Темная материя физика


Темная материя физика

Распределение масс во Вселенной

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского. В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.

Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.


Давайте узнаем про все это подробнее …

Темная материя  и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Однако это еще не все.

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.


Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.

 

Темная материя физика


 

Доказательством существования темной материи является ее тяжесть – сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной. Все части Вселенной взаимно притягиваются друг к другу. Благодаря этому ученые смогли рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов был выявлен существенный дисбаланс в этих параметрах, что дало основание полагать, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.

Изучение темной материиКроме того, доказательством существования темной материи стало ее гравитационное влияние на другие объекты, в том числе на траекторию движения звезд и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации А. Эйнштйна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.

Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Было исследован феномен гравитационного линзирования, который состоит в том, что плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, меняя траекторию световых потоков. Это приводит к искажению изображения и возникновению миражей звезд и галактик. Ученые фиксируют эти световые изгибы, но не могут назвать природу этого явления.

Темная материя в нашей Вселенной может существовать в виде массивных астрономический гало-объектов (МАГО).


ним относятся планеты, луны, коричневые и белые карлики, пылевые облака, нейтронные звезды и черные дыры. Как правило, они слишком малы, чтобы их свет был обнаружен человеком, однако их существование может быть вычислено через гравитационное воздействие на световые потоки. В последние годы астрономы обнаружили несколько типов МАГО-объектов. Они могут состоять как из обычных барионных частиц, так и аксинов, нейтринов, вимпилов и суперсимметричной темной материи.

Исследование темной материи и темной энергии
Поскольку интерес к темной материи продолжает расти, появляются новые инструменты, помогающие в получении более обширных представлений об этом таинственном феномене. Так, космический телескоп Хаббл предоставил весьма ценную информацию о размере и массе видимой Вселенной. Эти данные стали первым и очень важным шагом на пути к изучению истинного количество темной материи во Вселенной.

Важно понимать, что устройство Вселенной не является случайным, и с помощью Хаббла можно детально представить ее структуру. Доподлинно известно, что галактики располагаются в кластерах, а эти кластеры — в суперкластерах. Сверхскопления космических тел находятся в губчатой структуре с обширными пустотами. Очевидно, формирование такой структуры обусловлено весьма конкретными причинами. Рентгеновские телескопы, которые имеются в обсерватории Чандра, помогают в изучении огромных облаков горячего газа в этих скоплениях. Ученые выяснили, что в этих областях должна присутствовать и темная материя, иначе газ будет утекать из кластера. Кроме того, в данный момент ведется разработка новых инструментов, которые, в конце концов, помогут разглядеть эту темную сторону Вселенной.

 

 

Подходы и методы исследования частиц темной материи


На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит  в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

 

Субстанция, обладающая антигравитацией


Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

 

 

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

 

 


 

 

[источники]

источники

http://elementy.ru/lib/25560/25561

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%91%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F

http://www.astronet.ru/db/msg/1210535/node6.html

http://spacegid.com/zagadochnaya-i-nevidimaya-temnaya-energiya-i-materiya.html

Источник: masterok.livejournal.com


Темная материя физикаТёмная материя
– «скелет» Вселенной и самая большая загадка современной физики. В нашей и других галактиках содержится большое количество темной материи, которую мы не можем наблюдать непосредственно, но, о существовании которой мы знаем благодаря её гравитационному воздействию на орбиты звёзд в галактиках.

Тёмная материя — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, это свойство делает невозможным её прямое наблюдение. Однако, возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам. Темная материя обладает весом и окружает галактики гигантским ореолом, который нам невидим.

Количество темной материи во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества. Вселенная состоит из: 74% темной энергии, 22 % — темной материи, 3,6% — межгалактического газа и 0,4% — звёзд.


Количество темной энергии в космосе превосходит энергию всех звёзд и галактик. Проанализировав данные со спутника WMAP, учёные пришли к выводу: три четверти Вселенной состоит из энергии чистого вакуума. Темная энергия создает антигравитационное поле, которое расталкивает галактики прочь друг от друга и заставляет их разлетаться с возрастающей скоростью.

В нашей галактике Млечный Путь темная материя весит в 10 раз больше, чем все звёзды вместе взятые. Несмотря на невидимость этой неизвестной материи, учёные, используя метод непрямого наблюдения, смогли её «увидеть»: темная материя искривляет звёздный свет подобно стеклу, поэтому её можно обнаружить по степени создаваемого оптического искажения.

Темная материя физикаТёмная материя и темная энергия родились почти сразу же после Большого взрыва13,7 млрд. лет назад. Это две разные субстанции с различными свойствами. Тёмная энергия равномерно разлита по Вселенной и отвечает за её расширение. Тёмная материя после Большого взрыва стала собираться в «комки», из которых «вылепились» галактики. Когда какая-то часть тёмной материи «утяжелилась» протонами и нейтронами, то есть стала обычной материей, из неё образовались звёзды, а внутри этих звёзд из первоначальных элементов Вселенной (водорода, гелия и дейтерия) были «выплавлены» и все металлы, образовавшие вещество планет.


Ученые полагают, что тёмная энергия может «растащить» нашу Вселенную до состояния абсолютной пустыни. Одна из гипотез предполагает, что расширяющая сила действия тёмной энергии со временем начнет превосходить по мощи все остальные силы во Вселенной. В результате могут быть разорваны все гравитационно связанные структуры, преодолены силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, затем произойдёт распад микрочастиц и мир будет полностью уничтожен.

Существует и другой, не менее апокалиптический прогноз. Если вдруг что-то побеспокоит тёмную энергию, вызовет лишь небольшое её колебание, то вполне вероятно, что, как и 13,7 млрд. лет назад, может последовать новый Большой взрыв с последующим созданием новой Вселенной.

Темная материя физикаНедавно ученые обнаружили, что вокруг нашей планеты образовалась неизвестная темная материя, которая каким-то образом воздействует на гравитационное поле Земли, меняя массу нашей планеты. Во время доклада на конференции Американского геофизического союза, которая проходила в Сан-Франциско в декабре 2013 года, ученый из Техасского университета в Арлингтоне Бен Харрис, описал метод измерения массы Земли при помощи спутников системы GPS, которые вращаются по известным орбитам вокруг планеты. Сделанные таким способом измерения расходятся с измерениями массы Земли методами, официально признанными Международным астрономическим союзом. После анализа данных, собранных в течение девяти месяцев спутниками навигационных систем GLONASS, GPS и Galileo, ученые рассчитали, что измеренная ими масса Земли превышает официальное значение на величину от 0,005 до 0,008 процента.

Что означает такое расхождение? Несоответствие результатов измерений может являться следствием влияния ореола или кольца темной материи, окружающей Землю. Расчеты Бена Харриса показывают: для того, чтобы вызвать такое отклонение измерений массы Земли, ореол невидимой темной материи должен иметь толщину в 190 км и ширину 70 тысяч км, располагаясь в плоскости экватора нашей планеты.

Гипотетическое присутствие скопления темной материи в окрестностях Земли может послужить объяснением изменения скорости движения некоторых космических аппаратов в определенных зонах космоса неподалеку от нашей планеты. Возможно, причиной аномальных изменений скорости полета космических аппаратов является гравитационное воздействие ореола невидимой темной материи?

 

Темная материя физика
Компьютерная модель распределения материи нитей во Вселенной. На вставке показана область космического пространства, размером в 10 световых лет, в центре которой находится квазар, видны части нитей, состоящие из обычной и темной материи.

Существует теория «космической паутины», которая опутывает Вселенную, соединяя все космические объекты невидимыми нитями, состоящими из таинственной темной материи. Астрономам из Калифорнийского университета в Санта-Круз, удалось получить первые снимки «космической паутины» — сети из материи, соединяющей все объекты во Вселенной, используя 10-метровый телескоп обсерватории на Гавайях. На представленном ими изображении видно голубую туманность, размерами 2 миллиона световых лет, которая окружает чрезвычайно яркий квазар UM287. Высокоэнергетическое излучение квазара заставляет светиться материю туманности в определенном диапазоне длин волн, что позволило ученым детально изучить структуру и определить некоторые свойства нитей «космической паутины».

Сделанные учеными снимки являются ключевым моментом в будущих поисках других экзотических космических объектов, известных под названием «темные галактики». Согласно имеющейся теории, «темные галактики» — это узлы «космической паутины», относительно небольшие области пространства, где материя нитей паутины имеет чрезвычайно высокую плотность.

Ученые убеждены, что дальнейшие поиски нитей «космической паутины», «темных галактик» и других экзотических космических объектов, имеющих отношение к «темной» стороне Вселенной рано или поздно дадут результаты, которые расширят область наших знаний о строении Вселенной и о происходящих в ней процессах.

Источник: zhitanska.com

«Вариант, при котором БАК найдет только бозон Хиггса и ничего больше, недаром назвали «кошмарным сценарием», — говорит профессор Франкфуртского университета Сабина Хоссенфельдер. — То, что признаков новой физики не обнаружилось, служит мне однозначным сигналом: что-то тут неправильно». Уловили этот сигнал и другие ученые. После опубликования отрицательных результатов поисков следов темной материи с помощью БАК и других инструментов интерес к альтернативным гипотезам о ее природе явно растет. И некоторые из этих решений выглядят даже экзотичнее бразильского карнавала.

Мириады дыр

Что, если вимпов не существует? Если темная материя — это вещество, которое мы не можем увидеть, но видим эффекты его гравитации, то, быть может, это просто черные дыры? Теоретически на самых ранних этапах эволюции Вселенной они могли образоваться в огромном количестве — не из погибших звезд-гигантов, а в результате коллапса сверхплотной и горячей материи, заполнявшей раскаленный космос. Одна беда: до сих пор не удалось найти ни одной первичной черной дыры, и достоверно неизвестно, существовали ли они когда-нибудь вообще. Впрочем, во Вселенной достаточно и других черных дыр, подходящих на эту роль.

Зонд Voyager 1 Зонд Voyager 1 Наблюдения дальнего космического зонда Voyager 1 не обнаружили никаких следов хокинговского излучения, которое могло бы свидетельствовать о появлении первичных черных дыр микроскопического размера. Впрочем, это еще не исключает существования более крупных подобных объектов.

Начиная с 2015 года интерферометр LIGO зарегистрировал уже 11 гравитационных волн, и 10 из них были вызваны слияниями пар черных дыр массами в десятки масс Солнца. Само по себе это крайне неожиданно, ведь подобные объекты образуются в результате взрывов сверхновых, и погибшая звезда теряет при этом большую часть своей массы. Получается, что предшественниками слившихся дыр были звезды действительно циклопических размеров, какие уже давно не должны рождаться во Вселенной. Другую проблему создает образование ими двойных систем. Взрыв сверхновой — событие настолько мощное, что любой близкий объект будет выброшен далеко прочь. Иными словами, LIGO зарегистрировал гравитационные волны от объектов, появление которых остается загадкой.

В конце 2018 года к таким объектам обратились астрофизик Гринвичского научно-технологического института Николай Горькавый и нобелевский лауреат Джон Мазер. Их расчеты показали, что черные дыры массами в десятки масс Солнца вполне могли бы сложить галактическое гало, которое останется практически невидимым для наблюдений и при этом создаст все характерные аномалии в строении и движении галактик. Казалось бы, откуда на далекой периферии галактики взяться нужному количеству таких больших черных дыр? Ведь подавляющее большинство массивных звезд рождается и гибнет ближе к центру. Ответ Горькавый и Мазер дают почти невероятный: эти черные дыры не «взялись», они в определенном смысле существовали всегда, с самого начала Вселенной. Это остатки предыдущего цикла в бесконечной череде расширений и сжатий мира.

Скорости движения звезд в центре и на периферии галактики Скорости движения звезд в центре и на периферии галактики
Сплошной линией показана реальная орбитальная скорость звезд и газа, вращающихся вокруг центра галактики; пунктирной — ожидаемая при отсутствии влияния темной материи.

Реликты перерождений

Вообще, Большой отскок — модель в космологии не новая, хотя и недоказанная, существующая наравне со множеством других гипотез эволюции космоса. Возможно, что в жизни мироздания периоды расширения действительно сменяются сжатием, «Большим схлопыванием» — и новым отскоком-взрывом, рождением мира следующего поколения. Однако в новой модели этими циклами дирижируют черные дыры, выступая в роли и темной материи, и темной энергии — таинственной субстанции или силы, вызывающей ускоренное расширение нашей Вселенной.

Предполагается, что, поглощая вещество и сливаясь друг с другом, черные дыры могут накапливать все большую часть от общей массы Вселенной. Это должно приводить к замедлению ее расширения и затем к сжатию. С другой стороны, при слиянии черных дыр значительная часть их массы теряется с энергией гравитационных волн. Поэтому образующаяся в результате дыра будет легче суммы своих бывших слагаемых (например, первая зарегистрированная LIGO гравитационная волна родилась при слиянии черных дыр массами 36 и 29 солнечных с образованием дыры массой «всего лишь» 62 солнечных). Так может терять массу и Вселенная, сжимаясь и заполняясь все более крупными черными дырами, включая одну самую большую — центральную.

Масса черных дыр и нейтронных звезд LIGO Масса черных дыр и нейтронных звезд LIGO

Наконец, после долгой череды слияний черных дыр, когда значительная часть массы Вселенной «утечет» в виде гравитационных волн, она начнет разлетаться во все стороны. Со стороны это будет похоже на взрыв — Большой взрыв. В отличие от классической картины Большого отскока, полного уничтожения предыдущего мира в такой модели не происходит, а новая Вселенная напрямую наследует некоторые объекты у материнской. Прежде всего это все те же черные дыры, готовые снова сыграть в ней обе главные роли — и темной материи, и темной энергии.

Темная материя физика Николай Горькавый, доктор физико-математических наук, лауреат Государственной премии СССР, директор Гринвичского научно-технологического института (GIST): «Вселенная полна черных дыр, при слиянии сбрасывающих массу в гравитационные волны. Их множественные слияния и быстрое уменьшение массы в момент сжатия Вселенной легко объясняют сильную «антигравитацию» Большого взрыва. А долговременный рост с поглощением гравитационных волн и их обратным превращением в массу объясняет относительно слабую «гипергравитацию» и ускоренное расширение современной Вселенной. Такая модель базируется только на общей теории относительности, свободна от введения любых «темных сущностей» и предсказывает весь спектр черных дыр, от звездных масс до сверхмассивных. Проверить ее помогут новые наблюдения LIGO».

Великая праматерь

Итак, в этой необычной картине темной материей оказываются крупные черные дыры, передающиеся по наследству от Вселенной к Вселенной. Но нельзя забывать и о «центральной» черной дыре, которая должна формироваться в каждом таком мире накануне его гибели и сохраняться в следующем. Расчеты астрофизиков показали, что ее масса в нашем сегодняшнем космосе может достигать невероятных 6 х 1051 кг, 1/20 от массы всей барионной материи, — и непрерывно увеличиваться. Ее рост может приводить ко все более быстрому растяжению пространства-времени и проявляться как ускоряющееся расширение Вселенной.

Конечно, присутствие такой циклопической массы должно приводить к появлению заметных неоднородностей в крупномасштабной структуре Вселенной. Кандидат на такую неоднородность уже имеется — астрономическая Ось зла. Это сравнительно слабые, но весьма тревожные признаки анизотропии Вселенной — структурированности, которая проявляется в ней на самых больших масштабах и никак не согласуется с классическими взглядами на Большой взрыв и все, происходившее после него.

Источник: www.PopMech.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.