Cum de a găsi materia întunecată

Universul nostru este format din ordinare (nebarionică) chestiune de doar 15%. Restul de 85% este materia întunecată misterios, natura care rămâne necunoscută.

În 1933, astronomul american de origine elvețiană Frits Tsvikki, urmărind șase sute de galaxii din clusterul Coma, situat la 300 de milioane de ani lumina de Calea Lactee în direcția Coma constelația Berenices (Coma Berenices), a constatat că masa acestui grup, determinată pe baza vitezei galaxii (așa-numita masă dinamică), 50 de ori masa calculată de stele luminozitate evaluare. Cu un deficit de aprovizionare în roiului de galaxii Virgo trei ani mai târziu, el a fugit American Sinclair Smith. Această discrepanță gravă a fost imposibil de a explica eroarea în calcul, astfel încât oamenii de știință au ajuns la concluzia că Calea Lactee și unele galaxii spirale contin o chestiune non-luminoasă, a cărei masă este mult mai mare decât masa de stele. Această substanță „invizibilă“ Zwicky în 1933, numită materie întunecată. astronomul olandez Jan Oort a propus termenul de un an mai devreme, dar a folosit-o pentru a prezenta ipoteze false. Prin urmare, materia întunecată este considerat a fi un tată încă Zwicky.

alternative

Faptul că viteza planetei orbitează singură stea este invers proporțională cu rădăcina pătrată a razei orbitei sale - prin urmare, distanța scade monoton. Acest lucru se datorează faptului că forța gravitațională a stelei scade invers proporțional cu pătratul distanței, precum și alte surse de gravitate în acest sistem. Cea mai mare parte a galaxiei, pe de altă parte, cade pe stele și acumulările de gaze, care sunt pe o distanță decentă din nucleul său. Viteza obiect Prin urmare intragalactic ca distanța de nucleu ar trebui să crească, să ajungă la un maxim și apoi scade la valori foarte mici. Aici doar pentru a detecta și a eșuat: după trecerea rata maximă a scăzut, dar nu aspiră la zero.

Mai târziu, au descoperit alte anomalii. Astfel, în viteza de stele dim eliptice din periferie nu vrea să scadă și a continuat limitarea valorilor, treptat în creștere. Până la începutul anilor 1980, astronomii au suspectat că pentru a explica dinamica galaxiilor și grupurilor de galaxii ar trebui să ia în considerare orice factori necunoscute anterior. Cu toate acestea, mulți au dat vina mult timp discrepanțele cu teoria influența gravitațională a clusterelor nevăzute de gaz rece și pitice albe răcite, dar aceste date nu au fost confirmate în cele din urmă. Prin urmare, pentru mai mult de treizeci de ani în lupta pentru interpretarea anomaliilor concura două abordări fundamental diferite. Primul dintre acestea se bazează pe rescrierea legii a doua a lui Newton, al doilea - pe căutarea de noi surse de câmpuri gravitaționale pe o scară galactică.

Este Newton dreapta?

Explicați stabilizarea vitezelor stelare la frontierele externe ale galaxii spirala nu este deosebit de dificilă, în principiu. Este suficient să se presupună că legea lui Newton a gravitației universale nu funcționează pe distanțe uriașe comparabile cu depărtarea de stele periferice din centrul galactic. Să presupunem că forța de atracție a stelelor în regiunea centrală a galaxiei este redusă invers proporțional cu distanța, care este mult mai lent decât cea prescrisă de Newton. În acest caz, viteza stelei pe periferie va fi constantă și non-zero. Cu toate acestea, această ipoteză simplă conduce la concluzii care nu sunt susținute de observații.

La începutul anilor 1980, fizicianul israelian Mordechai Milgrom a arătat că anomaliile observate pot fi explicate dacă ajustăm legea de bază a mecanicii newtoniene, potrivit căreia accelerația este proporțională cu forța care acționează asupra unui corp. Milgrom a sugerat că foarte mică accelerație proporțională cu forța nu este, și rădăcina pătrată. Acest concept este cunoscut sub numele de dinamica newtoniană modificat (Modified newtoniană Dynamics, Mond). Pe baza sa sunt dezvoltate protocoalele de calcul, care a permis nu numai să explice comportamentul viteze stelare, dar, de asemenea, mult mai multe caracteristici ale dinamicii galaxii. Mai târziu, teoria Milgrom cuprinse și a extins capacitățile sale, care ne-a permis să explice efectul de lentilă gravitațională, care, pentru prima versiune a MOND rămâne o sarcină imposibilă.

MOND paradigmă sa dovedit a fi extrem de rezistente. Până acum, s-a convins, deși nu prea mulți susținători, care continuă să-l îmbunătățească. Cu toate acestea, cei mai mulți experți încă mai cred că anomalia galactic poate fi explicată fără o încercare radicală pe elementele de bază ale dinamicii newtoniene, care necesită revizuirea teoriei generale a relativității. Concomitent cu MOND a început să se formeze o paradigmă concurente. Ea se bazează pe ipoteza că, în crearea particulelor câmpurilor gravitaționale galactice implicate este încă neînregistrată. Ele sunt ceva numit acum materie întunecată.

particulele întunecate

Particulele de această chestiune ipotetici misterios a venit la astronomia cosmologie. Acum patruzeci de ani, a devenit clar că universul nostru are un plan sau geometrie aproape plană, și, prin urmare, densitatea medie a materialului nu trebuie să fie prea diferit de 10 -29 g / cm3. Chiar și atunci era evident că substanțele cunoscute de știință în acest scop nu este suficientă. Problema poate fi eliminată prin presupunând că masa numeroaselor neutrinilor primordiale este de aproximativ 20 eV. Oamenii de știință au vorbit cu această idee credea că neutrinii masive se acumulează la periferia clustere galactice și creează un câmp gravitațional, necesar pentru stabilizarea vitezelor stele. Aceasta a fost prima dată când a sugerat că materia întunecată ar putea fi de natură nebarionică, care nu este compus din protoni și neutroni. Cu toate acestea, această ipoteză nu a fost confirmată, pentru că în timp, a devenit clar faptul că masa a tuturor celor trei soiuri de neutrini nu depășesc câteva zecimi de un electron volt.

Se pare ca întuneric detector materie LUX experiment (Large Underground Xenon) instalate în peșteră Davis Senfordskoy subteran de laborator în Dakota de Sud in fosta mina de aur la o adâncime de kilometri și jumătate.

candidați la rece

Higgs a fost ultima particula nou descoperita a cărui existență a fost prezis pe baza teoriei dominante a Microworld - modelul standard al particulelor elementare. particulele de materie întunecată, în cazul în care acestea există, nu sunt descrise în această teorie. În versiunea rece, acestea trebuie să fie non-relativistă, foarte slab interacționează unele cu altele și cu materia obișnuită și nimic (în cazul extrem de aproape) nu interacționează cu fotoni. În același timp, ele trebuie să creeze un câmp gravitațional, precum și particule de modelul standard. De aceea, ele sunt numite interactioneaza slab particule masive, sau WIMP (Interactiunea particule masive, slab wimp).

Cele mai populare candidați pentru titlul de WIMP sunt propuse pe baza teoriei supersimetriei. Ea susține că fiecare particulă a modelului standard este așa-numitul superpartner (sau superpartners) a căror rotire cu diferite ½ din propria sa. De aceea, particulele cu jumătate de număr întreg se învârte, fermioni corespund cu superpartners întregi de spin, bosonii și fermionilor sunt bosoni superpartners. Superparticulă poate dezintegra, dar cel mai ușor dintre ele este obligat să fie stabil. Asta este considerat cel mai bun candidat pentru rolul de particule de materie întunecată și să încerce să se înregistreze în cele mai multe experimente. Dintre toate versiunile teoretic posibile ale unor astfel de profesioniști particule prefera Neutralino - superpartners amestec cuantice de fotoni, Z-Higgs și bosonul Higgs.

WIMP și mănunchiuri

vezi WIMP

WIMP cauta metode directe si indirecte. Căutare directă are ca scop identificarea coliziunile lor cu nuclee de materie obișnuită, angajat lucrează corpul detector.

La 1 m 3 de spațiu în apropierea suprafeței Pământului de la câteva sute la câteva mii de WIMP. În coliziuni, ei pierd o parte din energia cinetică și să-l la detector. Cu toate că astfel de coliziuni au loc doar de câteva ori pe zi, iar energia eliberată este foarte mică, vă puteți înregistra și să fie separate de coliziuni cu raze cosmice și radionuclizilor terestre.

Există trei moduri de bază pentru detectarea WIMP directe.

1. Când nucleul de rebound poate fi emis cuante de lumină (cu scintilație) care va prinde fotomultiplicatori.

2. Într-o coliziune cu un atom WIMP poate transforma într-ion pierde anumite electroni care pot fi detectate.

3. coliziuni solide Atunci când se utilizează fluidul de lucru excita oscilații ale latici sale de cristal, care, de asemenea, pot fi urmărite (pentru a le distinge de fond termic, cristalul trebuie răcit la aproape de zero absolut). In experimentele actuale, aceste metode pot fi combinate.

Detector Xenon. Wimp detectoare cele mai sensibile sunt instalate pe xenon lichid. Ei folosesc abordarea combinată: înregistrată ca fotonii de scintilație și ionizare de electroni, care permite identificarea interacțiunilor cu diferite particule în timp și poziția relativă a acestor evenimente, cerne „zgomot“ (coliziunea cu particule cunoscute) și să aloce printre evenimentele cele care se potrivesc schema de interacțiune cu particule de materie întunecată.

căutare indirectă pentru materia întunecată este direcționată în general la înregistrarea raze gamma, care pot fi născuți în ciocnirile de WIMP în spațiu adânc, în interiorul soarelui și chiar în adâncurile pământului. Deoarece natura WIMP este necunoscut, nimeni nu știe cu adevărat ce să caute și cum să interpreteze rezultatele. În orice caz, răspunsuri specifice încă.

Lipsa progresului în căutarea de WIMP în ultimii ani a crescut interesul într-o altă familie de candidați pentru materia întunecată, lumina particule slab care interacționează - Visp (Interactiunea Slim Particulele slab, WISP). Cea mai mare atenție este acordată axioni, care în 1977 a inventat Roberto Peccei și Elen Kvinn. Aceste fizicienii au încercat să rezolve problema puternică teoria interacțiunii nucleare destul de neplacuta - cromodinamicii cuantice. În ecuația de bază de conservare nu este încorporată CP-simetrie, care efectuează reflexie și schimbări în antiparticula particulelor. Simetria de rupere ar trebui să conducă la apariția de neutroni dipol electric moment, care nu se observă în experiment. Peccei și Quinn a oferit un model frumos elimină această contradicție. Aceasta presupune existența unor particule stabile de lumină, care nu transporta sarcini electrice, ci într-un câmp magnetic puternic pentru a induce apariția fotoni. Acest lucru este axioni. Mai târziu, cosmologii au arătat că axioni pot fi candidați acceptabili pentru particule de materie întunecată.

În căutare de lejeritate

Unul dintre candidații cele mai promițătoare pentru materia întunecată - Axionul, cel mai faimos dintre particule slab interacționează (WISP). Această greutate redusă (aproximativ o milionime de electron volt) particule neîncărcată stabile care, teoretic, prezis de cromodinamicii cuantice pentru a explica absența violării CP-simetrie, este dificil de detectat, dar Axion câmpuri magnetice puternice pot induce apariția de fotoni. Este acest efect și utilizat în experimente pentru a căuta axioni, care poate fi numit „lumina prin perete“: radiația laser este direcționată spre un perete opac, care, înainte de (și după) magneți superconductori instalate generează un câmp magnetic puternic. Există o probabilitate ca fotonul este într-un câmp magnetic puternic în fața peretelui „convertit“ la Axionul, care va trece prin bariera, și apoi „convertit“ într-un foton, care poate fi deja detectate de un detectori foarte sensibili.

Există și alte versiuni ale materiei întunecate - particulă relicvă supergreu, găuri negre primordiale, superpartners axioni (Axinite) sau gravitonii (gravitino) și „materia oglindă“. Dar acest lucru este Exotica pură.

Tehnologie și bani

În același timp căutare pentru axioni practic au stagnat. Și nu e de tehnologie, și bani. În cazul în care există axioni, este doar în câmpuri magnetice foarte puternice pot fi înregistrate în cazul în care acesta convertește fotoni virtuale în cele reale. Pentru a face acest lucru s-ar potrivi perfect teslovye 18 magneți, care sunt disponibile pe piață, și chiar mai bine - experimental 32-teslovye. Acestea costa o gramada de bani, dar ele nu sunt atât de ușor pentru a obține. Cei care se află în Statele Unite ale Americii finanțează domeniul fizicii, nu prea cred în existența axioni, în timp ce în alte țări au aproape niciodată fac. Acum, la Universitatea din Seattle pregătește un ADMX experiment, în cazul în care participanții încearcă să detecteze axioni de un magnet supraconductor, cu o putere a câmpului de aproximativ 8 Tesla. În astfel de domenii ale Axionul este de așteptat semnale foarte slabe, și pot căuta pentru totdeauna. „Deci, aici, - spune profesorul Cline - rezultate rapide nu așteptați.“

Unele teorii susțin că vidul nu este gol și constă în care apar în mod constant și dispar perechi de particule virtuale și antiparticule.
Aceste particule descriu efectul Casimir și radiație Hawking.
Din moment ce acestea sunt imediat după naștere pentru a anihila reciproc - nu observăm energie. Dar dacă ei dau naștere la un câmp gravitațional suplimentar? Chiar și pentru o clipă? Un moment aici, un moment acolo. O mulțime de momente - într-o anumită cantitate de constanta gravitațională.

Am unele decalaj de informații în cele mai multe Azah problema materiei întunecate. La începutul articolului se presupunea, particule „rece“ non-relativistă, cu o masă de aproximativ 20 eV. Acest calcul a fost făcut din orice motive - faptul că nu interacționează cu materia obișnuită și cu ei înșiși în mod diferit decât gravitația, particula „răcit“ cu expansiunea universului (cum ar fi CMB) până la apariția primelor galaxii, și apoi răcirea oprit - și apoi calculată din greutatea acelei energie cinetică (în formula obișnuită MV2 / 2) folosind prima viteza spațială pentru galaxii medie (considerând greutatea și mărimea materiei halo întunecat destinat lor)? Sau alte ipoteze (non-temperatură „gaz întuneric perfect“ raceste ca universul se extinde și viteza necesară pentru îngrijirea particulelor de „puțuri gravitaționale“ ale galaxiei -. Ordinul a sute de kilometri pe secundă) Au fost realizate?

Și totuși, despre ipoteza materia întunecată constând din găuri negre. Ne cerem scuze pentru întrebarea chaynikovsky, dar este foarte ușor să se presupună că galaxia de stele filare vii de zece ori „scrum“ mai invizibile stele din generațiile anterioare? Cu siguranță se crede - ar fi radiații gamma din concreșterea sau microlentilelor, sau o gaură neagră frunze <1% массы исходной звезды, или что? На взгляд дилетанта такая гипотеза проще, чем добавление новых сущностей в квантовую физику. Астрономы, просветите plz!