Што такое цёмная матэрыя?
У астраноміі і касмалогіі існуе некалькі з'яў, якія выклікаюць як трывогу, так і хваляванне сярод навукоўцаў; адна з іх — паняцце «цёмнай матэрыі». Гэты тэрмін можа гучаць як нешта з навукова-фантастычнага фільма або рамана пра змову, але цёмная матэрыя — гэта фізічная рэальнасць, якая глыбока ўплывае на наш Сусвет. Гэты артыкул мае на мэце даследаваць, што такое цёмная матэрыя, як мы яе адкрылі і чаму гэта паняцце так важнае для нашага разумення космасу.
Што такое цёмная матэрыя?
Цёмная матэрыя — гэта форма матэрыі, якая не выпраменьвае і не ўзаемадзейнічае з электрамагнітным выпраменьваннем, як святло. Таму яе нельга ўбачыць з дапамогай звычайных тэлескопаў. Гэтая матэрыя называецца «цёмнай» не таму, што яна ахутана цемрай, а таму, што яе нельга непасрэдна выявіць традыцыйнымі аптычнымі прыборамі. Аднак, нягледзячы на яе нябачнасць, прысутнасць цёмнай матэрыі можна выявіць праз яе гравітацыйнае ўздзеянне на звычайную матэрыю, такую як зоркі і галактыкі.
Гісторыя адкрыцця цёмнай матэрыі
Канцэпцыя цёмнай матэрыі была ўпершыню прапанавана ў пачатку 20 стагоддзя. У 1930-х гадах астраном Фрыц Цвікі заўважыў, што галактыкі ў скопішчах (групах галактык) рухаюцца занадта хутка, каб іх маса была бачная. Калі б мы маглі бачыць толькі масу, скопішчы павінны былі б фрагментавацца. Цвікі назваў гэтую адсутную масу «dunkle materie» або цёмнай матэрыяй па-нямецку.
Гэта адкрыццё пазней пацвердзілі Вера Рубін і Кент Форд у 1970-х гадах, калі яны выявілі, што хуткасць кручэння зорак на знешніх краях галактык не памяншаецца з павелічэннем адлегласці ад галактычнага цэнтра. Згодна з законам гравітацыі Ньютана, хуткасць кручэння павінна памяншацца з павелічэннем адлегласці, калі толькі няма схаванай масы, якая аказвае дадатковую гравітацыйную сілу. Гэта так званая мяжа хуткасці кручэння або «плоская» крывая кручэння, якая з'яўляецца важкім доказам наяўнасці цёмнай матэрыі.
Доказы існавання цёмнай матэрыі
1. Хуткасць кручэння галактыкі
Як ужо згадвалася, анамаліі хуткасці кручэння галактык з'яўляюцца аднымі з найбольш пераканаўчых доказаў наяўнасці цёмнай матэрыі. Без цёмнай матэрыі бачнае размеркаванне масы не можа растлумачыць назіраныя хуткасці кручэння.
2. Гравітацыйная лінза
З'ява гравітацыйнага лінзавання — гэта скрыўленне святла ад аддаленых аб'ектаў, выкліканае канцэнтраванымі масамі, такімі як галактыкі або скопішчы галактык, якія знаходзяцца на шляху святла. Назіранні гравітацыйнага лінзавання паказваюць, што маса, якая выклікае гэты эфект, значна большая, чым здаецца.
3. Касмічнае фонавае мікрахвалевае выпраменьванне (CMB)
Рэліктавае выпраменьванне — гэта рэшткі выпраменьвання Вялікага выбуху, якія пранізваюць Сусвет. Ваганні рэліктавага выпраменьвання даюць важную інфармацыю аб размеркаванні матэрыі і энергіі ў раннім Сусвеце. Дадзеныя са спадарожнікаў, такіх як WMAP і Planck, паказваюць, што значная частка матэрыі не ўзаемадзейнічае з электрамагнітным выпраменьваннем, што зноў жа сведчыць пра існаванне цёмнай матэрыі.
Тэорыі пра цёмную матэрыю
Усе гэтыя доказы паслядоўна паказваюць на нешта неверагодна цяжкае, але нябачнае, што запаўняе Сусвет. Аднак дакладная прырода цёмнай матэрыі застаецца загадкай. Існуе некалькі тэорый, якія тлумачаць, што такое цёмная матэрыя:
1. Часціцы цёмнай матэрыі
Адна з вядучых тэорый заключаецца ў тым, што цёмная матэрыя складаецца з пакуль не выяўленых часціц. Галоўнымі кандыдатамі ў гэтай катэгорыі з'яўляюцца слаба ўзаемадзейныя масіўныя часціцы (ВІМП) і аксіяны. ВІМП — гэта тэарэтычныя часціцы, якія ўзаемадзейнічаюць толькі праз гравітацыю і слабую ядзерную сілу, у той час як аксіяны — гэта звышлёгкія часціцы, прапанаваныя для вырашэння некаторых праблем у Стандартнай мадэлі фізікі часціц.
2. Мадыфікацыя закона гравітацыі
Іншы, значна больш спрэчны варыянт, заключаецца ў тым, што цёмнай матэрыі зусім не існуе, а тое, што патрабуе змены, — гэта закон гравітацыі ў нашым сучасным разуменні. Такія тэорыі, як мадыфікаваная дынаміка Ньютана (MOND) і тэнзар-вектар-скалярная тэорыя гравітацыі (TeVeS), спрабуюць перагледзець закон гравітацыі, каб растлумачыць хуткасці кручэння галактык без неабходнасці цёмнай матэрыі.
3. МАЧО
MACHO, або масіўныя кампактныя аб'екты гало, — гэта надзвычай шчыльныя аб'екты, якія выпраменьваюць мала святла, такія як чорныя дзіркі, нейтронные зоркі і «няўдалыя» планеты, якія называюцца карычневымі карлікамі. Аднак назіранні паказваюць, што MACHO недастаткова, каб растлумачыць асноўную частку цёмнай матэрыі, неабходнай для вырашэння гравітацыйных анамалій.
Чаму цёмная матэрыя важная?
Важнасць цёмнай матэрыі ў сучаснай касмалогіі цяжка пераацаніць. Цёмная матэрыя ўплывае на фарміраванне і эвалюцыю буйных структур у Сусвеце, такіх як галактыкі і скопішчы галактык. Без цёмнай матэрыі галактыкі, верагодна, не ўтварыліся б, ці, прынамсі, не захаваліся б так, як яны існавалі сёння.
1. Структура Сусвету: Цёмная матэрыя выступае ў якасці «сталёвага каркаса» ў будынку космасу, забяспечваючы гравітацыйнае прыцягненне, неабходнае для ўтварэння структур, якія мы назіраем.
2. Глыбейшае разуменне: Адкрыццё таго, што такое цёмная матэрыя, можа адкрыць новыя веды ў фізіцы элементарных часціц, магчыма, нават прывесці да распрацоўкі новых законаў фізікі.
3. Эвалюцыя Сусвету: Цёмная матэрыя дае ўяўленне пра тое, як Сусвет эвалюцыянаваў ад свайго пачатковага стану пасля Вялікага выбуху да цяперашняй формы.
Будучыя выклікі і перспектывы
Даследаванні цёмнай матэрыі сутыкаюцца з мноствам праблем. Яе адсутнасць узаемадзеяння са святлом робіць яе выяўленне надзвычай складаным. Былі праведзены шматлікія эксперыменты па фіксацыі часціц цёмнай матэрыі з дапамогай складаных дэтэктараў часціц, але пакуль вынікі непераканаўчыя.
Чакаецца, што ў будучыні новыя прыборы, такія як Вялікі адронны калайдэр (ВАК) і ўдасканаленая абсерваторыя гравітацыйных хваль LIGO, дадуць дадатковыя падказкі пра прыроду і існаванне цёмнай матэрыі. Будучыя місіі, распрацаваныя рознымі касмічнымі агенцтвамі, таксама могуць даць новыя дадзеныя, якія могуць наблізіць нас да разумення гэтай вялікай таямніцы.
Выснова
Цёмная матэрыя — выдатная частка структуры Сусвету, якая адыгрывае вырашальную ролю ў дынаміцы і эвалюцыі галактык і іншых буйных структур. Хоць яе нельга ўбачыць непасрэдна, яе прысутнасць дэманструецца праз гравітацыйныя эфекты, якія назіраюцца ў многіх астранамічных з'явах. Дзякуючы бягучым даследаванням і эксперыментам мы спадзяемся калі-небудзь цалкам зразумець, што такое цёмная матэрыя і як яна ўплывае на Сусвет. Да таго часу цёмная матэрыя застаецца адной з самых цікавых таямніц, якія чакаюць свайго рашэння чалавецтвам.
