Темная материя что это Ютуб

В 30-х годах ХХ в. швейцарец Ф. Цвикки наблюдал за одним из самых больших галактических скоплений в созвездии Волосы Вероники. Из наблюдений выяснилось, что видимая масса скопления гораздо меньше существующей. Эти данные подтвердились через сорок лет Верой Рубин. Стало понятно, что некая тёмная материя и тёмная энергия наполняют основной массой и галактическое пространство, и любое другое.

Наличие тёмной материи начали предполагать исходя из некоторых наблюдении:

• Скорости вращения галактик не убывают от центра к краям. Убывание скорости должно происходить, если галактическая масса соответствует видимой.

• Исследования спутников галактик и шаровых скоплений показывали, что вся масса галактики больше общей массы её звёзд и других составляющих

• Двойные галактические системы и скопления обладали большей долей тёмной материи

• В эллиптических галактиках звёздной массы не хватит, чтобы удерживать горячий газ

Из всех наблюдений выявились некоторые свойства таинственного вещества. Оно может взаимодействовать с обычным веществом. Тёмная материя в несколько раз плотнее барионного, и захватывает его частицы посредством гравитационных ям. Вследствие этого происходит свечение.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ, ЧТО ЖЕ ТЫ ТАКОЕ?

Вокруг нашего светила, на расстояниях до 13 тыс. св. лет, больших объёмов тёмной материи не выявлено, хотя, по расчётам, концентрация её должна быть порядка 0,5 кг на объём Земли.

Обсерватория «Планк» в 2013 году опубликовала данные о составе наблюдаемой Вселенной. Обычная (барионная) материя составляет 4,9%, тёмная – 26,8%, а тёмная энергия – 68,3%. Из этого очевидно, что тёмная материя и тёмная энергия — основа нашей Вселенной.

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 -5 эВ.
• 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.

• ТЕГИ
• Интересные теории
• Элементарные частицы
• Это похоже на фантастику!

Источник: light-science.ru

Российские физики нашли способ обнаружить темную материю

Сибирские физики разработали способ, который может позволить обнаружить частицы-кандидаты на роль темной материи.

Исследователи из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН разработали концепцию, которая при помощи созданного ими криогенного детектора на основе аргона позволит найти частицы-кандидаты на роль темной материи. Работа ученых опубликована в The European Physical Journal C.

Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, однако проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Напрямую ее никто не наблюдал, но косвенных доказательств существования существует много. Одним из вероятных кандидатов на роль темной материи является WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) — слабовзаимодействующая массивная частица.

Наиболее перспективным способом ее поиска в физике на настоящий момент считается создание двухфазных детекторов на основе благородных газов — аргона или ксенон. У первых есть преимущество: они более чувствительны — и, как следствие могут зарегистрировать энергию взаимодействующей с ними частицы — и легче масштабируются. На аргоне работает и установка в ИЯФ СО РАН.

Часть энергии частиц, регистрируемых детекторами на аргоне, преобразуется в свет в ультрафиолетовом диапазоне. Исследователи из ИЯФ СО РАН изучили механизмы излучения в видимом диапазоне без применения сместителей спектра – материалов, способных переизлучать свет в нужный видимый диапазон. Ученые предложили альтернативную концепцию регистрации частиц темной материи. Они показали, что достаточно тяжелые частицы можно фиксировать с помощью электролюминесцентного сигнала, возникающего при столкновении с атомами аргона в достаточно наэлектризованной среде. Если частица тяжелая, она передаст ядру аргона достаточно энергии, чтобы ученые смогли наблюдать сигнал от нее, отметил один из исследователей Владислав Олейников.

Источник: www.ferra.ru

Исследователи пытаются создать темную материю

Не хотим показаться депрессивными, но мы живем в темной Вселенной. Несмотря на блеск ночного неба, миллиарды и миллиарды звезд и галактик составляют лишь малую часть материи в космосе. А вот неизвестная субстанция, называемая темной материей, в пять раз более распространена, чем привычная материя атомов.

И, несмотря на десятилетия усилий, прямых доказательств существования темной материи так и не было найдено, что заставило ученых глубоко задуматься о том, чем же может быть эта темная материя. Теперь, используя мощный ускоритель частиц, исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) попытались создать очень легкую форму темной материи и недавно опубликовали свои результаты.

Не слабая Вселенная

В течение многих лет исследователи представляли себе темную материю как стабильную, электрически нейтральную субатомную частицу с массой в сотни и даже тысячи раз тяжелее протона. Такие частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, возможно, испытывая только силу гравитации. Такую гипотетическую частицу называют WIMP (Weakly Interacting Massive Particle / Слабо взаимодействующая массивная частица). За те же десятилетия было предпринято множество попыток подтвердить или опровергнуть эту модель, но ни одной WIMP так и не было найдено.

Неудача с поиском ВИМПов заставила некоторых ученый задуматься о других альтернативах. Что если темная материя намного легче, скажем, в миллиарды раз? Хотя такая гипотеза кажется невероятной, исследователи, занимающиеся другой квантовой загадкой, разработали теорию, которая предсказывает возможную частицу темной материи. Этот кандидат в темную материю называется аксионом.

Об антиматерии и аксионах

Антиматерия является противоположностью обычной материи, и эти два явления очень плохо сосуществуют. Если соединить антивещество с соответствующей формой материи, то они аннигилируют, то есть, взаимоуничтожатся. Наблюдались эквиваленты антиматерии всех известных субатомных частиц, например, версии антивещественных протонов, нейтронов и электронов. Ученым даже удалось создать несколько атомов антивещества.

Сильное ядерное взаимодействие – это сила, удерживающая атомные ядра вместе. Теория, описывающая ее поведение, утверждает, что сильное взаимодействие может по-разному относиться к материи и антиматерии, однако точные измерения не показывают никакой разницы. Насколько удалось выяснить, сильное взаимодействие относится к материи и антиматерии одинаково.

Существует принцип, называемый тоталитарным принципом, который гласит: “Все, что не запрещено, обязательно”. Этот афоризм, изначально созданный в политической среде, был принят физическим сообществом. По сути, он означает, что все, что может произойти, произойдет. Если этого не происходит, значит, существует некое физическое явление, которое запрещает возможное поведение. Так что же мешает силе противодействия по-разному взаимодействовать с веществом и антивеществом?

Пока ответ на этот вопрос не найден, но в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили теорию, которая в точности уравновешивает способность силы взаимодействия допускать различия между материей и антиматерией. Одним из следствий этой теории стало предсказание существования частицы, названной аксионом. Аксион имеет очень малую массу, электрически нейтрален и был создан в огромных количествах в первые мгновения Большого взрыва. Таким образом, аксион является кандидатом на роль частицы темной материи.

В поисках аксионов

Поскольку аксион до сих пор не обнаружен – более того, возможно, он вообще не существует – его масса неизвестна. Однако многие расчеты показывают, что его масса должна быть очень мала, в районе одной миллиардной массы электрона. Исследователи искали аксионы с очень малой массой с помощью различных хитроумных методик, но так ничего и не нашли.

Учитывая неудачу с поиском аксионов малой массы, исследователи предложили другую гипотезу. Предположим, что аксион имеет большую массу, чем ожидалось, скажем, в несколько сотен – пару тысяч раз больше массы электрона. Поскольку попыток поиска такого аксиона не предпринималось, исследователи из Фермилаба использовали для его поиска прибор, названный детектором ArgoNeuT.

Для изучения нейтринных взаимодействий в детекторе ArgoNeuT используется четверть тонны жидкого аргона, помещенного в пучок нейтрино. Если эти более тяжелые аксионы существуют, то они могут распадаться в детекторе ArgoNeuT на пару мюонных частиц. Мюоны – это, по сути, тяжелые электроны, и их очень легко наблюдать. Исследователи использовали ускоритель Фермилаб, чтобы разбить в мишени 125 миллиардов миллиардов (1,25 × 1020) протонов высокой энергии, что позволило получить огромное количество нейтрино для изучения.

Исследователи рассчитали, что если бы аксионы не существовали, то наблюдалось бы менее одного случая создания двух мюонов с соответствующими свойствами. При проведении эксперимента не наблюдалось ни одного случая образования двух мюонов с необходимыми свойствами. Тот факт, что измерения совпали с предсказанием отсутствия аксионов, означает, что в детекторе ArgoNeuT аксионы не наблюдались. Это позволило исключить возможность производства тяжелых аксионов, распадающихся на два мюона.

Когда неудача означает успех

Неудача в наблюдении явления никогда не бывает столь же захватывающей, как его наблюдение, однако эксперимент все равно оказался успешным. Учитывая, что исследователи считают, что темная материя существует и что очень легкая темная материя может объяснить наблюдения астрономов, важно изучить все возможности. В конце концов, исключение теорий о темной материи – это прогресс. Если вы потеряли ключи от машины, то каждая комната, которую вы осматриваете и исключаете, приближает вас к нахождению комнаты, в которой вы их оставили.

Источник: etm-club.site