Մութ էներգիայի և մութ նյութի մասին տեսություններ

Մութ էներգիայի և մութ նյութի մասին տեսություններ

Մեր դիտարկած տիեզերքը՝ աստղերը, մոլորակները, միջաստղային գազը և գալակտիկաները, ներկայացնում են տիեզերքի միայն մի փոքր մասը։ 20-րդ դարի վերջից ի վեր տիեզերագետները գնալով ավելի են համոզվում, որ տիեզերքի ամենամեծ բաղադրիչը իրականում մեզ համար անտեսանելի է։ Այս քննարկման մեջ հաճախ հանդիպող երկու տերմիններն են՝ մութ նյութը և մութ էներգիան։ Երկուսն էլ «մութ» են, քանի որ չեն արձակում, չեն կլանում կամ չեն արտացոլում լույսը այնպես, որ հեշտությամբ հայտնաբերվի. սակայն դրանց ենթադրյալ դերերն ու հատկությունները շատ տարբեր են։ Այս հոդվածը քննարկում է մութ նյութի և մութ էներգիայի մասին հիմնական տեսությունները, դրանք հաստատող դիտողական ապացույցները և այն մարտահրավերները, որոնց դեռևս բախվում է ժամանակակից գիտությունը։

Ինչո՞ւ է մեզ անհրաժեշտ «մութ» հասկացությունը։

Տիեզերագիտության մեջ տեսությունները պետք է համապատասխանեն դիտարկման տվյալներին: Երբ աստղագետները չափում են գալակտիկաների պտտման արագությունները, լույսի կորացման ձևը (գրավիտացիոն ոսպնյակավորում) և Մեծ պայթյունից (Տիեզերական միկրոալիքային ֆոն/ԿՄՖ) մնացած ճառագայթման օրինաչափությունները, արդյունքները ենթադրում են, որ կա «ինչ-որ բան», որը լրացուցիչ ազդում է ձգողության և տիեզերքի էվոլյուցիայի վրա: Սակայն այդ «ինչ-որ բանը» կարծես թե լուսատու նյութ չէ, ինչպես աստղերը:

Մյուս կողմից, շատ մեծ տիեզերական մասշտաբով, 1990-ականների վերջին Ia տիպի գերնոր աստղերի դիտարկումները բացահայտեցին մի զարմանալի փաստ. տիեզերքի ընդարձակումը չի դանդաղում, այլ արագանում է: Այս արագացումը բացատրելու համար անհրաժեշտ էր բացասական ճնշում ունեցող բաղադրիչ, որը տարածաժամանակը մղում էր ավելի ու ավելի արագ ընդարձակվելու: Այս բաղադրիչը հետագայում անվանվեց մութ էներգիա:

Մութ նյութ. Հիմնական տեսություններ և ապացույցներ

1. Գալակտիկայի պտույտի կորը
Մութ նյութի գոյության դասական ապացույցներից մեկը պարուրաձև գալակտիկաների պտտման կորերի չափումներն են: Նյուտոնյան ձգողականության համաձայն՝ գալակտիկայի կենտրոնը պտտվող աստղերի արագությունը պետք է նվազի կենտրոնից հեռավորության մեծացմանը զուգընթաց: Սակայն նկատվում է հակառակը. արագությունը հակված է մնալ բարձր և «հարթ» գալակտիկայի եզրից շատ հեռու: Սա ենթադրում է, որ կա լրացուցիչ զանգված, որը լայնորեն բաշխված է, ձևավորելով գալակտիկան շրջապատող մութ նյութի հալո:

2. Գրավիտացիոն ոսպնյակ
Համաձայն ընդհանուր հարաբերականություն, զանգվածը ծռում է տարածաժամանակը այնպես, որ մեծ զանգվածի մոտով անցնող լույսը ծռվում է։ Շատ տիեզերական համակարգերում (գալակտիկաների կույտեր, առանձին գալակտիկաներ) գրավիտացիոն ոսպնյակավորման էֆեկտները ցույց են տալիս ավելի մեծ զանգված, քան կարելի է բացատրել լուսատու նյութով։ Հայտնի օրինակ է գնդակային կույտը, որտեղ զանգվածի բաշխումը (որը հետևվում է գրավիտացիոն ոսպնյակավորման միջոցով) առանձնացված է լուսատու տաք գազից (որը երևում է ռենտգենյան ճառագայթներում)։ Այս երևույթը հաճախ համարվում է որպես ուժեղ ապացույց այն բանի, որ մութ նյութը իրական բաղադրիչ է, այլ ոչ թե պարզապես ձգողականության սխալ պատկերացում։

3. Տիեզերական ֆոնային ճառագայթում (ՏՖՃ) և մեծածավալ կառուցվածք
Մութ նյութը պահպանում է վաղ տիեզերքի պայմանների «հետքը»։ Մութ նյութի փոքր տատանումների օրինաչափությունները, վերլուծելիս, հնարավորություն են տալիս գնահատել տիեզերքի կազմը։ Արդյունքները համապատասխանում են այն մոդելներին, որոնք ենթադրում են, որ տիեզերքը կազմված է մոտավորապես ~5% սովորական նյութից, ~27% մութ նյութից և ~68% մութ էներգիայից (թվերը կարող են փոքր-ինչ տարբերվել՝ կախված տվյալների բազմությունից)։ Մութ նյութը նաև օգնում է բացատրել, թե ինչպես կարող են տիեզերական կառուցվածքները՝ գալակտիկաներից մինչև հսկա թելեր, ձևավորվել այնքան արագ, որքան դիտարկվում է։

Մութ նյութի թեկնածուներ. նոր մասնիկներից մինչև նախնադարյան սև խոռոչներ

Մութ նյութի ամենատարածված տեսությունը ենթադրում է, որ դա նյութի մի ձև է մասնիկների տեսքով, որը մենք դեռևս չենք հայտնաբերել մասնիկային ֆիզիկայում։

1. WIMP (Թույլ փոխազդող զանգվածային մասնիկներ)
WIMP-ները մի ժամանակ առաջատար թեկնածուներն էին, քանի որ տեսականորեն կարող էին հայտնվել ընդլայնվող մոդելներում։ մասնիկների ֆիզիկա և բնականաբար առաջացնում են «ճիշտ» տիեզերական խտություն (հաճախ անվանում են «WIMP հրաշք»): Այնուամենայնիվ, տարբեր ուղղակի հայտնաբերման փորձեր (օրինակ՝ ստորգետնյա դետեկտորների օգտագործմամբ) մինչ օրս չեն կարողացել գտնել համոզիչ ազդանշան:

2. Աքսիոն
Աքսիոնը հիպոթետիկ մասնիկ է, որն սկզբնապես առաջարկվել է ուժեղ փոխազդեցությունների տեսության (ՔԿՎ) մի խնդիր լուծելու համար։ Աքսիոնները կարող են լինել շատ թեթև, բայց միևնույն ժամանակ շատ մեծ թվով, այդպիսով մեծ քանակությամբ նպաստելով ընդհանուր զանգվածին և գործելով որպես «սառը» մութ նյութ։

3. Ստերիլ նեյտրինոներ
Ի տարբերություն սովորական, թույլ փոխազդող նեյտրինոների, ստերիլ նեյտրինոները նույնիսկ ավելի դժվար է հայտնաբերել։ Եթե դրանք առկա են, դրանք կարող են գործել որպես «տաք» մութ նյութ՝ ազդելով կառուցվածքի ձևավորման վրա որոշակի մասշտաբով։

4. MACHO և կոմպակտ օբյեկտներ
Դիտարկվել են այնպիսի թեկնածուներ, ինչպիսիք են թափառող մոլորակները, թույլ աստղերը կամ այլ կոմպակտ մարմինները (MACHO), սակայն միկրոլինզավորման հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ դրանք բավականաչափ շատ չեն մութ նյութը բացատրելու համար: Կա նաև նախնադարյան սև խոռոչների գաղափարը (որոնք ձևավորվել են շատ վաղ տիեզերքում), սակայն դիտարկման սահմանափակումները դժվարացնում են դրանց միակ բացատրությունը լինելը բոլոր մութ նյութի համար:

Այլընտրանք. Գրավիտացիայի փոփոխություն (MOND և ընկերներ)

«Անտեսանելի նյութ» ավելացնելու փոխարեն, որոշ գիտնականներ ենթադրել են, որ գալակտիկական մասշտաբով ձգողականության մեր ըմբռնումը թերի է: MOND-ի (Փոփոխված Նյուտոնյան դինամիկա) նման տեսությունները փոփոխում են Նյուտոնի օրենքները շատ փոքր արագացումների համար, թույլ տալով բացատրել պտտման կորերը առանց մութ նյութի:

Այնուամենայնիվ, փոփոխված գրավիտացիոն տեսությունների հիմնական մարտահրավերը բոլոր ապացույցների միաժամանակյա բացատրությունն է, հատկապես այնպիսի երևույթների, ինչպիսիք են «Գնդակների կլաստերը» և CMB-ի հետևողականությունը: MOND-ի ռելյատիվիստական ​​զարգացումներ եղել են (օրինակ՝ TeVeS), բայց մինչ այժմ մութ նյութի մոդելներն ավելի «ամբողջական» են եղել բազմազան տվյալները տեղավորելու հարցում:

Մութ էներգիա. Ի՞նչ է դա և ինչո՞ւ են կարծում, որ այն գոյություն ունի։

Մութ էներգիան առաջարկվել է տիեզերքի արագացող ընդարձակումը բացատրելու համար: Ընդհանուր հարաբերականության տեսության շրջանակներում այս արագացումը կարող է առաջանալ բացասական ճնշման էներգիայի բաղադրիչով: Պարզ ասած՝ որքան շատ մութ էներգիա կա, այնքան ավելի արագ է տարածությունը ընդարձակվում տիեզերական մասշտաբով:

Մութ էներգիայի հիմնական ապացույցները ներառում են.
– Ia տիպի գերնոր աստղերը ծառայում են որպես «ստանդարտ մոմեր» տիեզերական հեռավորությունները չափելու համար: Հեռավոր գերնոր աստղերը ավելի մշուշոտ են թվում, քան սպասվում էր, եթե ընդարձակումը դանդաղում է:
– CMB-ն և բարիոնային ակուստիկ տատանումները (BAO) ծառայում են որպես «տիեզերական քանոն» ընդարձակման պատմությունը հետևելու համար։
– Մեծածավալ կառույցների բաշխումը, որոնք զգայուն են ընդարձակման տեմպերի նկատմամբ։

Մութ էներգիայի տեսություն . Կոսմոլոգիական հաստատունից մինչև քվինտեսենցիա

1. Կոսմոլոգիական հաստատուն (Λ)
Ամենապարզ բացատրությունը Այնշտայնի տիեզերաբանական հաստատունն է՝ վակուումային էներգիա, որի խտությունը ժամանակի ընթացքում մնում է անփոփոխ։ Ժամանակակից տիեզերագիտության ստանդարտ մոդելը հաճախ գրվում է որպես ΛCDM, որտեղ Λ-ն մութ էներգիան է, իսկ CDM-ը՝ «սառը մութ նյութ»։ Այս մոդելը զարմանալիորեն հաջողությամբ է բացատրում տվյալների մեծ մասը։

Խնդիրը. երբ ֆիզիկոսները փորձում են հաշվարկել վակուումի էներգիան քվանտային տեսությունից, արդյունքները շատ ավելի մեծ են, քան դիտարկվում է. տարբերությունը կարող է ծայրահեղ լինել: Սա հայտնի է որպես տիեզերաբանական հաստատունի խնդիր:

2. Կվինտեսսենտություն
Այս մոդելում մութ էներգիան հաստատուն չէ, այլ առաջանում է դինամիկ սկալյար դաշտից, որը ժամանակի ընթացքում փոխվում է։ Սա թույլ է տալիս մութ էներգիայի խտությանը զարգանալ, ինչը (տեսականորեն) կարող է նվազեցնել տիեզերական հաստատունի «տարօրինակությունը»։ Այնուամենայնիվ, այս մոդելը պետք է ուշադիր մեկնաբանվի՝ խուսափելու համար հակասական դիտարկումային տվյալներից, որոնք ցույց են տալիս հաստատունին մոտ մութ էներգիայի վարքագիծ։

3. «Ֆանտոմ» մութ էներգիա և փոփոխված հարաբերականություն
Կան մոդելներ, որոնք թույլ են տալիս, որ մութ էներգիայի վիճակի պարամետրը (w) փոքր լինի -1-ից («ֆանտոմ»), ինչը կարող է հանգեցնել ծայրահեղ սցենարների, ինչպիսին է Մեծ Պատռվածքը: Կան նաև մոտեցումներ, որոնք փոփոխում են ձգողականության տեսությունը մեծ մասշտաբներում (օրինակ՝ f(R) ձգողականություն) այնպես, որ արագացումը հայտնվի առանց առանձին մութ էներգիայի բաղադրիչի:

Մարտահրավերներ և ապագա հետազոտությունների ուղղություններ

Չնայած ΛCDM-ը դարձել է տիեզերագիտության «ստանդարտ» մոդելը, շատ հիմնարար հարցեր մնում են բաց.
– Ո՞րն է մութ նյութի մասնիկների ինքնությունը։ Ինչո՞ւ դրանք չեն հայտնաբերվել լաբորատորիայում։
– Մութ էներգիան իսկապե՞ս տիեզերական հաստատուն է։ Կամ այն ​​ժամանակի ընթացքում փոխվո՞ւմ է։
– Հաբլի լարվածություն. տիեզերքի ներկայիս ընդարձակման արագության (H0) չափումները՝ ստացված տիեզերքի տիեզերական աստղադիտակից և տեղային չափումներից, երբեմն կատարելապես չեն համընկնում, ինչը մեծացնում է նոր ֆիզիկայի ստեղծման հնարավորությունը։

Այս խնդիրը լուծելու համար իրականացվում են տարբեր դիտողական և փորձարարական նախագծեր՝ խոշոր գալակտիկաների հետազոտություններ, ավելի ճշգրիտ գրավիտացիոն ոսպնյակավորման չափումներ, նոր սերնդի մասնիկների դետեկտորներ և BAO-ների ավելի ու ավելի մանրամասն քարտեզագրում: Հաշվողական առաջընթացները նույնպես նպաստում են տիեզերական կառուցվածքի ձևավորման մոդելավորմանը՝ տարբերակելով մութ նյութի սցենարները այլընտրանքային տարբերակներից:

Penutup

Մութ նյութը և մութ էներգիան երկու հիմնական հասկացություններ են, որոնք ձևավորում են տիեզերքի մեր ժամանակակից ընկալումը: Մութ նյութը հիմնականում «տեսանելի» է գալակտիկաների և գալակտիկաների կույտերի վրա իր գրավիտացիոն ազդեցության միջոցով, մինչդեռ մութ էներգիան առաջացել է տիեզերքի արագացող ընդարձակումը բացատրելու անհրաժեշտությունից: Չնայած երկուսն էլ լիովին հասկանալի չեն, ΛCDM մոդելը, որը համատեղում է երկուսը, զարմանալիորեն հաջողակ է եղել բազմաթիվ դիտարկումների համադրման հարցում:

Սակայն այս հաջողությունը պատմության ավարտը չէ։ Իրականում, տիեզերքի մեծ մասը պարուրող «մթությունը» հուշում է, որ դեռևս կան հիմնարար ֆիզիկայի շերտեր, որոնք դեռ պետք է բացահայտվեն։ Քանի որ դիտարկման տեխնոլոգիաները սրվում են, և մասնիկների փորձերը դառնում են ավելի զգայուն, մենք մոտենում ենք մեծ հարցերի պատասխաններին. մութ նյութը նոր մասնիկ է, մութ էներգիան դատարկ տարածության հատկություն է, թե՞ մենք պետք է վերանայենք մեր պատկերացումները ձգողականության մասին։