Doar despre complex este că materia întunecată este și în cazul în care să-l găsiți

construcție teoretică în fizică numită Modelul Standard descrie interacțiunile tuturor particulelor elementare cunoscute. Dar aceasta este doar 5% din materia existentă în Univers, iar restul de 95% sunt de natură complet necunoscute. Care este această materie întunecată ipotetică și modul în care oamenii de știință încearcă să-l detecteze? Acest lucru a fost în cadrul proiectului special „Fiztekh. Reader „, spune Hayk Hakobyan, student la MIPT și angajat al departamentului de fizică și astrofizică.

Modelul standard al particulelor elementare, în cele din urmă a confirmat la detectarea Higgs, descrie interacțiunile fundamentale (electroslabe și puternice) de particule convenționale cunoscute: leptoni, quark și vectori interacțiune (bozonilor și gluoni). Cu toate acestea, se pare că toată această teorie imens complex descrie doar aproximativ 5-6% din materia, în timp ce restul acestui model nu se potrivește. Observațiile cele mai timpurii momente ale vieții din universul nostru ne arată că aproximativ 95% din materia care ne înconjoară, este natura total necunoscuta. Cu alte cuvinte, vom vedea în mod indirect prezența materiei întunecate datorită influenței sale gravitaționale, dar în mod direct să-l prind până când reuși. Acest fenomen de masă ascuns a primit numele de cod „materie întunecată“.

Știința modernă, în special cosmologie, funcționează pe metoda deductivă lui Sherlock Holmes

Experiment LUX. în care oamenii de știință au încercat, folosind un bazin umplut cu 400 kg de xenon lichid, captura particule de materie întunecată - WIMP, care interacționează slab particule masive - a ajuns la nimic plumb. Acum se pregătește să lanseze un nou experiment - DARWIN, în care intenționați să utilizați o greutate de 25 de tone de xenon pentru a detecta WIMP (a se vedea figura 1 ..). Pe de altă parte, ADMX experiment. care vizează detectarea altor (de multe ori mai mult decât greutatea pulmonare) candidații pentru materia întunecată, Axionul ipotetic, de asemenea, nu a dat nici un rezultat.

Experimentele de instalare LUX (stânga) și ADMX (dreapta)

Ca urmare a acestei tăceri apare Detectoarele perfect întrebare firească este motivul pentru care căutăm aceste particule, de ce nu altceva? De ce este această masă nu se poate ascunde în celelalte particule cunoscute la noi, sau obiecte? Ar putea fi că vom merge toți pe despre numele de cod, care este, nu poate fi că nu există nici o materie întunecată și nu la toate, doar o teorie a gravitației nu reușește și nu funcționează pe o astfel de scară? Cum oamenii de știință pot fi atât de sigur de tine?

Faptul că știința modernă, în special în domeniul cosmologiei, funcționează pe metoda deductivă lui Sherlock Holmes. Inițial, aceasta poate fi un număr foarte mare de probabil și improbabil, comune și exotice, se încadrează în teoria modernă și contrar ipotezelor ea, explicând un fenomen. Cu toate acestea, un judecător obiectiv, trece prin toate opțiunile ipoteze imposibil, este cea mai simpla observare și experiment. Conformitatea cu observațiile - criteriile de bază pe care trebuie să le îndeplinească orice teorie științifică. Cu alte cuvinte, dacă vom renunța la toate ipotezele imposibile, restul, indiferent cât de paradoxal și incredibil cum era, și este adevărat. lucrări de știință, cum investigarea infracțiunii, în cazul în care fiecare element de probă, iar suspecții au o greutate decisivă alibi. Aici vreau doar să vorbim despre aceste ipoteze cernute pentru a explica de ce o astfel de căutare lungă și costisitoare pentru WIMP și Axion sunt sub o bază foarte solidă.

Primele observații sau locul crimei

Pentru prima dată, un fenomen ciudat descoperit astronomul american Zwicky în 1933. El a investigat un grup de galaxii Coma (Coma Cluster) și a găsit o discrepanță ciudată. Faptul că masa galaxiei măsurată în două moduri. În primul caz, puteți conta pur și simplu numărul de galaxii din cluster, pentru a estima greutatea lor aproximativă de evaluare cu stele (știind despre masa fiecare) și pur și simplu adăugați masa tuturor galaxiilor. Se întoarse în jurul valorii de 1013 (în mase solare). În al doilea caz, este posibil să se măsoare vitezele galaxiilor: cu cât viteza, cea mai mare forța gravitațională care acționează asupra galaxiei, și cu atât mai mare masa totală a clusterului. Astfel, este posibil, din nou, cu o anumită precizie pentru a estima masa clusterului, iar de data aceasta Zwicky a primit 5 x 1014, adică de 50 de ori mai mult.

№1 Suspectul: interstelar praf / gaz

Această divergență la momentul respectiv nu a provocat o rezonanță mare în lumea științifică, ca și observațiile au fost, în principiu, foarte mici și, în consecință, nu au suficiente informații despre interstelar praf, gazele, stelele pitice. Apoi sa crezut că această greutate în plus poate ascunde în ele.

În activitatea sa în 1970 Vera Rubin si Kent Ford a studiat pentru dependența Andromeda a vitezei de stele de la distanță de la centrul galactic (așa-numita curba de rotație). Deoarece cea mai mare parte a stelelor sunt concentrate în apropierea centrului galaxiei, este logic să presupunem că mai departe de centrul stelei, mai mici ar trebui să fie forța gravitațională care acționează pe ea, iar mai mici ar trebui să fie viteza. Cu toate acestea, sa dovedit că pentru stelele de pe periferia unei astfel de legi nu este îndeplinită, iar curba atinge o valoare constantă (vezi. Fig. 2).

Curba de rotație pentru galaxia Andromeda (dintr-un articol de V. Rubin, Kent Ford Jr. 1970)

Acest lucru a însemnat că cea mai mare parte, care afectează rotația stelei, nu doar ascuns de noi. Acesta este distribuit până la periferie, și poate chiar mai departe. Mai târziu, curbe similare au fost trase pentru diferite galaxii, cu absolut același rezultat. Pentru mai multe galaxii eliptice, aceste curbe nu sunt pur și simplu nu va scădea, dar, de asemenea, a crescut, adică, steaua a fost mai departe de centru, cu atât mai mare a fost viteza. Se pare că cea mai mare parte din masa (o medie de 90%) nu se află în stele și această masă ascunsă este distribuită în prezent regiunea disc galactic sub formă de halo sferice (vezi. Fig. 3). (Halo - fenomen optic iluminat inel în jurul obiectului - o sursă de lumină -. Ed.).

Comparați zona de masă ascunse și dimensiunea galaxiei

nori de praf și gaz interstelar acum nu a putut explica prezența masei ascunse. Faptul că oricum și praf, iar gazul are interacțiune internă: datorită emisiei de frecare a particulelor de praf sau de molecule de gaz ar pierde energie acumularea treptat de la periferie spre centru. Ca urmare, nu ar fi avut un halou imens care se extinde cu mult dincolo de galaxie, și acumularea de material în centru. Prin urmare, ipoteza este respinsă de natura de gaz și praf.

№2 Suspectul: slab care emit obiecte astrofizice

Ca urmare simplitatea ipotezei evidentă a fost că partea ascunsă a masei poate fi încheiat într-o chestiune de bine-cunoscute obiecte astrofizice (English Macho -. Massive astrofizice obiect halo compact), cum ar fi stele slabe sau disparute,, pitice maro alb, stele neutronice, negru gaura sau planeta Jupiter, cum ar fi masive. aceste obiecte nu pot fi văzute cu un telescop, și, foarte posibil, astfel încât multe dintre ele din cauza luminozitatii lor mici și slabe pe care le asigură disponibilitatea masei lipsă.

Când obiectul masiv low-luminos traversează linia noastră de vedere, vedem un obiect situat în spatele o astfel de stea devine mai luminos, din cauza luminii lentilă gravitațională (vezi. Fig. 4). Acest fenomen se numește microlentilelor gravitațională. Prezența unor astfel de MACHO ar fi condus la un număr foarte mare de evenimente microlentilelor. Cu toate acestea, observațiile telescopului Hubble orbitale a arătat că astfel de evenimente extrem de mici, iar în cazul în care astfel de obiecte MACHO este, masa lor este mai mică de 20% din masa de galaxii, dar nu 95%.

obiect de stele microlentilelor MACHO

Mai mult decât atât, toate aceste respingeri au fost ulterior susținute de observații de fond de microunde cosmice. Faptul că aceste observații sunt o restricție clară privind numărul de barioni (protoni, neutroni, și tot ce este formată din cuarci), care ar fi putut fi născut în universul timpuriu în timpul nucleosinteză (formarea de nuclee atomice - nn ...). În special, ne spune că materia nebarionică (toate luminoase stele, gaz și praf nori) - care este cel puțin o majoritate a materiei nebarionică în universul nostru și, prin urmare, greutatea ascunse nu poate fi compus din barioni .

Suspectul №3: teorii modificate

Înapoi la începutul poveștii: ce se întâmplă dacă nici o greutate suplimentară nu este? Ce se întâmplă dacă avem doar o teorie pic de lucru diferită a gravitatiei sau a legilor lui Newton?

La început, am spus că mai mare forța gravitațională care acționează asupra unui obiect (în acest caz - o galaxie sau o singură stea), cea mai mare accelerare (legea lui Newton) și, respectiv, viteza, ca accelerația centripetă este proporțională cu pătratul vitezei. Dar dacă legea lui Newton corect? În 1983, un fizician israelian Mordechai Milgrom ipoteza propusă MOND (Modificat dinamica newtoniană), în care legea lui Newton a fost oarecum ajustat pentru cazul când accelerația sunt suficient de mici (10-8 cm / s2).

Această abordare este bine explicată curbele de rotație obținute Rubin și Ford, și crescând curbele de rotație pentru galaxii eliptice. Cu toate acestea, grupuri de galaxii întunecate indiferent în cazul în care viteza de până mai mult de accelerare stele individuale, MOND nu a fost modificată, iar întrebarea a rămas deschisă. O altă abordare a fost propusă în numeroase încercări de a modifica teoria gravitatiei. Acum, există o clasă largă de teorii numite parametrizate formalismul post-newtonian, în cazul în care fiecare teorie descrie propriul set de 10 parametri standard pentru a explica abaterea de la gravitatea normală.

Unele dintre aceste teorii elimina într-adevăr problema de masă ascunse, dar duce la alte probleme. De exemplu, un fotoni masiv sau cromaticitate lentilă gravitațională (în funcție de abaterea de frecvență a luminii), care, desigur, nu este susținută de observații. În orice caz, nici una dintre aceste teorii nu au fost încă confirmate de observații. Astfel, dintre toate ipotezele posibile, exista doar o singura posibilă (deși inițial exotice), nu contrazice experimentul: materia întunecată - este un fel de particule nebarionică de natură (de exemplu, nu compus din cuarci). Astfel de candidați în teorie, există multe (a se vedea figura 5 ..), dar ele sunt împărțite în două grupe principale - materia întunecată caldă și rece.

Candidații pentru rolul materiei întunecate, clasificate în funcție de greutate (dintr-un articol de către V. Trimble, 1987)

№4 Suspectul: materia întunecată fierbinte

materie întunecată Hot - o particule de lumină se deplasează la viteze apropiate de viteza luminii. Cel mai evident candidat pentru acest rol este neutrinilor mai obișnuite. Aceste particule au o masă foarte mică (anterior sa crezut ca greutatea lor este egală cu zero), se nasc în interiorul stelelor la procese de fuziune diferite și acoperi aproape orice altceva fără a interacționa. Cu toate acestea, sa dovedit că, odată cu numărul de neutrini, pe care o avem în univers, materia întunecată pentru a explica necesitatea de a avea greutatea lor a fost de aproximativ 10 electron-volți. Dar experimente limita de masă neutrino de mai sus, la o fracțiune de eV, care este de sute de ori mai mici.

După refuzul de neutrini ordinare a apărut teoria așa-numitelor neutrinii sterile - particule ipotetice care apar în teoria interacțiunilor Superweak. Cu toate acestea, astfel de particule în experimente care nu au fost încă găsite, și faptul existenței lor este acum în discuție. Observațiile cosmologică din ultimii ani au arătat că, în cazul în care materia întunecată este fierbinte, nu este mai mare de 10% din materia întunecată. Faptul că diferitele tipuri de materie întunecată furnizează diferite scenarii de formare a galaxiei (vezi. Fig. 6).

În scenariul de fierbinte materie întunecată (de sus în jos), ca urmare a evoluției formării primei bucăți mari de materie, care apoi se prăbușesc în grupuri mici, separate, și în cele din urmă se transformă în galaxii. În scenariul CDM (bottom-up), format mai întâi grupuri mici și galaxii pitice, care apoi sunt concatenate pentru a forma cele mai mari. Observațiile și simulări pe calculator arată că universul nostru este realizat exact scenariul care indică o predominanță clară a materiei întunecate la rece.

Top - script de sus în jos (materia întunecată la cald), din partea de jos - script-ul de jos în sus (materia întunecată rece)

№5 Suspectul: materia întunecată rece

Acum, candidatul principal al grupului este WISP Axion care rezultă teoria puternică interacțiune și având o masă foarte mică. O astfel de particulă capabilă în câmpuri magnetice puternice transforma intr-o pereche de foton-foton, care ofera indicii despre cum puteți încerca să o găsească. Experimentul ADMX folosind camera de mare în cazul în care un câmp magnetic de 80.000 gauss (este de 100.000 de ori mai mare decât câmpul magnetic al Pământului). Un astfel de câmp, în teorie, ar trebui să stimuleze descompunerea Axionul la perechea foton-foton, care trebuie să prindă detectoare. În ciuda numeroaselor încercări, până la descoperirea de WIMP, axioni, sau neutrini sterile a eșuat.

Așa că am călătorit printr-o mulțime de diferite ipoteze care încearcă să explice existența stranie a materiei întunecate și, aruncărilor înapoi observând imposibilul, a ajuns la mai multe ipoteze posibile, care pot fi deja de lucru.

Rezultatele negative în domeniul științei - este, de asemenea, rezultatul, deoarece oferă o limită asupra diferiților parametri de particule, cum ar fi buruienile din gama de mase posibile. De la an la an tot mai multe observații și experimente în acceleratoare de a oferi noi restricții, mai stricte privind greutatea și alți parametri de particule de materie întunecată. Astfel, aruncând toate opțiunile imposibile și îngustarea gama de căutare, suntem zi de zi din ce în ce mai aproape de a înțelege, de ce anume este de 95% din materia în universul nostru.

Nu ratați următorul curs