Terminy ciemna energia i ciemna materia nie są w pełni skuteczne i stanowią dosłowne, ale nie semantyczne tłumaczenie z języka angielskiego. W sensie fizycznym terminy te oznaczają tylko, że substancje te nie oddziałują z fotonami i równie dobrze można je nazwać niewidzialną lub przezroczystą materią i energią.
Ciemna materia w astronomii i kosmologii, a także w fizyce teoretycznej, jest hipotetyczną formą materii, która nie emituje promieniowania elektromagnetycznego ani nie oddziałuje z nim. Ta właściwość tej formy materii uniemożliwia jej bezpośrednią obserwację.
Wniosek o istnieniu ciemnej materii wysuwany jest na podstawie licznych, spójnych ze sobą, ale pośrednich oznak zachowania się obiektów astrofizycznych i wywoływanych przez nie efektów grawitacyjnych. Odkrycie natury ciemnej materii pomoże rozwiązać problem ukrytej masy, który w szczególności polega na nienormalnie dużej prędkości rotacji zewnętrznych obszarów galaktyk.
Dowiedzmy się więcej o tym wszystkim …
Ciemna materia i ciemna energia nie są widoczne dla oka, ale ich obecność została udowodniona poprzez obserwacje wszechświata. Miliardy lat temu nasz wszechświat narodził się po katastrofalnym Wielkim Wybuchu. Gdy wczesny wszechświat powoli się ochładzał, zaczęło się w nim rozwijać życie. W rezultacie powstały gwiazdy, galaktyki i inne widoczne jej części. Rozmiar naszego wszechświata jest po prostu oszałamiający. Na przykład jedno Słońce wystarczy, aby oświetlić i ogrzać milion planet, takich jak Ziemia. W tym przypadku Słońce jest gwiazdą średniej wielkości, a sama nasza galaktyka składa się ze 100 miliardów gwiazd. Ta liczba przewyższa liczbę ziarenek piasku na małej plaży. Jednak to nie wszystko.
Jak wiecie, Wszechświat składa się z kilku miliardów galaktyk, w których istnieje różnorodna materia. Czy to możliwe, że którakolwiek z tych spraw była niewidoczna dla oka. Najprawdopodobniej skoro wyniki ostatnich badań pokazały, że widzimy tylko jedną dziesiątą wszechświata. Oznacza to, że ponad 90% materii po prostu nie może być zbadane przez osobę, nawet przy użyciu specjalnego sprzętu. Astronomowie nazywają tę materię ciemną.
Wiadomo, że ciemna materia oddziałuje ze „świetlistą” (barionową), przynajmniej w sposób grawitacyjny, i jest ośrodkiem o średniej gęstości kosmologicznej, kilkakrotnie większej niż gęstość barionów. Te ostatnie są wychwytywane w dołkach grawitacyjnych skupisk ciemnej materii. Dlatego chociaż cząsteczki ciemnej materii nie oddziałują ze światłem, światło jest emitowane z miejsca, w którym znajduje się ciemna materia. Ta niezwykła właściwość niestabilności grawitacyjnej umożliwiła zbadanie ilości, stanu i rozmieszczenia ciemnej materii na podstawie danych obserwacyjnych od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie.
Film promocyjny:
Opublikowane w 2012 roku badanie ruchu ponad 400 gwiazd znajdujących się w odległości do 13 000 lat świetlnych od Słońca nie znalazło dowodów na obecność ciemnej materii w dużej objętości przestrzeni wokół Słońca. Zgodnie z przewidywaniami teorii średnia ilość ciemnej materii w pobliżu Słońca powinna wynosić około 0,5 kg w objętości Ziemi. Jednak pomiary dały wartość 0,00 ± 0,06 kg ciemnej materii w tej objętości. Oznacza to, że próby zarejestrowania ciemnej materii na Ziemi, na przykład, z rzadkimi interakcjami cząstek ciemnej materii ze „zwykłą” materią, nie mogą zakończyć się sukcesem.
Zgodnie z obserwacjami Planck Space Observatory opublikowanymi w marcu 2013 r., Zinterpretowanymi z uwzględnieniem standardowego kosmologicznego modelu Lambda-CDM, całkowita masa-energia obserwowanego Wszechświata wynosi 4,9% zwykłej (barionowej) materii, 26,8% ciemnej materia i 68,3% z ciemnej energii. Zatem wszechświat składa się w 95,1% z ciemnej materii i ciemnej energii.
Dowodem na istnienie ciemnej materii jest jej ciężkość - siła grawitacji, która podobnie jak klej utrzymuje integralność Wszechświata. Wszystkie części wszechświata są do siebie przyciągane. Dzięki temu naukowcy byli w stanie obliczyć całkowitą masę widzialnego Wszechświata, a także wskaźniki sił grawitacyjnych. Podczas obliczeń ujawniono znaczną nierównowagę tych parametrów, co dało podstawy do przypuszczenia, że istnieje jakaś niewidzialna materia, która ma określoną masę i również podlega grawitacji.
Badanie ciemnej materii Ponadto, dowodem na istnienie ciemnej materii był jej grawitacyjny wpływ na inne obiekty, w tym trajektorię ruchu gwiazd i galaktyk. Stwierdzono, że wiele galaktyk rotuje szybciej niż oczekiwano. Zgodnie z teorią grawitacji A. Einsteina powinny latać w różnych kierunkach. Jednak coś niewidzialnego wydaje się trzymać ich razem.
Również ciemna materia może wpływać na ścieżkę propagacji światła. Badano zjawisko soczewkowania grawitacyjnego polegające na tym, że gęste obiekty są w stanie odbijać światło odległych obiektów, zmieniając trajektorię strumieni światła. Prowadzi to do zniekształcenia obrazu i pojawienia się mirażów gwiazd i galaktyk. Naukowcy rejestrują te zakręty światła, ale nie potrafią nazwać natury tego zjawiska.
Ciemna materia w naszym wszechświecie może istnieć w postaci ogromnych astronomicznych obiektów halo (MAGO). Należą do nich planety, księżyce, brązowe i białe karły, chmury pyłu, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Z reguły są zbyt małe, aby ich światło mogło zostać wykryte przez ludzi, jednak ich istnienie można obliczyć na podstawie wpływu grawitacji na strumienie światła. W ostatnich latach astronomowie odkryli kilka typów obiektów MAGO. Mogą składać się zarówno ze zwykłych cząstek barionowych, jak i aksyn, neutrin, mięczaków i supersymetrycznej ciemnej materii.
Badania nad ciemną materią i ciemną energią
Ponieważ zainteresowanie ciemną materią stale rośnie, pojawiają się nowe narzędzia, które pomagają uzyskać szerszy wgląd w to tajemnicze zjawisko. Na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble'a dostarczył bardzo cennych informacji na temat rozmiaru i masy widzialnego wszechświata. Dane te były pierwszym i bardzo ważnym krokiem w kierunku badania prawdziwej ilości ciemnej materii we wszechświecie.
Ważne jest, aby zrozumieć, że struktura Wszechświata nie jest przypadkowa, a przy pomocy Hubble'a możesz szczegółowo przedstawić jego strukturę. Wiadomo na pewno, że galaktyki znajdują się w gromadach, a te gromady w supergromadach. Supergromady ciał kosmicznych są zlokalizowane w gąbczastej strukturze z rozległymi pustkami. Oczywiście powstanie takiej struktury wynika z bardzo konkretnych powodów. Teleskopy rentgenowskie w Obserwatorium Chandra pomagają badać ogromne chmury gorącego gazu w tych gromadach. Naukowcy odkryli, że ciemna materia musi być również obecna na tych obszarach, w przeciwnym razie gaz ucieknie z gromady. Ponadto obecnie opracowywane są nowe narzędzia, które ostatecznie pomogą dostrzec tę ciemną stronę wszechświata.
Podejścia i metody badania cząstek ciemnej materii
W tej chwili naukowcy na całym świecie starają się w każdy możliwy sposób odkryć lub sztucznie uzyskać cząsteczki ciemnej materii w warunkach ziemskich, korzystając ze specjalnie zaprojektowanego sprzętu super-technologicznego i wielu różnych metod badawczych, ale jak dotąd nie wszystkie prace zakończyły się sukcesem.
Z czego zbudowany jest wszechświat
Jedna z metod polega na przeprowadzaniu eksperymentów na wysokoenergetycznych akceleratorach, zwanych potocznie zderzaczami. Naukowcy, wierząc, że cząstki ciemnej materii są 100-1000 razy cięższe od protonu, zakładają, że będą musiały powstać w zderzeniu zwykłych cząstek przyspieszonych do wysokich energii przez zderzacz. Istotą innej metody jest rejestracja cząstek ciemnej materii, które są wokół nas. Główna trudność w zarejestrowaniu tych cząstek polega na tym, że wykazują one bardzo słabą interakcję ze zwykłymi cząstkami, które są dla nich z natury przezroczyste. A jednak cząstki ciemnej materii bardzo rzadko, ale zderzają się z jądrami atomowymi, i istnieje pewna nadzieja, prędzej czy później, na zarejestrowanie tego zjawiska.
Istnieją inne podejścia i metody badania cząstek ciemnej materii i tylko czas pokaże, które z nich jako pierwsze doprowadzą do sukcesu, ale w każdym razie odkrycie tych nowych cząstek stanie się wielkim osiągnięciem naukowym.
Substancja antygrawitacyjna
Ciemna energia jest jeszcze bardziej niezwykłą substancją niż ta sama ciemna materia. Nie ma zdolności zbierania się w kępy, w wyniku czego jest równomiernie rozłożony absolutnie w całym Wszechświecie. Ale jego najbardziej niezwykłą właściwością w tej chwili jest antygrawitacja.
Dzięki nowoczesnym metodom astronomicznym możliwe jest określenie tempa rozszerzania się Wszechświata w obecnym czasie i symulowanie procesu jego przemian we wcześniejszym czasie. W efekcie uzyskano informację, że obecnie, a także w niedawnej przeszłości, nasz Wszechświat rozszerza się, a tempo tego procesu stale rośnie. Dlatego pojawiła się hipoteza o antygrawitacji ciemnej energii, ponieważ zwykłe przyciąganie grawitacyjne miałoby spowolnić proces „recesji galaktyk”, ograniczając tempo ekspansji Wszechświata. Zjawisko to nie jest sprzeczne z ogólną teorią względności, ale jednocześnie ciemna energia musi mieć podciśnienie - właściwość, której nie posiada żadna ze znanych obecnie substancji.
Kandydaci do roli „Ciemnej energii”
Masa galaktyk w gromadzie Abel 2744 stanowi mniej niż 5 procent jej całkowitej masy. Gaz ten jest tak gorący, że świeci tylko w zakresie promieniowania rentgenowskiego (na tym zdjęciu czerwony). Rozkład niewidocznej ciemnej materii (stanowiącej około 75 procent masy tej gromady) jest zabarwiony na niebiesko.
Jednym z domniemanych kandydatów do roli ciemnej energii jest próżnia, której gęstość energii pozostaje niezmieniona podczas rozszerzania się Wszechświata i tym samym potwierdza ujemne ciśnienie próżni. Innym domniemanym kandydatem jest „kwintesencja” - wcześniej niezbadane pole superwmowa, które rzekomo przechodzi przez cały wszechświat. Są też inni potencjalni kandydaci, ale żaden z nich w tej chwili nie przyczynił się do uzyskania trafnej odpowiedzi na pytanie: czym jest ciemna energia? Ale jest już jasne, że ciemna energia jest czymś całkowicie nadprzyrodzonym, pozostając główną tajemnicą fundamentalnej fizyki XXI wieku.