Караңгы энергия жана караңгы материя жөнүндөгү теориялар
Биз байкаган аалам — жылдыздар, планеталар, жылдыздар аралык газ жана галактикалар — космостун кичинекей гана бөлүгүн түзөт. 20-кылымдын аягынан бери космологдор ааламдын эң чоң компоненти чындыгында биз үчүн көрүнбөйт дегенге барган сайын көбүрөөк ишене башташты. Бул талкууда көп кездешкен эки термин — караңгы материя жана караңгы энергия. Экөө тең "караңгы", анткени алар жарыкты оңой аныктала тургандай кылып чыгарышпайт, сиңиришпейт же чагылдырышпайт; бирок, алардын шектүү ролдору жана касиеттери абдан айырмаланат. Бул макалада караңгы материя жана караңгы энергия жөнүндөгү негизги теориялар, аларды колдогон байкоо далилдери жана заманбап илим дагы эле туш болуп жаткан кыйынчылыктар талкууланат.
Эмне үчүн бизге "караңгы" деген түшүнүк керек?
Космологияда теориялар байкоо маалыматтары менен дал келиши керек. Астрономдор галактикалардын айлануу ылдамдыктарын, алардын жарыкты ийүү ыкмасын (гравитациялык линзалоо) жана Чоң жарылуудан калган радиациялык үлгүлөрдү (Космостук микротолкундуу фон/CMB) өлчөгөндө, жыйынтыктар гравитацияга жана ааламдын эволюциясына кошумча таасир этүүчү "бир нерсе" бар экенин көрсөтүп турат. Бирок ал "бир нерсе" жылдыздар сыяктуу жаркыраган материя эмес окшойт.
Башка жагынан алганда, 1990-жылдардын аягында Ia тибиндеги суперновалардын абдан чоң космостук масштабда байкоолору таң калыштуу бир фактыны көрсөттү: ааламдын кеңейиши жайлабай, тескерисинче, тездеп баратат. Бул ылдамданууну түшүндүрүү үчүн мейкиндик-убакытты барган сайын тезирээк кеңейүүгө түрткөн терс басымга ээ компонент керек болгон. Бул компонент кийинчерээк караңгы энергия деп аталган.
Караңгы материя: Негизги теориялар жана далилдер
1. Галактиканын айлануу ийри сызыгы
Караңгы заттын классикалык далилдеринин бири спираль галактикалардын айлануу ийри сызыктарын өлчөөдөн келип чыгат. Ньютондун тартылуу күчү боюнча, галактиканын борборун айланып жүргөн жылдыздардын ылдамдыгы борбордон алыстаган сайын азайышы керек. Бирок, тескерисинче байкалат: ылдамдык галактиканын четине чейин жогору жана "жалпак" бойдон калууга умтулат. Бул галактиканы курчап турган караңгы заттын галосун пайда кылган кошумча массанын кеңири тараганын көрсөтүп турат.
2. Гравитациялык линза
Ылайык жалпы салыштырмалуулук теориясы, масса мейкиндик-убакытты бүгүп, чоң массанын жанынан өткөн жарык бүгүлөт. Көптөгөн космостук системаларда (галактика кластерлери, бир галактикалар) гравитациялык линзалоо эффекттери жарык берүүчү материя менен түшүндүрүүгө мүмкүн болбогондон да көп массаны көрсөтөт. Белгилүү мисал - Ок кластери, мында массанын бөлүштүрүлүшү (гравитациялык линзалоо аркылуу байкалат) жарык берүүчү ысык газдан (рентген нурларында көрүнөт) бөлүнөт. Бул кубулуш көбүнчө караңгы материянын чыныгы компонент экенин, жөн гана тартылуу күчү жөнүндөгү туура эмес түшүнүк эмес экенин күчтүү колдоо катары каралат.
3. Космостук фон радиациясы (КФР) жана ири масштабдуу түзүлүш
CMB алгачкы ааламдагы шарттардын "изин" сактайт. CMBдеги кичинекей флуктуациялык үлгүлөр талданганда, космостун курамын болжолдуу түрдө баалайт. Жыйынтыктар аалам болжол менен ~5% кадимки заттан, ~27% караңгы заттан жана ~68% караңгы энергиядан турат деген моделдерге дал келет (сандар маалыматтар топтомуна жараша бир аз өзгөрүшү мүмкүн). Караңгы зат ошондой эле космостук түзүлүштөрдүн - галактикалардан тартып гигант жипчелерге чейин - байкалгандай тездик менен кантип пайда боло аларын түшүндүрүүгө жардам берет.
Караңгы заттын талапкерлери: Жаңы бөлүкчөлөрдөн алгачкы кара тешиктерге чейин
Эң популярдуу караңгы зат теориясы аны биз бөлүкчөлөр физикасында али ача элек бөлүкчөлөр түрүндөгү заттын бир түрү деп болжолдойт.
1. WIMP (алсыз өз ара аракеттенүүчү массивдүү бөлүкчөлөр)
WIMPтер бир кезде алдыңкы талапкер болгон, анткени алар теориялык жактан кеңейип жаткан моделдерде пайда боло алышкан. бөлүкчөлөр физикасы жана табигый түрдө "туура" космостук тыгыздыкты жаратат (көбүнчө "WIMP керемети" деп аталат). Бирок, ар кандай түз аныктоо эксперименттери (мисалы, жер астындагы детекторлорду колдонуу менен) азырынча ынандырарлык сигнал таба алган жок.
2. Аксион
Аксион – бул башында күчтүү өз ара аракеттенүүлөр теориясындагы (КӨТ) маселени чечүү үчүн сунушталган гипотетикалык бөлүкчө. Аксиондор өтө жеңил, бирок абдан көп болушу мүмкүн, ошентип, жалпы массанын көп бөлүгүн түзүп, "муздак" караңгы материя катары иш алып барат.
3. Стерилдүү нейтринолор
Кадимки, алсыз өз ара аракеттенүүчү нейтринолордон айырмаланып, стерилдүү нейтринолорду аныктоо андан да кыйын. Эгерде алар бар болсо, алар белгилүү бир масштабда түзүлүштүн пайда болушуна таасир этип, "жылуу" караңгы зат катары иштеши мүмкүн.
4. MACHO жана компакттуу объектилер
Караңгы планеталар, алсыз жылдыздар же башка компакттуу объектилер (MACHO) сыяктуу талапкерлер каралып келген, бирок микролинзалоо боюнча жүргүзүлгөн изилдөөлөр алардын караңгы материяны түшүндүрүүгө жетиштүү санда эместигин көрсөтүп турат. Ошондой эле алгачкы кара тешиктер (эң алгачкы ааламда пайда болгон) идеясы бар, бирок байкоо жүргүзүүнүн чектөөлөрү алардын бардык караңгы материя үчүн жалгыз түшүндүрмө болушун кыйындатат.
Альтернатива: Тартылуу күчүн өзгөртүү (MOND жана достору)
Айрым окумуштуулар галактикалык масштабдагы тартылуу күчү жөнүндөгү түшүнүгүбүз туура эмес деп божомолдошот. MOND (Модификацияланган Ньютон динамикасы) сыяктуу теориялар Ньютондун мыйзамдарын өтө кичинекей ылдамдануулар үчүн өзгөртүп, айлануу ийри сызыктарын караңгы материясыз түшүндүрүүгө мүмкүндүк берет.
Бирок, модификацияланган гравитация теориялары үчүн негизги кыйынчылык - бардык далилдерди бир эле учурда түшүндүрүү, айрыкча Bullet Cluster жана CMB ырааттуулугу сыяктуу кубулуштар. MONDдун релятивисттик өнүгүүлөрү болгон (мисалы, TeVeS), бирок азырынча караңгы заттын моделдери ар түрдүү маалыматтарды шайкеш келтирүүдө "толук" болуп келген.
Караңгы энергия: бул эмне жана ал эмне үчүн бар деп эсептелет?
Ааламдын кеңейишинин тездешин түшүндүрүү үчүн караңгы энергия сунушталган. Жалпы салыштырмалуулук теориясынын алкагында бул ылдамдануу терс басымга ээ болгон энергия компонентинен келип чыгышы мүмкүн. Жөнөкөй сөз менен айтканда, караңгы энергия канчалык көп болсо, космос космостук масштабда ошончолук тез кеңейет.
Караңгы энергиянын негизги далилдери төмөнкүлөрдү камтыйт:
– Ia тибиндеги супернова жаркыроолору космостук аралыктарды өлчөө үчүн "стандарттык шамдар" катары кызмат кылат. Эгерде кеңейүү жайлап жатса, алыскы супернова жаркыроолору күтүлгөндөн күңүрт көрүнөт.
– CMB жана бариондук акустикалык термелүүлөр (BAO) кеңейүү тарыхын көзөмөлдөө үчүн "космостук сызгычты" камсыз кылат.
– Кеңейүү темптерине сезгич ири масштабдуу курулмалардын жайылышы.
Караңгы энергия теориясы : Космологиялык туруктуудан квинтэссенцияга чейин
1. Космологиялык туруктуу (Λ)
Эң жөнөкөй түшүндүрмө - Эйнштейндин космологиялык константасы: тыгыздыгы убакыттын өтүшү менен туруктуу бойдон калган вакуум энергиясы. Заманбап космологиянын стандарттуу модели көбүнчө ΛCDM деп жазылат, мында Λ караңгы энергия, ал эми CDM "муздак караңгы зат" болуп саналат. Бул модель маалыматтардын көпчүлүгүн түшүндүрүүдө абдан ийгиликтүү.
Маселе: физиктер вакуум энергиясын кванттык теориядан эсептөөгө аракет кылганда, натыйжалар байкалгандан алда канча чоң болот — айырма өтө чоң болушу мүмкүн. Бул космологиялык туруктуу маселеси катары белгилүү.
2. Квинтессенс
Бул моделде караңгы энергия туруктуу эмес, тескерисинче, убакыттын өтүшү менен өзгөрүп турган динамикалык скалярдык талаадан келип чыгат. Бул караңгы энергиянын тыгыздыгынын өнүгүшүнө мүмкүндүк берет, бул (теория боюнча) космологиялык туруктуунун "кызыктайлыгын" азайтышы мүмкүн. Бирок, бул моделди туруктууга жакын караңгы энергиянын жүрүм-турумун көрсөткөн байкоо маалыматтарына карама-каршы келбөө үчүн кылдаттык менен чечмелөө керек.
3. "Элес" караңгы энергиясы жана модификацияланган салыштырмалуулук теориясы
Караңгы энергиянын абалынын параметрин (w) -1ден ("фантом") кичине кылууга мүмкүндүк берген моделдер бар, бул Чоң Рип сыяктуу экстремалдык сценарийлерге алып келиши мүмкүн. Ошондой эле, чоң масштабдагы тартылуу күчү теориясын өзгөрткөн ыкмалар бар (мисалы, f(R) тартылуу күчү), ошондуктан ылдамдануу өзүнчө караңгы энергия компонентисиз пайда болот.
Кыйынчылыктар жана келечектеги изилдөө багыттары
ΛCDM космологиянын "стандарттык" моделине айланганы менен, көптөгөн фундаменталдык суроолор ачык бойдон калууда:
– Караңгы заттын бөлүкчөлөрүнүн окшоштугу эмнеде? Эмне үчүн алар лабораторияда аныкталган эмес?
– Караңгы энергия чын эле космологиялык туруктуубу? Же ал убакыттын өтүшү менен өзгөрүп турабы?
– Хаббл чыңалуу: ааламдын учурдагы кеңейүү ылдамдыгынын (H0) CMBден жана жергиликтүү өлчөөлөрдөн алынган өлчөөлөрү кээде толук дал келбейт, бул жаңы физиканын мүмкүнчүлүгүн жогорулатат.
Бул маселени чечүү үчүн ар кандай байкоо жана эксперименталдык долбоорлор ишке ашырылууда: ири галактикаларды изилдөө, гравитациялык линзалоону так өлчөө, жаңы муундагы бөлүкчөлөрдү детекторлор жана BAOлорду барган сайын деталдуу картага түшүрүү. Эсептөөчү жетишкендиктер ошондой эле космостук түзүлүштүн пайда болушун симуляциялоого, караңгы заттын сценарийлери менен альтернативаларын айырмалоого жардам берүүдө.
Penutup
Караңгы материя жана караңгы энергия – бул аалам жөнүндөгү заманбап түшүнүгүбүздү калыптандырган эки негизги түшүнүк. Караңгы материя, негизинен, галактикаларга жана галактика кластерлерине тартылуу күчү аркылуу "көрүнөт", ал эми караңгы энергия ааламдын тездеп кеңейишин түшүндүрүү зарылдыгынан келип чыккан. Экөө тең толук түшүнүктүү болбосо да, экөөнү айкалыштырган ΛCDM модели көптөгөн байкоолорду дал келтирүүдө абдан ийгиликтүү болуп чыкты.
Бирок бул ийгилик окуянын аягы эмес. Чындыгында, космостун көпчүлүк бөлүгүн каптаган "караңгылык" фундаменталдык физиканын катмарлары али ачыла электигин көрсөтүп турат. Байкоо технологиясы курчуп, бөлүкчөлөр менен эксперименттер сезимтал болуп калган сайын, биз чоң суроолорго жооп берүүгө жакындап баратабыз: караңгы материя жаңы бөлүкчөбү, караңгы энергия бош мейкиндиктин касиетиби же тартылуу күчү жөнүндөгү түшүнүгүбүздү кайра карап чыгышыбыз керекпи?
