Темное вещество вселенной


Солнечная система может быть намного более волосистой, чем мы думали. На иллюстрации показана Земля, окруженная теоретическими нитями темной материи, называемыми «волосами».

Темная материя – это невидимое, загадочное вещество, которое составляет около 27 процентов всей материи и энергии во Вселенной. Обычная материя, из которой состоит все, что мы видим вокруг себя, составляет всего 5 процентов Вселенной. Остальное – темная энергия, странное явление, связанное с ускорением нашей расширяющейся Вселенной.

Данные о волосистой темной материи основаны на исследовании Гэри Презо из Лаборатории реактивного движения НАСА.

Ни темная материя, ни темная энергия никогда не были обнаружены напрямую, хотя многие эксперименты пытаются раскрыть тайны темной материи, будь то из глубоких подземелий или в космосе.

Основываясь на многочисленных наблюдениях за его гравитационным притяжением в действии, ученые уверены, что темная материя существует, и измерили ее количество во Вселенной с точностью около одного процента. Ведущая теория гласит, что темная материя «холодная», то есть она мало перемещается, и она «темная», поскольку не производит свет и не взаимодействует со светом.


Галактики, которые содержат звезды, состоящие из обычной материи, образуются из-за колебаний плотности темной материи. Гравитация действует как клей, который скрепляет в галактиках обычную и темную материю.

Согласно расчетам, сделанным в 1990-х годах, и моделированию, выполненному в последнее десятилетие, темная материя образует «мелкозернистые потоки» частиц, которые движутся с той же скоростью и вращаются по орбите галактик, таких как наша.

«Поток может быть намного больше, чем сама Солнечная система, и есть много разных потоков, пересекающих наши галактические окрестности», – сказал Презо.

Презо сравнивает образование мелкозернистых потоков темного вещества со смешиванием шоколада и ванильного мороженого. Поверните ложку каждого вместе несколько раз, и вы получите смешанный узор, но вы все равно сможете увидеть отдельные цвета.

«Когда гравитация взаимодействует с холодным газом темной материи во время формирования галактики, все частицы в потоке продолжают двигаться с той же скоростью», – сказал Презо.

Но что происходит, когда один из этих потоков приближается к такой планете, как Земля? Чтобы выяснить это, Презо использовал компьютерное моделирование.

Его анализ показывает, что когда поток темной материи проходит через планету, частицы потока фокусируются в сверхплотной нити или «волосе» темной материи. На самом деле, таких волос должно быть много, вырастающих из Земли.


Поток обычной материи не пройдет через Землю и не выйдет с другой стороны. Но с точки зрения темной материи Земля не помеха. Согласно моделированию Презо, гравитация Земли могла бы сфокусировать и изогнуть поток частиц темной материи в узкие густые волосы.

Волосы, появляющиеся с планет, имеют как «корни», самую плотную концентрацию частиц темной материи в волосах, так и «кончики», где волосы заканчиваются. Когда частицы потока темной материи проходят через ядро ​​Земли, они фокусируются в «корне» волоса, где плотность частиц примерно в миллиард раз больше средней. Корень такого волоса должен находиться на расстоянии около1 миллиона километров от поверхности, или вдвое дальше Луны. Частицы потока, которые касаются поверхности Земли, образуют кончик волос, примерно в два раза дальше от Земли, чем корень волоса.

«Если бы мы могли точно определить местонахождение корня этих волосков, мы потенциально могли бы послать туда зонд и получить массу данных о темной материи», – считает Презо.

Поток, проходящий через ядро ​​Юпитера, приведет к еще более плотным корням: согласно моделированиям Презо, он почти в 1 триллион раз плотнее исходного потока.

«Темная материя ускользала от всех попыток прямого обнаружения более 30 лет. Корни волос темной материи были бы привлекательным местом для изучения, учитывая, насколько они плотны», – отметил Чарльз Лоуренс, главный научный сотрудник в управлении астрономии, физики и технологий в JPL.


Еще одно интересное открытие этого компьютерного моделирования состоит в том, что изменения плотности внутри нашей планеты – от внутреннего ядра к внешнему, от мантии до коры – будут отражаться в волосах. Волосы будут иметь «изгибы», соответствующие переходам между различными слоями Земли.

Теоретически, если бы можно было получить эту информацию, ученые могли бы использовать волоски холодной темной материи, чтобы нанести на карту слои любого планетарного тела и даже сделать выводы о глубинах океанов на ледяных лунах.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить эти открытия и раскрыть тайны природы темной материи.Пруф не очень

Я всегда знал что всё накроется волосистой материей но не думал что уже alik.gif

Источник: www.yaplakal.com

Состав Вселенной

Согласно космологическим теор&#.


85;ой материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.


#1076;ословный, но не смысловой перевод с английского.

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их l.
1077;й.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Сгустки размером с галактику


Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу.
1053;апример, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

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 разработанно .
ских 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

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

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.

Источник: SpaceGid.com

Что такое темная материя?

В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки заметил, что галактики в отдаленном скоплении вращаются друг вокруг друга гораздо быстрее, чем им следовало бы. Ученый предположил, что невидимая субстанция, которую он назвал темной материей, может гравитационно притягивать эти галактики и каким-то образом склеивает их, не давая разбежаться в разные стороны Вселенной.

Прошло почти 90 лет, но исследователи так и не смогли подобраться к разгадке природы темной материи. Единственное, что мы знаем наверняка — это то, что этот таинственный материал можно найти во всем космосе и что он гораздо более распространен во Вселенной, чем видимая нами материя. Что ж, пожалуй, невозможность понять состав таинственного вещества можно считать первой странностью уникальной субстанции.

Можно ли обнаружить темную материю?

Если темная материя не способна взаимодействовать с обычной материей, то можем ли мы хоть как-то ее засечь? Наверное, именно таким вопросом задавались ученые, проводившие эксперимент за экспериментом в надежде отыскать ту самую заветную частицу темной материи. Несмотря на долгие годы поисков, следов темной материи на Земле так и не нашли.

Вам будет интересно: А что, если темная материя это не частицы?

Из школьного курса физики вы, скорее всего, знаете, что обычная материя состоит из таких частиц, как протоны и электроны, а также целого зоопарка более экзотических частиц, таких как нейтрино, мюоны и пионы. Пытаясь найти темную материю, исследователи задались вопросом о том, может ли эта таинственная субстанция быть настолько же сложной, как и обычная материя.

По словам исследователя из Гарвардского университета Андрея Каца, нет никаких оснований предполагать, что вся темная материя во Вселенной построена из одного типа частиц. Так, темные протоны могут объединяться с темными электронами, образуя темные атомы, создавая конфигурации столь же разнообразные и интересные, как и те, которые находятся в видимом мире.

Наряду с дополнительными частицами темной материи существует возможность того, что она испытывает силы, аналогичные тем, которые испытывает обычная материя. Некоторые исследователи искали «темные фотоны», которые были бы похожи на фотоны, появляющиеся между нормальными частицами. Если однажды они будут обнаружены, то подобное открытие ознаменует собой новый этап изучения свойств Вселенной.

Источник: Hi-News.ru

Мы не понимаем более 95% нашей Вселенной.

Вся материя, которую мы можем видеть и понимать, включая звезды, планеты и атомы, составляют менее 5% Вселенной. Более 95% нашей Вселенной состоит из тёмной энергии (70%) и тёмной материи(25%), ни одну из которых мы не понимаем, и обе невидимы. Тем не менее, несмотря на их таинственную природу, у нас есть доказательства их существования и важности. Что мы знаем об этих тёмных, захватывающих аспектах нашей Вселенной?

Тёмная материя

Сама по себе барионная материя, т.е. обычная материя, вещество, состоящее из барионов (нейтронов, протонов и электронов), не обладает достаточной гравитацией, чтобы объяснить структуру нашей Вселенной. Наша галактика Млечный Путь вращается так быстро, что её звезды должны были бы разбросаны повсюду, так как всё, что мы можем видеть вокруг нас, имеет только 10% гравитации, необходимой для удержания звёзд на своих орбитах. Галактики и сверхскопления становятся возможными благодаря дополнительной гравитации тёмной материи — материи, которая не испускает и не отражает свет. Концентрации тёмной материи, однако, искривляют свет, проходящий поблизости. Мы также знаем, что она медленная и тяжелая, так как она должна быть холодной либо медленной, чтобы гравитационно объединить галактики и кластеры.

Наш вращающийся Млечный Путь должен был бы разлететься без гравитации темной материи.

Существует несколько объяснений того, что может быть причиной этого явления.

Тёмная материя может состоять из частиц. Наша барионная материя состоит из частиц (протоны, нейтроны, электроны), которые мы уже обнаружили, но частицы тёмной материи трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют со светом. Такими частицами могут быть странные и экзотические новые частицы, которые никоим образом не взаимодействуют со светом и материей или частицы с какими-то новыми свойствами, что это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики. В теории струн уже есть некоторые частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю — вимпы, аксионыили нейтралино, но нам нужно сначала обнаружить их, чтобы подтвердить эту теорию.

Другое решение говорит о том, что мы не пропускаем барионную материю, необходимую для обеспечения гравитации для структуры Вселенной, но вместо этого гравитация действует по-разному на более массивные объекты, такие как галактики и сверхскопления. Но это решение включало бы признание того, что Общая теория относительности Эйнштейна ошибочна, хотя эта теория прошла многочисленные проверки с момента её появления. Это также означает, что мы имеем недостаточное или неправильное понимание физики элементарных частиц.

Одно из наиболее креативных, но всё же возможных объяснений тёмной материи говорит о том, что мы находимся на одном уровне существования, но что есть и другой уровень, который находится всего в нескольких дюймах от нас. Поскольку свет путешествует под этой вселенной, некоторые объекты внутри неё будут невидимы. Однако, поскольку гравитация — это не что иное, как искривление пространства, если пространство между двумя плоскостями даже немного согнуто, гравитационные силы могут перемещаться поперек. Внезапно мы получаем точное описание тёмной материи — невидимой массы, имеющей гравитацию. Это своеобразное явление не может быть ничем иным, как обычной материей, но из другого измерения.

Мы также знаем то, чем не является тёмная материя. Это не антиматерия, так как антиматерия производит уникальные гамма-лучи, как только она вступает в контакт с нормальным веществом. Это также не скопления обычной материи, так как тогда она будет излучать частицы, которые мы могли бы обнаружить, и, наконец, это не чёрная дыра, так как чёрные дыры компактны, а тёмная материя, похоже, рассеяна повсюду во Вселенной.

Тёмная энергия

Если тёмная материя кажется странной, то всё становится еще более запутанным, когда мы добираемся до тёмной энергии.

Эйнштейн предсказал расширение Вселенной (скорость, которую мы теперь называем постоянной Хаббла и которая присутствовала в уравнениях общей теории относительности), но современные измерения показывают более высокую скорость, чем предсказал Эйнштейн. До того, как были сделаны эти измерения, считалось, что расширение Вселенной замедлится, и она в конечном итоге схлопнется снова в себя, но теперь наиболее вероятным результатом является то, что наша Вселенная будет продолжать расширяться всегда, что в конечном итоге приведет к так называемой тепловой смерти.

Это непрерывное ускорение Вселенной происходит благодаря тёмной энергии — отталкивающей силе, которая действует противоположным образом, чем тёмная материя, заставляя Вселенную расширяться, а не объединяться в организованные структуры. Это свойство, которое, по-видимому, является частью пустого пространства, а эта энергия более сильная и более концентрированная, чем всё остальное во Вселенной. Если это свойство пустого пространства, это означает, что пустое пространство — это не ничто, а что-то.

Нет никакого способа обнаружить или измерить тёмную энергию, но мы можем принять к сведению последствия её действия.

Как уже говорилось ранее, наиболее вероятным концом Вселенной является Тепловая смерть — расширение, приводящее к превращению вещества в излучение и остановке всех процессов во Вселенной спустя огромное количество времени. Эта Тепловая смерть является результатом продолжающегося расширения, вызванного тёмной энергией и отсутствием материи, необходимой для противодействия этому расширению. Но такая недостаточно плотная вселенная должна иметь очень странную форму. Вместо этого наша Вселенная почти совершенно плоская, что может быть возможно только благодаря притоку новой энергии во всем пространстве.

Возможные формы для Вселенной.

Согласно Общей теории относительности, энергия или масса искривляют пространство-время. Используем наглядный пример, чтобы лучше понять, как работает тёмная энергия.

Внутри резервуара под давлением быстро движущиеся частицы давят на его стенки. Это, однако, не механизм тёмной энергии, поскольку он имеет место только в том случае, если существует разность давлений между двумя областями. В примере с резервуаром снаружи есть меньшее давление, чем внутри, но у Вселенной нет этой проблемы — давление почти везде одинаково.

Тёмная энергия, как было показано, имеет отрицательное давление, давление, которое тянет внутрь. Но это вызывает удивительное противоречие, учитывая влияние тёмной энергии, вызывающее расширение Вселенной! Это происходит потому, что отрицательное давление не оказывает прямого влияния на гладкую вселенную, но оно вызывает релятивистское расширение, приводящее к антигравитации, доказанной математическими уравнениями.

Так откуда же берётся вся эта энергия? Мы не знаем. Может, ниоткуда. Закон сохранения энергии не применяется ко Вселенной, которая постоянно расширяется, так как общая теория относительности утверждает, что энергия может быть навсегда потеряна и получена из ничего.

Другие теории предполагают, что тёмная энергия — это неизвестная энергетическая жидкость или поле, которое каким-то образом оказывает противоположный эффект, чем нормальная энергия и материя. Возможно, это спонтанные частицы, которые приходят из ничего и возвращаются в ничто.

Мы не знаем, но мы продолжаем изучать таинственную тёмную материю и тёмную энергию, потому что они являются ключом к пониманию нашей Вселенной и ее будущего.

Источник: zen.yandex.com

Что входит в тёмную материю (теории)

  • Барионная тёмная материя. Вполне логично допущение, что эта материя обычная, но плохо взаимодействующая электромагнитным образом. Поэтому обнаружить её не удаётся. Состав этого вещества может быть таким: звёзды-карлики, тёмные гало, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Возможно присутствие звёзд кварковых и преонных, но они имеют статус объектов гипотетических. Такой вариант объяснения тёмной материи следует из космологии Большого взрыва. Исходя из этого, получается, что концентрация лёгких элементов должна быть резко отличной от наблюдаемой.
  • Небарионная тёмная материя. Предполагаемых объектов такого вещества достаточно. Но, конечно, всё это – теоретические модели.
  • Лёгкие нейтрино. Эти частицы реально существуют, и этот факт доказан. Считается, что их число во Вселенной аналогично числу фотонов. Хотя они и обладают очень малой массой, но общее число вполне может влиять на динамику пространства. Их масса в диапазоне 10-2 – 10-3 эВ. После производства некоторых экспериментов выяснилось, что лёгкие нейтрино не могут быть доминирующей частью тёмной материи.
  • Тяжёлые нейтрино. Эти нейтрино названы стерильными за неспособность слабого взаимодействия. Изученные свойства этих частиц таковы, что они вполне способны составить значительную часть тёмной материи. Параметры их масс — 10-1 – 10-4 эВ.
  • Аксионы. Такой тип частиц относится к гипотетическим нейтральным. Они введены в квантовую хромодинамику для решения некоторых проблем. Возможно, что они составляют существенную часть тёмной материи, несмотря на небольшую массу — 10-5эВ.
  • Суперсимметричные частицы. Теоретически существует одна такая частица — LSP. Она стабильная, и не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях . Ею может быть гравитино, фотино, хиггсино и некоторые другие.
  • Космионы. Такие частицы ввели в физику, чтобы разрешить проблемы солнечных нейтрино. Но, после разрешения некоторых теорий, эти частицы, вероятно, исключат из числа претендентов, составляющих тёмную материю.
  • Дефекты пространства-времени. В вакуумном поле Вселенной могли происходить энергетические скачки. Результатом этого могла стать различная выстроенность скалярного поля. При взаимодействии областей, имеющих различную ориентацию, образовывались дефекты разных конфигураций. Объекты, полученные при этом, наделены большой массой. Они вполне могли бы стать доминирующей составляющей тёмной материи. Но пока такие частицы не обнаружены.

Классификация

Начальные стадии развития Вселенной характерны термодинамическим равновесием между частицами тёмной материи и космической плазмы. В какой-то момент началось снижение температуры, из-за чего изменились параметры пролёта частиц в плазме. Все взаимодействия с барионными частицами прекратились. Исходя из значений температуры, при которых это случилось, тёмная материя разделяется на три типа:

  1. Горячая. Такой параметр тёмной материи получился из-за многократного превышения энергии частиц над их массой, случившегося в точке выхода из равновесия.
  2. Холодная. Это частицы, вылетевшие из плазмы в нерелятивистском состоянии, то есть, не имеющие околосветовых скоростей. На роль таких частиц претендует класс вимпов – это массивные, но слабо взаимодействующие частицы. Они тоже пока существуют только в умах учёных. Они имеют приличную массу – больше десятков ГэВ – и остаточную концентрацию, которая способна сбалансировать энергии современной Вселенной. Сила их взаимодействия с барионным веществом позволяет надеяться на обнаружение их в прямом виде. Из теоретических разработок следует, что тёмная материя в любой галактике должна особенно концентрироваться в её центре. Но астрономические наблюдения  опровергают это, показывая, что она собирается в гало вокруг галактик и наполняет межгалактические пустоты.
  3. Тёплая. Такой тип материи составляют частицы, имеющие массу, не меньше 1 эВ. На выходе из равновесного состояния такие частицы были релятивистские. Они могли образоваться во время  перехода из одной стадии расширения Вселенной в другую. Возможными кандидатами на роль такого типа материи стали нейтрино и LSP-гравитино.

Изучение тёмной материи

Пока известно о трёх методах, позволяющих производить прямые астрономические наблюдения.

  1. Динамический. Изучаются радиальные скорости галактик в их скоплениях при помощи современных приборов.
  2. Газодинамический. Исследуется рентгеновское излучение горячих газов скоплений.
  3. Расчёт слабого гравитационного линзирования. Для этого метода необходимы точные изображения очень удалённых крупнейших скоплений галактик.

Фактическое обнаружение частиц

Все частицы тёмной материи не имеют электрического заряда. Это является главной трудностью в их поиске, существующем в двух вариантах.

  1. Прямой. Используя наземную аппаратуру, проводятся изучения следствий, вытекающих из взаимодействия тёмных частиц с электронами и ядрами атомов.
  2. Косвенный. Отыскиваются возможные потоки вторичных частиц, возникших в результате различных действий, например аннигиляции материи.

Всё усложняющиеся наблюдения учёных за нашим миром, позволяют сделать вывод, что большая часть его нам неведома. 95% всего наполнения Вселенной – интересная загадка, которую ещё предстоит решить.

Источник: light-science.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.