Според съвременната представа на учените, невидимата тъмна материя съставлява 95% от цялата материя във Вселената, влияе върху движението на галактиките, изменя пътя на светлината и засяга структурата на целия космос.
Доскоро основен кандидат за частици на тъмната материя бяха т. н. WIMP (Weakly Interactive Massive Particles — слабо взаимодействащи масивни частици), но днес физици от Университета на Калифорния показват друг кандидат - добре познатите от 80 години пиони - "SIMPs" - силно взаимодействащи масивни частици (Strong Interacting Massive Particles).
Какво знаем за тъмната материя
Почти нищо, но все пак...
Тя съществува
На първо място, без никакво съмнение, тъмна материя съществува.
Заключението за съществуването на тъмна материя е направено въз основа на многобройни, съгласуващи се един с друг, макар и косвени признаци в поведението на астрофизичните обекти и по създаваните от тях гравитационни ефекти. С бързото развитие на възможностите за астрономически наблюдения от 1960 г. насам броят на аргументите за съществуването на тъмна материя бързо се разраства:
- Скоростта на движение на звездите не намалява по краищата на галактиките и това е типичната ситуация във Вселената. Според небесната механика скоростта на въртящите се звезди около центъра на галактиката трябва да намалява обратно пропорционално на разстоянието им до центъра (вляво горе). В реалните галактики скоростта остава почти постоянна. Това означава, че галактиката всъщност съдържа допълнително голяма маса невидимо вещество или "галактическо хало" (вдясно).
- При изследване на движението на спътниците на галактиките и близко разположени звездни купове, е потвърдено, че общата маса на всяка галактика е няколко пъти масата на нейните звезди.
- Проучено е движението на двойни системи галактики и галактичните купове. Оказа се, че в такива мащаби делът на тъмната материя е много по-висок, отколкото вътре в галактиките.
- Звездната маса на елиптичните галактики, според оценките на астрофизиците, не е достатъчна, за да задържи горещия газ в галактиката, ако не се вземе предвид тъмната материя.
- Гравитационните лещи представляват изкривяване на светлината от далечни галактики, което се създава от масата на галактичен куп на преден план. Гравитационните лещи дават възможност за оценка на масата на галактичните купове. Получените резултати демонстрират приноса на тъмната материя при несъответствието между наблюдаваната материя и изчислената маса.
Силни гравитационни лещи в Abell 1689, наблюдавани от космическия телескоп Хъбъл (виждат се дъгите образувани от лещите). От изкривяването, може да се определи разпределението на масата и несъответствието между наблюдаваната материя и определената маса. Източник NASA/ESA.
- Общата теория на относителността еднозначно свързва скоростта на разширяване на Вселената със средната плътност на материята. Ако приемем, че средната кривина на пространството е нула, т.е. действа Евклидовата геометрия, а не тази на Лобачевски, което надеждно е проверено в експерименти с реликтовото лъчение, плътността трябва да бъде равна на 10-29 грама на кубичен сантиметър. Плътността на видимата материя е около 20 пъти по-малка. Липсващите 95% от масата на Вселената е тъмната материя.
Какво не е тъмната материя
Астрономите знаят повече за това, какво не е, отколкото какво е тъмната материя.
Тъмната материя е тъмна: Тя не излъчва никаква светлина и не може да се види директно, така че тя няма звезди или планети от тъмна материя.
Тъмната материя не са облаци от нормалната материя: Ако беше така тъмната материя ще бъде откриваема чрез отразената светлина.
Тъмната материя не е антиматерия: Антиматерията анихилира материята при контакт, произвеждайки гама-лъчи. Астрономите не откриват такива потоци.
Тъмната материя не е черни дупки: Черните дупки се наблюдават като гравитационни лещи, които огъват светлина. Астрономите не виждат достатъчно гравитационни лещи спрямо количеството тъмна материя, която трябва да съществува.
Има различни видове тъмна материя
Но ние не само знаем, че съществува, но и че съществува тъмна материя в няколко форми. След началото на XXI век в резултат на дългосрочни наблюдения по време на експериментите SuperKamiokande (Япония) и Sno (Канада), беше установено, че неутриното има маса. Така стана ясно, че от 0,3% до 3% от тези 95% невидима маса е била в отдавна известното ни неутрино - въпреки че масата му е изключително малка, количеството му във Вселената е около един милиард пъти по-голямо от броя на изграждащите ядрото на атомите нуклони (протони и неутрони). Във всеки кубически сантиметър се съдържат средно 300 частици неутрино.
Останалите 92-95% се състои от две части - тъмната материя и тъмната енергия. Една малка част от тъмната материя е обикновена барионна материя, изградена от нуклони, а остатъкът, както изглежда, са някакви неизвестни слабо взаимодействащи масивни частици WIMP (Weakly Interactive Massive Particles) или т.нар студена тъмна материя. Енергийният баланс в съвременната Вселена е:
| Обикновено видимо вещество | 5% |
| Неутрино | 0,3% - 3% |
| Барионна тъмна материя | 4% - 5% |
| Небарионна тъмна материя | 20% - 25% |
| Тъмна енергия | 65% - 70% |
Барионната тъмна материя
Малка част (4-5%) от тъмната материя - това е обикновено вещество, което не излъчва или почти не излъчват и следователно е невидимо. Такива обекти са наречени "massive compact halo objects" или масивни компактни хало-обекти или MACHO. Наличието на няколко класа на такива обекти може да се счита за експериментално потвърдено с помощта на гравитационни лещи.
Естеството на масивните компактни хало-обекти не е ясна докрай. По-скоро това са студени звезди (кафяви джуджета) или планетарни обекти, които не са свързани със звезди и пътуват свободно през галактиките.
Друг представител на барионната тъмната материя е наскоро открит в галактични купове горещ газ, който не свети във видимия диапазон.
Небарионната тъмна материя. WIMPs или слабо взаимодействащи масивни частици.
Основният кандидат за небарионна тъмна материя са така наречените WIMP или слабо взаимодействащи масивни частици (Weakly Interacting Massive Particles — WIMP).
"Слабо взаимодействащи" означава, че WIMPs не взаимодействат с обикновената материя. Те не се удрят често в други вещества, а и не отделят светлина, което обяснява защо изследователите не могат да ги открият все още.
Създадени в началото на Вселената, те са "масивни" и достатъчно бавно движещи се, за да слепват гравитационно заедно и да образуват структури, чиято форма се наблюдава в днешната Вселена. Масата на WIMP трябва да бъде най-малко десет пъти по-голяма от масата на протона. WIMP се търсят в много експерименти през последните 20-30 години, но въпреки усилията, все още не са намерени.
Учените прогнозират, че тъмната материя е направена от частици. Но това предположение се основава на това, което знаят за естеството на обикновената материя, която представлява само около 4% от Вселената.
Начини за търсене на частици от тъмната материя. Илюстрация: space.com
Една от идеите е, че ако съществуват такива частици, то Земята в своето движение със Слънцето по орбита около центъра на галактиката трябва да лети през потоци от WIMP. Въпреки, че WIMP е изключително слабо взаимодействаща частица, има все пак някаква много малка вероятност да взаимодейства с обикновените атоми. В същото време в специални съоръжения - много сложни и скъпи - се опитват да запишат сигнал. Броят на тези сигнали трябва да се променя през годината, защото движейки се по своята орбита около Слънцето, Земята променя своята скорост и посока по отношение на вятъра от WIMP. Експерименталната група DAMA, работеща в италианската лаборатория в тунел Гран Сасо, съобщава за наблюдавани годишни колебания на броя на сигналите. Но други групи не са потвърдили тези резултати и въпросът остава отрит.
Друг метод за търсене на WIMP е основан на предположението, че с течение на милиарди години от своето съществуване, различните астрономически обекти (Земята, Слънцето, центърът на нашата галактика) трябва да са уловили WIMP, които се натрупват в центъра на тези обекти и анихилирайки се един друг, раждат потоци неутрино. Опитите да се открият допълнителни потоци неутрино от центъра на Земята в посока на Слънцето и центъра на галактиката са предприети в подземните и подводни детектори на неутрино MACRO, LVD (лаборатория Гран Сасо), NT-200 (езерото Байкал, Русия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скот-Амундсен, Южния полюс), но досега не са довели до положителен резултат.
Експерименти, търсещи WIMP активно се провеждат в ускорителите на частици. В съответствие с уравнението на Айнщайн E = mc2, енергията е еквивалентна на масата. Ето защо, при ускоряването на частици (например протони) до много високи енергии и сблъскването им с други частици може да се очаква да се роди двойка други частици и античастици (включително WIMP), общата маса на които е равна на общата енергия на сблъскващите се частици. Но експерименти все още не са довели до резултат.
Днес съобщихме за нов кандидат за частица тъмна материя - частици, които все пак взаимодействат с материята - добре познатите пиони. Предстои да се провери тази хипотеза с помощта на Големия адронен колайдер и новия експеримент SuperKEK-B и експеримента SHiP.
Тази триизмерна карта предлага за първи път поглед на мащабното разпределение на масата на тъмната материя при проучване на космическия телескоп Хъбъл, изчислена чрез измерване на слаби гравитационни лещи.
Тъмната енергия
В началото на миналия век, Алберт Айнщайн, които искал да осигури на космологичния модел в общата теория на относителността независимост от времето, въвел в уравненията на теорията си т.нар космологична константа, която обозначил с гръцката буква "ламбда" - Λ. Тя е била чисто формална константа, в която дори самият Айнщайн не виждал никакъв физически смисъл. След като разширението на Вселената било открито, необходимостта от нея отпаднала. Айнщайн много съжалявал, че е прибързал и нарекъл космологичната константа Λ най-големата си научна грешка. Въпреки това, десетилетия по-късно стана ясно, че константата на Хъбъл, която определя скоростта на разширяване на Вселената се променя с времето, при това зависимостта от времето може да бъде обяснена, използвайки стойността на същата Айнщайнова константа Λ, която има своя принос за скритата плътност на Вселената. Тази част от скритата маса и става известна като "тъмна енергия".
За тъмната енергия можем да кажем още по-малко, отколкото за тъмната материя. Първо, тя е равномерно разпределена по цялата вселена, за разлика от обикновената материя и другите форми на тъмна материя. На второ място, тя има няколко много странни свойства, които могат да бъдат разбрани само чрез анализ на уравненията на теорията на относителността и тълкуване решението им. Например, тъмната енергия създава антигравитация: с присъствието си увеличава скоростта на разширяване на Вселената. Тъмната енергия като че ли разпръсква сама себе си, което ускорява и обикновената материя. И тъмната енергия има отрицателно налягане, благодарение на което във веществото възниква сила, която предотвратява разтягането на материята.
Главният кандидат за ролята на тъмната енергия е вакуумът. Плътността на енергията на вакуума не се променя с разширяването на вселената, което съответства на отрицателно налягане. Друг кандидат е хипотетично ултраслабо поле, наречено "квинтесенция". Надеждите да се изясни природата на тъмната енергия са свързани предимно с нови астрономически наблюдения. Напредъкът в тази посока, без съмнение ще донесе радикално ново знание на човечеството, тъй като във всеки случай, тъмната енергия трябва да представлява някакво доста необичайно вещество, напълно различно от всичко познато на физиката досега.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари