Što je crna tvar? teorija tamne materije

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-02-12 08:13

Što je bilo prvo: jaje ili kokoš? Znanstvenici diljem svijeta desetljećima se bore s ovim jednostavnim pitanjem. Slično se postavlja i o onome što je bilo na samom početku, u trenutku stvaranja Svemira. Ali je li to bilo, ovo stvaranje, ili su svemiri ciklični ili beskonačni? Što je crna tvar u svemiru i po čemu se razlikuje od bijele tvari? Zabacujući različite vrste religija, pokušajmo pristupiti odgovorima na ova pitanja sa znanstvenog stajališta. Tijekom proteklih nekoliko godina znanstvenici su uspjeli učiniti nezamislivo. Vjerojatno prvi put u povijesti izračuni teorijskih fizičara složili su se s izračunima eksperimentalnih fizičara. Znanstvenoj zajednici tijekom godina predstavljeno je nekoliko različitih teorija. Više ili manje točno, na empirijski način, ponekad kvaziznanstveni, teoretski izračunati podaci su ipak potvrđeni eksperimentima, neki čak i s kašnjenjem od više od desetak godina (Higgsov bozon, na primjer).

Tamna tvar - crna energija

Postoji mnogo takvih teorija, na primjer: Teorija struna, Teorija velikog praska, Teorija cikličkog svemira, Teorija paralelnog svemira, Modificirana Newtonova dinamika (MOND), F. Hoyle i drugi. Međutim, trenutno se teorija o svemiru koji se neprestano širi i razvija se smatra općeprihvaćenom, čije se teze dobro uklapaju u okvir koncepta Velikog praska. Istovremeno, kvaziempirijski (tj. empirijski, ali s velikim tolerancijama i na temelju postojećih modernih teorija o strukturi mikrokozmosa) dobiveni su podaci da sve nama poznate mikročestice čine samo 4,02% ukupnog volumena cjelokupni sastav Svemira. Ovo je takozvani "barion koktel", ili barionska tvar. Međutim, najveći dio našeg svemira (više od 95%) su tvari drugačijeg plana, različitog sastava i svojstava. To je takozvana crna tvar i crna energija. Ponašaju se različito: različito reagiraju na različite vrste reakcija, nisu fiksirani postojećim tehničkim sredstvima i pokazuju prethodno neistražena svojstva. Iz ovoga možemo zaključiti da se ili ove tvari pokoravaju drugim zakonima fizike (newtonova fizika, verbalni analog neeuklidske geometrije), ili je naša razina razvoja znanosti i tehnologije tek u početnoj fazi svog formiranja.

Što su barioni?

Prema trenutnom kvark-gluonskom modelu jakih interakcija, postoji samo šesnaest elementarnih čestica (a nedavno otkriće Higgsovog bozona to potvrđuje): šest vrsta (aroma) kvarkova, osam gluona i dva bozona. Barioni su teške elementarne čestice s jakom interakcijom. Najpoznatiji od njih su kvarkovi, proton i neutron. Obitelji takvih tvari, koje se razlikuju uspin, mase, njihova "boja", kao i brojevi "očaranosti", "čudnosti", upravo su građevni blokovi onoga što nazivamo barionskom materijom. Crna (tamna) tvar, koja čini 21,8% ukupnog sastava Svemira, sastoji se od drugih čestica koje ne emitiraju elektromagnetsko zračenje i ne reagiraju s njim na bilo koji način. Stoga, barem za izravno promatranje, a još više za registraciju takvih tvari, potrebno je najprije razumjeti njihovu fiziku i dogovoriti se o zakonima kojima se pokoravaju. Mnogi moderni znanstvenici to trenutno rade u istraživačkim institutima diljem svijeta.

Najvjerojatnija opcija

Koje tvari se smatraju mogućim? Za početak, valja napomenuti da postoje samo dvije moguće opcije. Prema GR i SRT (Opća i specijalna relativnost), u smislu sastava, ova tvar može biti i barionska i nebarionska tamna tvar (crna). Prema glavnoj teoriji Velikog praska, svaka postojeća materija predstavljena je u obliku bariona. Ova je teza dokazana s iznimno velikom točnošću. Trenutno su znanstvenici naučili uhvatiti čestice nastale minutu nakon praska singulariteta, odnosno nakon eksplozije supergustog stanja materije, s tjelesnom masom koja teži beskonačnosti, a dimenzije tijela teže nuli. Scenarij s barionskim česticama je najvjerojatniji, jer se od njih sastoji naš Svemir i kroz njih nastavlja svoje širenje. crna tvar,prema ovoj pretpostavci, sastoji se od osnovnih čestica koje je općeprihvaćena Newtonova fizika, ali iz nekog razloga slabo međusobno djeluju na elektromagnetski način. Zato ih detektori ne otkrivaju.

Ne ide tako glatko

Ovaj scenarij odgovara mnogim znanstvenicima, ali još uvijek ima više pitanja nego odgovora. Ako su i crna i bijela tvar predstavljene samo barionima, tada bi koncentracija lakih bariona kao postotak teških, kao rezultat primarne nukleosinteze, trebala biti različita u početnim astronomskim objektima Svemira. I eksperimentalno, prisutnost u našoj galaksiji ravnotežnog dovoljnog broja velikih gravitacijskih objekata, kao što su crne rupe ili neutronske zvijezde, nije otkrivena da uravnoteži masu aureole naše Mliječne staze. Međutim, iste neutronske zvijezde, tamne galaktičke aureole, crne rupe, bijeli, crni i smeđi patuljci (zvijezde u različitim fazama svog životnog ciklusa), najvjerojatnije su dio tamne tvari od koje se sastoji tamna tvar. Crna energija također može nadopuniti njihovo punjenje, uključujući predviđene hipotetske objekte kao što su preon, kvark i Q zvijezde.

Nebarionski kandidati

Drugi scenarij implicira ne-barionsko podrijetlo. Ovdje se kao kandidati mogu ponašati nekoliko vrsta čestica. Na primjer, svjetlosni neutrini, čije su postojanje znanstvenici već dokazali. Međutim, njihova masa, reda jedna stotinka prema jedandesettisućiti eV (elektron-volt), praktički ih isključuje iz mogućih čestica zbog nedostižnosti potrebne kritične gustoće. Ali teški neutrini, upareni s teškim leptonima, praktički se ne manifestiraju u slabim interakcijama u normalnim uvjetima. Takvi se neutrini nazivaju sterilnim; s njihovom maksimalnom masom do jedne desetine eV, vjerojatnije je da će biti kandidati za čestice tamne tvari. Aksioni i kozmioni su umjetno uvedeni u fizičke jednadžbe za rješavanje problema u kvantnoj kromodinamici i u standardnom modelu. Zajedno s drugom stabilnom supersimetričnom česticom (SUSY-LSP), mogu se kvalificirati kao kandidati, budući da ne sudjeluju u elektromagnetskim i jakim interakcijama. Međutim, za razliku od neutrina, oni su još uvijek hipotetski, njihovo postojanje još treba dokazati.

Teorija crne tvari

Nedostatak mase u svemiru dovodi do različitih teorija o tome, od kojih su neke prilično konzistentne. Na primjer, teorija da obična gravitacija nije u stanju objasniti čudnu i pretjerano brzu rotaciju zvijezda u spiralnim galaksijama. Takvim bi brzinama jednostavno izletjeli iz njega, da nije bilo kakve sile zadržavanja, koju još nije moguće registrirati. Druge teze teorija objašnjavaju nemogućnost dobivanja WIMP-ova (masivnih elektroslabo interakcijskih čestica-partnera elementarnih subčestica, supersimetričnih i superteških - odnosno idealnih kandidata) u zemaljskim uvjetima, budući da oni žive u n-dimenziji, koja je drugačija od naših tri- dimenzionalni. Prema Kaluza-Klein teoriji, takva nam mjerenja nisu dostupna.

Changing Stars

Druga teorija opisuje kako promjenjive zvijezde i crna tvar međusobno djeluju. Svjetlina takve zvijezde može se promijeniti ne samo zbog metafizičkih procesa koji se odvijaju u unutrašnjosti (pulsiranje, aktivnost kromosfere, izbacivanje prominencije, prelijevanja i pomrčine u binarnim zvjezdanim sustavima, eksplozija supernove), već i zbog anomalnih svojstava tamne tvari.

WARP pogon

Prema jednoj teoriji, tamna tvar se može koristiti kao gorivo za podsvemirske motore svemirskih letjelica koje rade na hipotetičkoj WARP tehnologiji (WARP Engine). Potencijalno, takvi motori omogućuju brodu da se kreće brzinama većim od brzine svjetlosti. Teoretski, oni su u stanju savijati prostor ispred i iza broda i pomicati ga u njemu čak i brže nego što elektromagnetski val ubrzava u vakuumu. Sam brod ne ubrzava lokalno – savijeno je samo prostorno polje ispred njega. Mnoge fantastične priče koriste ovu tehnologiju, kao što je saga Star Trek.

Rast u zemaljskim uvjetima

Pokušaji stvaranja i dobivanja crne tvari na zemlji još nisu bili uspješni. Trenutno se izvode eksperimenti na LHC-u (Large Andron Collider), točno na mjestu gdje je prvi put zabilježen Higgsov bozon, kao i na drugim, manje snažnim, uključujući linearne sudarače u potrazi zastabilni, ali elektromagnetski slabo interakcijski partneri elementarnih čestica. Međutim, ni fotino, ni gravitino, ni higsino, ni sneutrino (neutralino), ni drugi WIMP-ovi još nisu dobiveni. Prema preliminarnoj opreznoj procjeni znanstvenika, da bi se dobio jedan miligram tamne tvari u zemaljskim uvjetima, potreban je ekvivalent energije potrošene u Sjedinjenim Državama tijekom godine.