți, ei sunt un lider în categoria WIMPs.
  • axioni - particule mici, neutre, cu o masă mai mică de o milionime de electroni. Este posibil ca axioanele să fi fost produse din abundență în timpul big bang-ului.
  • Fotin - Similar cu fotoni, fiecare cu o masă de 10 până la 100 de ori mai mare decât un proton. Fotinoii sunt neîncărcați și, fideli monikerului WIMP, interacționează slab cu materia.

Oamenii de știință din întreaga lume continuă să vâneze agresiv pentru aceste particule. Unul dintre cele mai importante laboratoare ale lor, Large Hadron Collider (LHC), se află în subteran, într-un tunel circular lung de 16,5 mile, care traversează granița franceză-elvețiană. În interiorul tunelului, câmpurile electrice accelerează două fascicule pline de protoni până la viteze absurde și apoi le permit să se ciocnească, ceea ce eliberează un spray complex de particule. Scopul experimentelor LHC nu este de a produce WIMP-uri direct, ci de a produce alte particule care s-ar putea descompune în materie întunecată. Acest proces de degradare, deși aproape instantaneu, ar permite oamenilor de știință să urmărească schimbările de moment și de energie care ar oferi dovezi indirecte ale unei particule cu totul noi.

Alte experimente implică detectoare subterane care speră să înregistreze particule de materie întunecată prin zăpadă prin și prin Pământ (vezi bara laterală)

Înmormântat în Minnesota

Dacă galaxiile îndepărtate se găsesc, de obicei, într-un învățământ de materie întunecată, atunci Calea Lactee poate, de asemenea. Și dacă este așa, atunci Pământul trebuie să treacă printr-o mare de particule întunecate de materie întrucât orbitează soarele, iar soarele călătorește în jurul galaxiei. Pentru a detecta aceste particule, echipa Cryogenic Search Matter Dark (CDMS) a îngropat o serie de celule de germaniu adânc sub pământ în Soudan, Minn. Dacă există particule de materie întunecată, acestea ar trebui să treacă prin pământ solid și să lovească nucleele atomilor de germaniu, care se va recala și va produce cantități minime de căldură și energie. În 2010, echipa a raportat că a detectat doi WIMP-uri candidați care lovesc tabloul de celule. În cele din urmă, oamenii de știință au decis că rezultatele nu erau semnificative din punct de vedere statistic, dar a fost un alt indiciu tentant în căutarea celei mai misterioase substanțe din univers.

Alternative la materie întunecată

Nu toată lumea este vândută pe materie întunecată, nu printr-o lovitură lungă. Câțiva astronomi cred că legile mișcării și gravitației, formulate de Newton și extinse de Einstein, s-ar putea să fi întâlnit în cele din urmă. Dacă acesta este cazul, atunci o modificare a gravitației, nu a unei particule nevăzute, ar putea explica efectele atribuite materiei întunecate.

În anii 1980, fizicianul Mordehai Milgrom a sugerat ca a doua lege a mișcării (forța = masa x accelerația, f = ma) să fie reexaminată în cazul mișcărilor galactice. Ideea sa de bază era că, la accelerații foarte mici, corespunzătoare distanțelor mari, a doua lege s-a descompus. Pentru a face să funcționeze mai bine, el a adăugat o nouă constantă matematică în celebra lege a lui Newton, numind modificarea MOND, sau Dinamică newtoniană modificată. Deoarece Milgrom a dezvoltat MOND ca o soluție la o problemă specifică, nu ca principiu fundamental al fizicii, mulți astronomi și fizicieni au plâns.

De asemenea, MOND nu poate ține cont de dovezi ale materiei întunecate descoperite de alte tehnici care nu implică a doua lege a lui Newton, cum ar fi astronomia cu raze X și lentilele gravitaționale. O revizuire din 2004 la MOND, cunoscută sub numele de Teves (Gravitatea tensor-vector-scalară), introduce trei câmpuri diferite în spațiu-timp pentru a înlocui câmpul gravitațional. Deoarece TeVeS încorporează relativitatea, ea poate găzdui fenomene precum lentile. Dar asta nu a rezolvat dezbaterea. În 2007, fizicienii au testat a doua lege a lui Newton până la accelerații de până la 5 x 10-14 Domnișoară2 și a raportat că f = ma este valabil fără modificări necesare (a se vedea Actualitatea de știri a Institutului American de Fizică: „A doua lege a mișcării din Newton”, 11 aprilie 2007), ceea ce face ca MOND să pară și mai puțin atractivă.

Alte alternative consideră materia întunecată ca o iluzie care rezultă din fizica cuantică. În 2011, Dragan Hajdukovic de la Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare (CERN) a propus ca spațiul gol să fie umplut cu particule de materie și antimaterie care nu sunt doar opuse electrice, ci și opuse gravitaționale. Cu diferite sarcini gravitaționale, materia și particulele de antimaterie ar forma dipoli de gravitație în spațiu. Dacă acești dipoli s-ar forma în apropierea unei galaxii - un obiect cu un câmp gravitațional masiv - dipolii gravitaționale s-ar polariza și ar consolida câmpul gravitațional al galaxiei. Acest lucru ar explica efectele gravitaționale ale materiei întunecate fără a necesita forme de materie noi sau exotice.

Materia Întunecată și Soarta Universului

Conform acestei cronologie de la NASA, expansiunea universului se accelerează.

Conform acestei cronologie de la NASA, expansiunea universului se accelerează.

Dacă materia întunecată acționează ca adezivul cosmic, astronomii trebuie să fie capabili să-și explice existența în termenii teoriei predominante a formării universului. Teoria big bang afirmă că universul timpuriu a suferit o extindere enormă și încă se extinde și astăzi. Pentru ca gravitația să strângă galaxii în pereți sau filamente, trebuie să existe o cantitate mare de masă rămasă din bangul mare, în special masa nevăzută sub formă de materie întunecată. De fapt, simulările de supercomputere ale formării universului arată că galaxiile, grupurile galactice și structurile mai mari se pot forma în cele din urmă din agregări de materie întunecată în universul timpuriu.

Pe lângă oferirea structurii universului, materia întunecată poate juca un rol în soarta sa. Universul se extinde, dar se va extinde pentru totdeauna? Gravitatea va determina în final soarta expansiunii, iar gravitația depinde de masa universului; în mod specific, există o densitate critică de masă în universul a 10-29 g / cm3 (echivalent cu câțiva atomi de hidrogen într-o cabină telefonică) care determină ce s-ar putea întâmpla.

  • Univers închis - Dacă densitatea de masă reală este mai mare decât densitatea de masă critică, universul se va extinde, va încetini, se va opri și se va prăbuși înapoi în sine într-o „mare criză”.
  • Univers critic sau plat - Dacă densitatea de masă reală este egală cu densitatea de masă critică, universul va continua să se extindă pentru totdeauna, dar rata de expansiune se va încetini din ce în ce mai mult pe măsură ce trece timpul. Totul în univers va deveni în cele din urmă rece.
  • Univers de coastă sau deschis - Dacă densitatea de masă reală este mai mică decât densitatea de masă critică, universul va continua să se extindă fără modificarea ratei de expansiune.

Măsurătorile densității masei trebuie să includă atât lumina cât și materia întunecată. Deci, este important să știm câtă materie întunecată există în univers.

Observații recente asupra mișcărilor supernoveelor ​​îndepărtate sugerează că rata de expansiune a universului este în realitate accelerată. Aceasta deschide o a patra posibilitate, un univers accelerat, în care toate galaxiile se vor îndepărta unele de altele relativ rapid și universul va deveni rece și întunecat (mai repede decât în ​​universul deschis, dar încă de ordinul a zeci de miliarde de ani). Ceea ce provoacă această accelerație nu este cunoscută, dar a fost numită energie întunecată. Energie întunecată este chiar mai misterios decât materia întunecată - și doar un alt exemplu de întuneric astronomic de la marginea orașului. Poate că universul, după cum sugerează Springsteen, își va purta secretele mult timp:

Toată lumea are un secret, Sonny, Ceva pe care pur și simplu nu îl pot face față, Unii oameni își petrec întreaga viață încercând să-l păstreze, Îl poartă cu ei la fiecare pas pe care îl fac.
Cum Funcționează Materia Întunecată





RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2024 RO.WordsSideKick.com