Що таке матерія чорна? Теорія темної матерії
Що було першим: яйце чи курка? Над цим простим питанням вчені всього світу б`ються не один десяток років. Аналогічне питання виникає про те, що було на самому початку, в момент створення Всесвіту. А чи була вона, це створення, або Всесвіти циклічні або нескінченні? Що таке темна матерія в космосі і чим вона відрізняється від білої? Відкидаючи в сторону різного роду релігії, спробуємо підійти до відповідей на ці питання з наукової точки зору. За минулі кілька років вченим вдалося зробити неймовірне. Напевно, вперше в історії викладки фізиків-теоретиків зійшлися з викладками фізиків-експериментаторів. Науковому співтовариству за ці роки було представлено кілька різних теорій. Більш-менш точно, емпіричними шляхами, часом квазінаукове, проте теоретичні розрахункові дані були-таки підтверджені експериментами, деякі навіть з затримкою на не один десяток років (бозон Хіггса, наприклад).
Содержание
Темна матерія - чорна енергія
Таких теорій багато, наприклад: теорія струн, теорія Великого вибуху (Big Bang), теорія циклічних всесвітів, теорія паралельних всесвітів, Модифікована Ньютоновская динаміка (MOND), теорія стаціонарного Всесвіту Ф. Хойл і інші. Однак в даний час загальноприйнятою вважається теорія постійно розширюється і еволюціонує Всесвіту, тези якої цілком укладаються в рамках концепції Великого вибуху. При цьому квазіемпіріческі (т. Е. Дослідним шляхом, але з великими допусками і грунтуючись на існуючих сучасних теоріях будови мікросвіту) були отримані дані про те, що всі відомі нам мікрочастинки складають лише 4,02% від загального обсягу всього складу Всесвіту. Це так званий "баріонів коктейль", Або баріонів матерія. Однак основна частина нашого Всесвіту (більше 95%) - це речовини іншого плану, іншого складу і властивостей. Це так звана темна матерія і темна енергія. Вони поводяться інакше: по-іншому реагують на різного роду реакції, не фіксуються існуючими технічними засобами, проявляють не вивчені раніше властивості. З цього можна зробити висновок, що або ці речовини підпорядковуються іншим законам фізики (Неньютонова фізика, словесний аналог неевклідової геометрії), або наш рівень розвитку науки і техніки знаходиться лише на початковому етапі її становлення.
Що таке баріони?
Відповідно до існуючої в даний час кварк-глюонної моделі сильних взаємодій, елементарних частинок всього шістнадцять (і недавнє відкриття бозона Хіггса це підтверджує): шість типів (флейворов) кварків, вісім глюонів і два бозона. Ядерна фізика - це важкі елементарні частинки з сильним взаємодією. Найвідоміші з них - це кварки, протон і нейтрон. Сімейства таких речовин, що розрізняються по спину, масам, їх "кольором", А також числах "зачарованості", "старанність", Як раз і є цеглинками того, що ми називаємо баріонів матерія. Чорна (темна) матерія, складова 21,8% від загального складу Всесвіту, складається з інших частинок, які не випускають електромагнітного випромінювання і ніяк з ним не реагують. Тому для прямого спостереження як мінімум, а вже тим більше для реєстрації таких речовин необхідно для початку зрозуміти їх фізику і узгодити закони, яким вони підкоряються. Багато сучасних учених в даний час займаються цією справою в науково-дослідних інститутах різних країн.
Найімовірніший варіант
Які ж речовини розглядаються в якості можливих? Для початку слід зазначити, що існує всього два можливих варіанти. Згідно ОТО і СТО (Загальною і Спеціальної теорії відносності), за складом цією речовиною може бути як баріонів, так і небаріонної темна матерія (чорна). Згідно з основною теорії Великого вибуху, будь-яка існуюча матерія представлена у вигляді баріонів. Цю тезу доведено з гранично високою точністю. В даний час вчені навчилися фіксувати частки, що утворилися через хвилину після розриву сингулярності, тобто після вибуху надщільного стану речовини, з масою тіла, що прагне до нескінченності, і розмірами тіла, які прагнуть до нуля. Сценарій з баріонів частинками найбільш імовірний, тому що саме з них складається і за допомогою них продовжує своє розширення наш Всесвіт. Чорна матерія, згідно з цим припущенням, складається з основних, загальноприйнятих ньютонівської фізикою частинок, але з якихось причин слабовзаємодіючих електромагнітним чином. Саме тому детектори їх не фіксують.
Чи не все так гладко
Такий сценарій влаштовує багатьох вчених, однак все ж таки залишається більше запитань, ніж відповідей. Якщо і чорна, і біла матерія представлена тільки баріонами, то концентрація легких баріонів в процентному співвідношенні до тяжких, в результаті первинного нуклеосинтеза, повинна бути іншою в початкових астрономічних об`єктах Всесвіту. Та й експериментально не виявлено наявність в нашій галактиці равновесно достатньої кількості великих об`єктів гравітації, таких як чорні діри або нейтронні зірки, для врівноваження маси гало нашого Чумацького Шляху. Однак ті ж самі нейтронні зірки, темні галактичні гало, чорні діри, білі, чорні і коричневі карлики (Зірки в різних стадіях свого життєвого циклу), найімовірніше, входять до складу темної речовини, з якого складається темна матерія. Чорна енергія також може доповнювати їх начинку, в тому числі і в передбачених гіпотетичних об`єктах, таких як преонов, кваркові і Q-зірки.
небаріонної кандидати
Другий сценарій передбачає собою небаріонної початок. Тут в якості кандидатів можуть виступати кілька видів частинок. Наприклад, легкі нейтрино, існування яких уже доведено вченими. Однак їх маса, близько від однієї сотої до однієї десятитисячної еВ (електрон-вольт), практично виключає їх з можливих частинок через недосяжність необхідної критичної щільності. А ось важкі нейтрино, парні важким лептонам, практично не проявляють себе в слабких взаємодіях в звичайних умовах. Такі нейтрино називають стерильними, вони зі своєю максимальною масою до однієї десятої еВ з більшою ймовірністю підходять в якості кандидатів частинок темної матерії. Аксион і косміони були штучно введені в фізичні рівняння для вирішення проблем в квантової хромодинамике і в стандартній моделі. Разом з іншого стабільної суперсиметричних часткою (SUSY-LSP) вони цілком можуть претендувати в кандидати, тому що не беруть участі в електромагнітному і сильному взаємодіях. Однак, на відміну від нейтрино, вони все ж гіпотетичні, їх існування ще необхідно довести.
Теорія чорної матерії
Недолік маси у Всесвіті породжує на цей рахунок різні теорії, деякі з яких цілком доречні. Наприклад, теорія про те, що звичайна гравітація неспроможна пояснити дивну і непомірно швидке обертання зірок в спіральних галактиках. При таких швидкостях вони б просто вилетіли за її межі, якби не якась утримує сила, зареєструвати яку поки не представляється можливим. Інші тези теорій пояснюють неможливість отримання вімпів (масивні електрослабовзаімодействующіе частки-партнери елементарних субчастиц, суперсиметричні і надважкі - тобто ідеальні кандидати) в земних умовах, так вони живуть в n-вимірі, відмінному в більшу сторону від нашого, тривимірного. За теорією Калуци-Клейна такі вимірювання для нас недоступні.
мінливі зірки
Інша теорія описує, як змінні зірки і чорна матерія взаємодіють між собою. Блиск такої зірки може змінюватися не тільки завдяки метафізичним процесів, що відбуваються всередині (пульсація, хромосферні активність, викид протуберанців, перетікання і затемнення в подвійних зоряних системах, вибух наднової), але і завдяки аномальним властивостям темної речовини.
Двигун викривлення
За однією з теорій, темна матерія може використовуватися в якості палива для субпространственних двигунів космічних кораблів, які працюють за гіпотетичної Варпа-технології (WARP Engine). Потенційно такі двигуни дозволяють кораблю рухатися зі швидкостями, що перевищують швидкість світла. Теоретично вони здатні викривляти простір до і позаду корабля і переміщати його в ньому навіть швидше, ніж електромагнітна хвиля розганяється в вакуумі. Сам корабель локально не прискорюють - викривляється лише просторове поле перед ним. У багатьох фантастичних оповіданнях застосовується така технологія, наприклад в сазі Star Trek.
Вироблення в земних умовах
Спроби згенерувати і отримати чорну матерію на землі все ще не привели до успіху. В даний час проводяться досліди на ВАКу (Великий андронний коллайдер), саме там, де вперше зафіксували бозон Хіггса, а також на інших, менш потужних, в тому числі і лінійних коллайдерах в пошуках стабільних, але електромагнітно слабовзаємодіючих партнерів елементарних частинок. Однак ні Фотина, ні гравітіно, ні хігсіно, ні снейтріно (нейтраліно), а також інші вімпи (WIMP) ще не отримані. За попередньою обережною оцінкою вчених, для отримання одного міліграма темної матерії в земних умовах необхідний еквівалент енергії, споживаної в США протягом року.
