Харанхуй энерги ба харанхуй материйн тухай онолууд
Бидний ажиглаж буй орчлон ертөнц болох од, гариг, од хоорондын хий, галактикууд нь сансар огторгуйн зөвхөн багахан хэсгийг л төлөөлдөг. 20-р зууны сүүл үеэс хойш сансар судлаачид орчлон ертөнцийн хамгийн том бүрэлдэхүүн хэсэг нь бидэнд үнэндээ үл үзэгдэх гэдэгт улам бүр итгэх болсон. Энэ хэлэлцүүлэгт байнга гарч ирдэг хоёр нэр томъёо бол харанхуй бодис ба харанхуй энерги юм. Хоёулаа "харанхуй" гэсэн үг бөгөөд учир нь тэд гэрлийг амархан илрүүлэх байдлаар ялгаруулдаггүй, шингээдэггүй эсвэл тусгадаггүй; гэсэн хэдий ч тэдгээрийн сэжигтэй үүрэг, шинж чанарууд нь маш өөр юм. Энэ нийтлэлд харанхуй бодис ба харанхуй энергийн талаарх гол онолууд, тэдгээрийг дэмжиж буй ажиглалтын нотолгоо, орчин үеийн шинжлэх ухаанд тулгарч буй бэрхшээлүүдийн талаар авч үзэх болно.
Бидэнд яагаад "харанхуй" гэсэн ойлголт хэрэгтэй вэ?
Сансар судлалын хувьд онолууд ажиглалтын өгөгдөлтэй нийцэх ёстой. Одон орон судлаачид галактикуудын эргэлтийн хурд, гэрлийг хэрхэн нугалж байгаа (таталцлын линз), Их тэсрэлтээс үлдсэн цацрагийн хэв маягийг (Сансрын богино долгионы дэвсгэр/CMB) хэмжихэд үр дүн нь таталцал болон орчлон ертөнцийн хувьсалд нөлөөлдөг "ямар нэгэн зүйл" байгааг харуулж байна. Гэхдээ тэр "ямар нэгэн зүйл" нь од шиг гэрэлтдэг матери биш юм шиг санагддаг.
Нөгөөтэйгүүр, маш том сансрын хэмжээнд 1990-ээд оны сүүлээр Ia төрлийн суперновагийн ажиглалтууд гайхалтай баримтыг илчилсэн: орчлон ертөнцийн тэлэлт удааширдаггүй, харин хурдасч байна. Энэхүү хурдатгалыг тайлбарлахын тулд орон зай-цаг хугацааг улам хурдан тэлэхэд түлхэж буй сөрөг даралттай бүрэлдэхүүн хэсэг хэрэгтэй байв. Энэ бүрэлдэхүүн хэсгийг хожим нь харанхуй энерги гэж нэрлэжээ.
Харанхуй бодис: Гол онолууд ба нотолгоонууд
1. Галактикийн эргэлтийн муруй
Харанхуй бодисын сонгодог нотолгооны нэг нь спираль галактикуудын эргэлтийн муруйн хэмжилтээс үүдэлтэй юм. Ньютоны таталцлын дагуу галактикийн төвийг тойрон эргэлдэх оддын хурд нь төвөөс холдох тусам буурах ёстой. Гэсэн хэдий ч эсрэгээрээ ажиглагдаж байна: хурд нь галактикийн зах хүртэл өндөр бөгөөд "хавтгай" хэвээр байх хандлагатай байдаг. Энэ нь галактикийг тойрсон харанхуй бодисын гэрэлт цагираг үүсгэдэг өргөн тархсан нэмэлт масс байгааг харуулж байна.
2. Таталцлын линз
дагуу ерөнхий харьцангуйн, масс нь орон зай-цаг хугацааг нугалдаг тул их хэмжээний массын ойролцоо өнгөрөх гэрэл нугардаг. Олон сансрын системд (галактикийн бөөгнөрөл, дан галактик) таталцлын линзийн нөлөө нь гэрэлтдэг бодисоор тайлбарлаж болохоос илүү их хэмжээний массыг илтгэдэг. Үүний алдартай жишээ бол Сумны бөөгнөрөл бөгөөд массын тархалт (таталцлын линзээр дамжин ажиглагддаг) нь гэрэлтдэг халуун хийнээс (рентген туяанд харагддаг) тусгаарлагдсан байдаг. Энэ үзэгдлийг ихэвчлэн харанхуй бодис бол зүгээр л таталцлын талаарх буруу ойлголт биш, харин жинхэнэ бүрэлдэхүүн хэсэг гэдгийг батлах хүчтэй дэмжлэг гэж үздэг.
3. Сансрын дэвсгэр цацраг (CMB) ба том хэмжээний бүтэц
CMB нь эртний орчлон ертөнцийн нөхцөл байдлын "ул мөрийг" хадгалдаг. CMB-ийн жижиг хэлбэлзлийн хэв маягийг шинжилсний дараа сансар огторгуйн найрлагын тооцооллыг өгдөг. Үр дүн нь орчлон ертөнц ойролцоогоор ~5% ердийн бодис, ~27% харанхуй бодис, ~68% харанхуй энергиэс бүрддэг гэсэн загваруудтай нийцэж байна (тоо нь өгөгдлийн багцаас хамааран бага зэрэг өөрчлөгдөж болно). Харанхуй бодис нь мөн сансар огторгуйн бүтэц - галактикаас аварга том утаслаг хүртэл - ажиглагдсан шиг хурдан хэрхэн үүсч болохыг тайлбарлахад тусалдаг.
Харанхуй бодисын нэр дэвшигчид: Шинэ бөөмсөөс анхдагч хар нүх хүртэл
Хамгийн алдартай харанхуй материйн онол нь үүнийг бөөмсийн физикт бидний хараахан нээж илрүүлээгүй бөөмийн хэлбэртэй материйн хэлбэр гэж үздэг.
1. WIMP (Сул харилцан үйлчлэлцдэг массив хэсгүүд)
WIMP-үүд нэгэн цагт тэргүүлэх нэр дэвшигч байсан, учир нь тэд онолын хувьд өргөжиж буй загваруудад гарч ирж чаддаг байсан. бөөмийн физик мөн байгалийн жамаар "зөв" сансрын нягтралыг бий болгодог (ихэвчлэн "WIMP гайхамшиг" гэж нэрлэдэг). Гэсэн хэдий ч янз бүрийн шууд илрүүлэх туршилтууд (жишээлбэл, газар доорх мэдрэгч ашиглах) одоогоор итгэл үнэмшилтэй дохиог олж чадаагүй байна.
2. Аксион
Аксион нь анх хүчтэй харилцан үйлчлэлийн (QCD) онолын асуудлыг шийдвэрлэх зорилгоор санал болгосон таамаглалын бөөм юм. Аксионууд нь маш хөнгөн боловч маш олон тооны байж болох тул нийт массыг их хэмжээгээр бүрдүүлж, "хүйтэн" харанхуй материйн үүрэг гүйцэтгэдэг.
3. Ариутгасан нейтрино
Ердийн, сул харилцан үйлчлэлцдэг нейтриноос ялгаатай нь ариутгасан нейтриног илрүүлэхэд бүр ч хэцүү байдаг. Хэрэв байгаа бол тэдгээр нь тодорхой хэмжээний бүтцийн үүсэлд нөлөөлж, "дулаан" харанхуй бодис болж хувирдаг.
4. MACHO болон авсаархан объектууд
Хуурамч гаригууд, бүдэг одууд эсвэл бусад авсаархан объектууд (MACHO) зэрэг нэр дэвшигчдийг авч үзсэн боловч микролинзийн судалгаагаар тэдгээр нь харанхуй бодисыг тайлбарлахад хангалттай олон биш байгааг харуулж байна. Мөн эртний хар нүхнүүд (хамгийн эртний орчлон ертөнцөд үүссэн) гэсэн санаа байдаг ч ажиглалтын хязгаарлалт нь тэдгээрийг бүх харанхуй бодисын цорын ганц тайлбар гэж үзэхийг хэцүү болгодог.
Хувилбар: Таталцлын өөрчлөлт (MOND болон найзууд)
Зарим эрдэмтэд "үл үзэгдэх бодис" нэмэхийн оронд галактикийн хэмжээний таталцлын талаарх бидний ойлголт алдаатай гэж үздэг. MOND (Өөрчлөгдсөн Ньютоны динамик) зэрэг онолууд нь маш бага хурдатгалын хувьд Ньютоны хуулиудыг өөрчилж, эргэлтийн муруйг харанхуй бодисгүйгээр тайлбарлах боломжийг олгодог.
Гэсэн хэдий ч өөрчлөгдсөн таталцлын онолуудын гол бэрхшээл бол бүх нотолгоог нэг дор тайлбарлах явдал юм, ялангуяа Bullet Cluster болон CMB-ийн тогтвортой байдал гэх мэт үзэгдлүүдийг тайлбарлах явдал юм. MOND-ийн харьцангуй хөгжил (жишээлбэл, TeVeS) гарсан боловч одоогоор харанхуй материйн загварууд нь олон янзын өгөгдөлд илүү "бүрэн" нийцэж байна.
Харанхуй энерги: Энэ юу вэ, яагаад оршин байдаг гэж үздэг вэ?
Орчлон ертөнцийн хурдацтай тэлэлтийг тайлбарлахын тулд харанхуй энергийг санал болгосон. Харьцангуйн ерөнхий онолын хүрээнд энэхүү хурдатгал нь сөрөг даралттай энергийн бүрэлдэхүүн хэсгээс үүдэлтэй байж болно. Энгийнээр хэлбэл, харанхуй энерги их байх тусам сансрын хэмжээнд орон зай илүү хурдан тэлдэг.
Харанхуй энергийн гол нотолгоонууд нь:
– Ia төрлийн хэт шинэ од нь сансрын зайг хэмжих "стандарт лаа" болж үйлчилдэг. Хэрэв тэлэлт удааширч байвал алсын хэт шинэ од нь хүлээгдэж байснаас бүрхэг харагддаг.
– CMB болон барионы акустик хэлбэлзэл (BAO) нь тэлэлтийн түүхийг хянах “сансрын захирагч” болдог.
– Тэлэлтийн хурдад мэдрэмтгий том хэмжээний байгууламжийн тархалт.
Харанхуй энергийн онол : Сансар огторгуйн тогтмолоос квинтэссенция хүртэл
1. Сансар судлалын тогтмол (Λ)
Хамгийн энгийн тайлбар бол Эйнштейний сансар судлалын тогтмол юм: нягтрал нь цаг хугацааны явцад тогтмол хэвээр байдаг вакуум энерги. Орчин үеийн сансар судлалын стандарт загварыг ихэвчлэн ΛCDM гэж бичдэг бөгөөд Λ нь харанхуй энерги, CDM нь "хүйтэн харанхуй бодис" юм. Энэ загвар нь өгөгдлийн ихэнх хэсгийг тайлбарлахад гайхалтай амжилттай болсон.
Асуудал нь: физикчид квант онолоос вакуум энергийг тооцоолохыг оролдох үед үр дүн нь ажиглагдсанаас хамаагүй их байдаг - ялгаа нь маш их байж болно. Үүнийг сансрын тогтмолын асуудал гэж нэрлэдэг.
2. Квинтэссенц
Энэ загварт харанхуй энерги нь тогтмол биш, харин цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг динамик скаляр талбараас үүсдэг. Энэ нь харанхуй энергийн нягтралыг хувьсах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь (онолын хувьд) сансрын тогтмолын "хачин байдлыг" бууруулж болзошгүй юм. Гэсэн хэдий ч харанхуй энергийн зан төлөвийг тогтмолтой ойролцоо харуулсан ажиглалтын өгөгдөлтэй зөрчилдөхөөс зайлсхийхийн тулд энэ загварыг сайтар тайлбарлах ёстой.
3. “Хий үзэгдэл”-ийн харанхуй энерги ба өөрчлөгдсөн харьцангуйн онол
Харанхуй энергийн төлөвийн параметр (w)-ийг -1 ("хий үзэгдэл")-ээс бага байлгахыг зөвшөөрдөг загварууд байдаг бөгөөд энэ нь Их Урвалт гэх мэт хэт туйлширсан нөхцөл байдалд хүргэж болзошгүй юм. Мөн том хэмжээний таталцлын онолыг өөрчилдөг аргууд байдаг (жишээлбэл, f(R) таталцал), ингэснээр хурдатгал нь тусдаа харанхуй энергийн бүрэлдэхүүн хэсэггүйгээр гарч ирдэг.
Сорилтууд ба ирээдүйн судалгааны чиглэлүүд
Хэдийгээр ΛCDM нь сансар судлалын "стандарт" загвар болсон ч олон үндсэн асуултууд нээлттэй хэвээр байна:
– Харанхуй бодисын бөөмсийн мөн чанар юу вэ? Яагаад тэдгээрийг лабораторид илрүүлээгүй вэ?
– Харанхуй энерги үнэхээр сансар судлалын тогтмол мөн үү? Эсвэл цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөг үү?
– Хабблын хурцадмал байдал: Орчлон ертөнцийн одоогийн тэлэлтийн хурд (H0)-ийн CMB болон орон нутгийн хэмжилтүүдээс авсан хэмжилтүүд заримдаа төгс тохирохгүй байгаа нь шинэ физикийн боломжийг нэмэгдүүлж байна.
Үүнийг шийдвэрлэхийн тулд янз бүрийн ажиглалт болон туршилтын төслүүд хэрэгжиж байна: том галактикийн судалгаа, илүү нарийвчлалтай таталцлын линзийн хэмжилт, шинэ үеийн бөөмийн илрүүлэгч, BAO-ийн улам бүр нарийвчилсан зураглал. Тооцооллын дэвшил нь сансрын бүтцийн үүслийн симуляцид тусалж, харанхуй бодисын хувилбарууд болон хувилбаруудыг ялгаж байна.
Хаах
Харанхуй бодис ба харанхуй энерги нь орчлон ертөнцийн талаарх бидний орчин үеийн ойлголтыг бүрдүүлдэг хоёр гол ойлголт юм. Харанхуй бодис нь галактик болон галактикийн бөөгнөрөлд үзүүлэх таталцлын нөлөөгөөр голчлон "харагддаг" байдаг бол харанхуй энерги нь орчлон ертөнцийн хурдацтай тэлэлтийг тайлбарлах хэрэгцээ шаардлагаас үүдэлтэй юм. Аль нь ч бүрэн ойлгогдоогүй байгаа ч энэ хоёрыг хослуулсан ΛCDM загвар нь олон ажиглалтыг харьцуулахдаа гайхалтай амжилттай болсон нь батлагдсан.
Гэхдээ энэ амжилт бол түүхийн төгсгөл биш юм. Үнэндээ сансар огторгуйн ихэнх хэсгийг бүрхсэн "харанхуй" нь үндсэн физикийн давхаргууд нээгдээгүй байгааг илтгэж байна. Ажиглалтын технологи хурцдаж, бөөмсийн туршилтууд илүү мэдрэмтгий болохын хэрээр бид том асуултуудад хариулахад ойртож байна: харанхуй бодис шинэ бөөм үү, харанхуй энерги нь хоосон орон зайн шинж чанар уу, эсвэл бид таталцлын талаарх ойлголтоо өөрчлөх шаардлагатай юу.
