Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie. 5. Ciemna materia

Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie

Walery Anatoliewicz Rubakow,
Instytut Badań Jądrowych, RAS, Moskwa, Rosja

Prezentacja wykładu (pdf, 2 Mb)

Pobierz film (avi): część 1 (180 MB), część 2 (210 MB), część 3 (250 MB)

  • 1. Wprowadzenie
  • 2. Rozszerzający się wszechświat
  • 3. Wszechświat w przeszłości
  • 4. Bilans energii we współczesnym wszechświecie
  • 5. Ciemna materia
  • 6. Ciemna energia
  • 7. Wniosek

5. Ciemna materia

Ciemna materia jest podobna do zwykłej materii w tym sensie, że jest zdolna do gromadzenia się w skrzepy (o wielkości, powiedzmy, galaktyki lub gromady galaktyk) i uczestniczy w interakcjach grawitacyjnych w taki sam sposób, jak zwykła materia. Najprawdopodobniej składa się z nowych cząstek, które nie są otwarte w warunkach ziemskich.

Ryc. 6 Obiektywy grawitacyjne

Oprócz danych kosmologicznych pomiary pola grawitacyjnego w gromadach galaktyk i galaktykach sprzyjają istnieniu ciemnej materii. Istnieje kilka sposobów pomiaru pola grawitacyjnego w gromadach galaktyk, z których jednym jest soczewkowanie grawitacyjne, zilustrowane w ryż 6.

Pole grawitacyjne klastra ugina promienie światła emitowane przez galaktykę za skupiskiem, tj. Pole grawitacyjne działa jak soczewka.Czasami jednak istnieje kilka obrazów tej odległej galaktyki; na lewej połowie rys. 6 są niebieskie. Krzywizna światła zależy od rozkładu masy w gromadzie, niezależnie od tego, które cząstki tworzą tę masę. Tak uzyskany rozkład masy pokazano na prawej połowie ryc. 6 niebieski; widać, że bardzo różni się on od rozkładu świecącej substancji. Mierzone w podobny sposób masy skupisk galaktyk są zgodne z faktem, że ciemna materia inwestuje około 25% całkowitej gęstości energii we Wszechświecie. Przypomnij sobie, że tę samą liczbę otrzymano przez porównanie teorii tworzenia struktur (galaktyk, klastrów) z obserwacjami.

Ryc. 7

Ciemna materia istnieje w galaktykach. To znowu wynika z pomiarów pola grawitacyjnego, teraz w galaktykach i ich otoczeniu. Im silniejsze jest pole grawitacyjne, tym szybciej gwiazdy i chmury gazu krążą wokół galaktyki, więc mierzenie prędkości obrotowych w zależności od odległości do centrum galaktyki pozwala nam przywrócić w niej rozkład masy. Zilustrowano to w ryż 7: przy odległości od centrum galaktyki prędkość cyrkulacji nie zmniejsza się,co sugeruje, że w galaktyce, w tym daleko od jej świetlistej części, jest ciemna materia nieoświetlona. W naszej Galaktyce w pobliżu Słońca masa ciemnej materii jest w przybliżeniu równa masie zwykłej materii.

Jakie są cząstki ciemnej materii? Oczywiste jest, że cząstki te nie powinny rozpadać się na inne, lżejsze cząstki, inaczej rozpadłyby się podczas życia Wszechświata. Sam ten fakt sugeruje, że w naturze działa nowyjeszcze nie otwarte prawo ochronyuniemożliwienie rozpadu tych cząstek. Analogia jest tu z prawem zachowania ładunku elektrycznego: elektron jest najlżejszą cząsteczką z ładunkiem elektrycznym, i dlatego nie rozpada się na lżejsze cząstki (na przykład neutrina i fotony). Co więcej, cząsteczki ciemnej materii oddziałują niezwykle słabo z naszą substancją, w przeciwnym razie zostałyby już odkryte w ziemskich eksperymentach. Wtedy zaczyna się pole hipotez. Najbardziej prawdopodobne (ale dalekie od jedynego!) Jest hipoteza, że ​​cząstki ciemnej materii są 100-1000 razy cięższe niż proton, i że ich interakcja ze zwykłą materią jest porównywalna intensywnością do oddziaływań neutrin.W ramach tej hipotezy współczesna gęstość ciemnej materii znajduje proste wyjaśnienie: cząstki ciemnej materii intensywnie rodziły się i unicestwiały we wczesnym Wszechświecie w bardzo wysokich temperaturach (około 1015 stopni), a część z nich dożyła do dnia dzisiejszego. Przy określonych parametrach tych cząstek ich nowoczesna ilość we Wszechświecie jest uzyskiwana dokładnie tak, jak powinna.

Czy możemy oczekiwać odkrycia cząstek ciemnej materii w niedalekiej przyszłości w warunkach ziemskich? Ponieważ dzisiaj nie znamy natury tych cząstek, nie sposób jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie. Perspektywa wydaje się jednak bardzo optymistyczna.

Istnieje kilka sposobów wyszukiwania cząstek ciemnej materii. Jeden z nich jest związany z eksperymentami na przyszłych akceleratorach wysokoenergetycznych – zderzaczach. Jeśli cząstki ciemnej materii są naprawdę cięższe niż proton 100-1000 razy, to narodzą się w zderzeniach zwykłych cząstek przyspieszonych w zderzaczach do wysokich energii (energie osiągane przy istniejących zderzaczach nie wystarczają do tego). Bezpośrednie perspektywy są tutaj związane z Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) w budowie w CERN International Centre pod Genewą, gdzie zostaną odebrane przeciwpropagujące wiązki 7×7 Teraelectronvolts.Trzeba powiedzieć, że zgodnie z dzisiejszymi popularnymi hipotezami, cząstki ciemnej materii są tylko jednym przedstawicielem nowej rodziny cząstek elementarnych, więc wraz z odkryciem cząstek ciemnej materii można mieć nadzieję na odkrycie nowych cząstek i nowych interakcji na akceleratorach. Kosmologia sugeruje, że świat cząstek elementarnych jest daleki od wyczerpania przez "cegły" znane dziś!

Innym sposobem jest zarejestrowanie cząstek ciemnej materii, które latają wokół nas. Są one dalekie od małych: o masie równej 1000 mas protonowych, te cząstki tu i teraz powinny wynosić 1000 sztuk na metr sześcienny. Problem polega na tym, że bardzo słabo oddziałują ze zwykłymi cząsteczkami, substancja jest dla nich przezroczysta. Jednak cząsteczki ciemnej materii zdarzają się sporadycznie z jądrami atomowymi i można się spodziewać, że te zderzenia się zarejestrują. Wyszukiwanie w tym kierunku odbywa się za pomocą wielu bardzo czułych detektorów umieszczonych głęboko pod ziemią, gdzie tło z promieni kosmicznych jest znacznie zmniejszone.

Ryc. 8

W końcu jeszcze jeden sposób wiąże się z rejestracją produktów zagłady cząstek ciemnej materii między sobą.Cząstki te powinny gromadzić się w centrum Ziemi i pośrodku Słońca (substancja jest prawie przezroczysta i może spaść na Ziemię lub Słońce). Tam ulegają anihilacji, a jednocześnie tworzą się inne cząsteczki, w tym neutrina. Neutrole te swobodnie przechodzą przez grubość Ziemi lub Słońca i mogą być rejestrowane za pomocą specjalnych instalacji – teleskopów neutrinowych. Jeden z tych teleskopów neutrinowych znajduje się głęboko w jeziorze Bajkał (NT-200, ryż 8), kolejny (AMANDA) – głęboko w lodzie na biegunie południowym.

Ryc. 9

Jak pokazano w ryż 9neutrino, pochodzące np. ze środka Słońca, może z niewielkim prawdopodobieństwem doświadczyć interakcji w wodzie, w wyniku czego powstaje naładowana cząstka (mion), z której światło jest rejestrowane. Ponieważ oddziaływanie neutrin z materią jest bardzo słabe, prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest niewielkie i wymagane są bardzo duże detektory. Teraz na biegunie południowym rozpoczęła się budowa detektora o 1 sześciennych kilometrach.

Istnieją inne podejścia do poszukiwania cząstek ciemnej materii, na przykład poszukiwania produktów ich zagłady w centralnym regionie naszej Galaktyki.Który z tych sposobów doprowadzi do sukcesu w pierwszej kolejności, czas pokaże, ale w każdym razie odkrycie tych nowych cząstek i badanie ich właściwości będzie najważniejszym osiągnięciem naukowym. Te cząstki powiedzą nam o właściwościach wszechświata w 10-9 z (jedna bilionowa sekundy!) po Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura Wszechświata wynosiła 1015 stopni, a cząstki ciemnej materii intensywnie wchodzą w interakcję z plazmą kosmiczną.


Like this post? Please share to your friends:
Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie ">

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: