Назарияҳо дар бораи энергияи торик ва материяи торик
Коиноте, ки мо мушоҳида мекунем — ситорагон, сайёраҳо, гази байниситораӣ ва галактикаҳо — танҳо як қисми ночизи кайҳонро ифода мекунад. Аз охири асри 20 инҷониб, кайҳоншиносон бештар боварӣ ҳосил кардаанд, ки бузургтарин ҷузъи коинот дар асл барои мо ноаён аст. Ду истилоҳе, ки дар ин баҳс зуд-зуд ба миён меоянд, материяи торик ва энергияи торик мебошанд. Ҳарду «торик» ҳастанд, зеро онҳо нурро ба тарзе намебароранд, фурӯ намебаранд ё инъикос намекунанд, ки ба осонӣ муайян карда мешавад; аммо, нақшҳо ва хосиятҳои гумонбаршудаи онҳо хеле фарқ мекунанд. Дар ин мақола назарияҳои асосӣ дар бораи материяи торик ва энергияи торик, далелҳои мушоҳидавӣ, ки онҳоро дастгирӣ мекунанд ва мушкилоте, ки илми муосир то ҳол бо онҳо рӯбарӯ аст, баррасӣ мешаванд.
Чаро мо ба мафҳуми "торик" ниёз дорем?
Дар космология, назарияҳо бояд бо маълумоти мушоҳидавӣ мувофиқат кунанд. Вақте ки астрономҳо суръати гардиши галактикаҳо, тарзи хам кардани нур (линзаи гравитатсионӣ) ва намунаҳои радиатсияро, ки аз таркиши бузург (Заминаи микроволновкаи кайҳонӣ/CMB боқӣ мондаанд) чен мекунанд, натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки "чизе" вуҷуд дорад, ки илова бар ин ба ҷозиба ва эволютсияи коинот таъсир мерасонад. Аммо ин "чизе" ба назар чунин намерасад, ки материяи равшан ба монанди ситорагон бошад.
Аз тарафи дигар, дар миқёси хеле калони кайҳонӣ, мушоҳидаҳои суперноваҳои навъи Ia дар охири солҳои 1990 як далели ҳайратангезро ошкор карданд: васеъшавии коинот суст намешавад, балки суръат мегирад. Барои шарҳ додани ин суръатбахшӣ, ҷузъи дорои фишори манфӣ лозим буд, ки фазо-замонро барои васеъшавии тезтар ва тезтар тела медод. Ин ҷузъ баъдтар энергияи торик номида шуд.
Материяи торик: Назарияҳо ва далелҳои асосӣ
1. Каҷхати гардиши галактика
Яке аз далелҳои классикии мавҷудияти материяи торик аз андозагирии каҷҳои гардиши галактикаҳои спиралӣ бармеояд. Мувофиқи ҷозибаи Нютон, суръати ситораҳое, ки дар атрофи маркази галактика давр мезананд, бояд бо афзоиши масофа аз марказ кам шаванд. Аммо, баръакс мушоҳида мешавад: суръат майл ба баландӣ ва "ҳамвор" дар канори галактика дур боқӣ мемонад. Ин нишон медиҳад, ки массаи иловагӣ ба таври васеъ паҳн шудааст ва галои материяи торикро дар атрофи галактика ташкил медиҳад.
2. Линзаи ҷозиба
Бино бар нисбияти умумӣ, масса фазо-замонро хам мекунад, то нуре, ки аз наздики массаи калон мегузарад, хам шавад. Дар бисёр системаҳои кайҳонӣ (кластерҳои галактикаҳо, галактикаҳои алоҳида), таъсири линзасозии ҷозиба миқдори зиёди массаро нишон медиҳад, ки онро бо материяи равшан шарҳ додан мумкин аст. Мисоли машҳур кластери тир аст, ки дар он тақсимоти масса (тавассути линзасозии ҷозиба пайгирӣ мешавад) аз гази гарми равшан (дар нурҳои рентгенӣ дида мешавад) ҷудо карда мешавад. Ин падида аксар вақт ҳамчун дастгирии қавӣ ҳисобида мешавад, ки материяи торик ҷузъи воқеӣ аст, на танҳо тасаввуроти нодуруст дар бораи ҷозиба.
3. Радиатсияи заминаи кайҳонӣ (CMB) ва сохтори миқёси калон
CMB "пайи" шароитро дар коиноти ибтидоӣ нигоҳ медорад. Ҳангоми таҳлили намунаҳои ночизи ночиз дар CMB, тахминҳои таркиби коинотро нишон медиҳанд. Натиҷаҳо бо моделҳое мувофиқанд, ки нишон медиҳанд, ки коинот тақрибан аз ~5% моддаи оддӣ, ~27% моддаи торик ва ~68% энергияи торик иборат аст (рақамҳо вобаста ба маҷмӯи маълумот метавонанд каме фарқ кунанд). Материяи торик инчунин ба шарҳ додани он кӯмак мекунад, ки чӣ гуна сохторҳои кайҳонӣ - аз галактикаҳо то риштаҳои азим - метавонанд бо суръати мушоҳидашуда ташаккул ёбанд.
Номзадҳои моддаи торик: Аз зарраҳои нав то сӯрохиҳои сиёҳи ибтидоӣ
Назарияи маъмултарини материяи торик фарз мекунад, ки он шакли материя дар шакли зарраҳоест, ки мо ҳанӯз дар физикаи зарраҳо кашф накардаем.
1. WIMP (Зарраҳои азими мутақобила бо сустӣ)
WIMP-ҳо замоне номзади пешсаф буданд, зеро онҳо аз ҷиҳати назариявӣ метавонистанд дар моделҳои васеъшаванда пайдо шаванд. физикаи зарраҳо ва табиатан зичии кайҳонии "дуруст"-ро ба вуҷуд меорад (аксар вақт онро "мӯъҷизаи WIMP" меноманд). Аммо, таҷрибаҳои гуногуни ошкоркунии мустақим (масалан, бо истифода аз детекторҳои зеризаминӣ) то ҳол дар ёфтани сигнали боварибахш ноком шудаанд.
2. Аксион
Аксион як зарраи фарзиявӣ аст, ки аслан барои ҳалли масъала дар назарияи таъсири мутақобилаи қавӣ (QCD) пешниҳод шуда буд. Аксионҳо метавонанд хеле сабук, вале хеле зиёд бошанд, ки миқдори зиёди массаи умумиро ташкил медиҳанд ва ҳамчун материяи торикии "хунук" амал мекунанд.
3. Нейтриноҳои стерилӣ
Бар хилофи нейтриноҳои оддӣ ва сусттаъсир, муайян кардани нейтриноҳои стерилӣ боз ҳам душвортар аст. Агар онҳо мавҷуд бошанд, онҳо метавонанд ҳамчун материяи торикии "гарм" амал кунанд ва ба ташаккули сохтор дар миқёси муайян таъсир расонанд.
4. MACHO ва ашёҳои паймон
Номзадҳо ба монанди сайёраҳои норавшан, ситораҳои заиф ё дигар объектҳои фишурда (MACHO) баррасӣ шудаанд, аммо тадқиқоти микролинза нишон медиҳанд, ки онҳо барои шарҳ додани материяи торик ба қадри кофӣ зиёд нестанд. Инчунин идеяи сӯрохиҳои сиёҳи ибтидоӣ (ки дар коиноти хеле барвақт ташаккул ёфтаанд) вуҷуд дорад, аммо маҳдудиятҳои мушоҳидавӣ онҳоро душвор мегардонанд, ки ягона тавзеҳи ҳама материяи торик бошанд.
Алтернатива: Тағйири вазнинӣ (MOND ва Дӯстон)
Ба ҷои илова кардани "материяи ноаён", баъзе олимон пешниҳод карданд, ки фаҳмиши мо дар бораи ҷозиба дар миқёси галактикӣ нодуруст аст. Назарияҳо ба монанди MOND (динамикаи тағйирёфтаи Нютон) қонунҳои Нютонро барои шитобҳои хеле хурд тағйир медиҳанд ва имкон медиҳанд, ки каҷҳои гардиш бидуни материяи торик шарҳ дода шаванд.
Аммо, мушкили асосӣ барои назарияҳои тағйирёфтаи ҷозиба шарҳ додани ҳамаи далелҳо дар як вақт аст - махсусан падидаҳо ба монанди Bullet Cluster ва мутобиқати CMB. Таҳаввулоти нисбӣ дар MOND (масалан, TeVeS) вуҷуд доштанд, аммо то ҳол моделҳои материяи торик дар мувофиқат бо маълумоти гуногун "пурратар" буданд.
Энергияи торик: он чист ва чаро он вуҷуд дорад?
Энергияи торик барои шарҳи густариши суръатбахши коинот пешниҳод шудааст. Дар чаҳорчӯбаи назарияи нисбии умумӣ, ин шитоб метавонад аз ҷониби ҷузъи энергетикӣ бо фишори манфӣ ба вуҷуд ояд. Ба таври оддӣ, ҳар қадар энергияи торик зиёд бошад, фазо дар миқёси кайҳонӣ ҳамон қадар тезтар васеъ мешавад.
Далелҳои асосии мавҷудияти энергияи торик инҳоянд:
– Суперноваҳои навъи Ia ҳамчун «шамъҳои стандартӣ» барои чен кардани масофаҳои кайҳонӣ хизмат мекунанд. Суперноваҳои дурдаст нисбат ба интизорӣ хиратар ба назар мерасанд, агар васеъшавӣ суст шавад.
– Лапшишҳои акустикии CMB ва барион (BAO) барои пайгирии таърихи васеъшавӣ «ченаки кайҳонӣ»-ро фароҳам меоранд.
– Паҳншавии сохторҳои калонҳаҷм, ки ба суръати васеъшавӣ ҳассосанд.
Назарияи энергияи торик : Аз доимии кайҳонӣ то квинтэссенция
1. Доимии кайҳонӣ (Λ)
Шарҳи соддатарин доимии космологии Эйнштейн аст: энергияи вакуумӣ, ки зичии он бо мурури замон доимӣ мемонад. Модели стандартии космологияи муосир аксар вақт ҳамчун ΛCDM навишта мешавад, ки дар он Λ энергияи торик ва CDM "материяи торикии хунук" аст. Ин модел дар шарҳи қисми зиёди маълумот хеле муваффақ аст.
Мушкилот: вақте ки физикҳо кӯшиш мекунанд, ки энергияи вакуумро аз назарияи квантӣ ҳисоб кунанд, натиҷаҳо нисбат ба он чизе, ки мушоҳида мешавад, хеле калонтаранд - фарқият метавонад хеле шадид бошад. Ин ҳамчун масъалаи доимии космологӣ маълум аст.
2. Квинтессенс
Дар ин модел, энергияи торик як чизи доимӣ нест, балки аз майдони динамикии скалярӣ сарчашма мегирад, ки бо мурури замон тағйир меёбад. Ин имкон медиҳад, ки зичии энергияи торик таҳаввул ёбад, ки метавонад (аз рӯи назария) "аҷибӣ"-и доимии космологиро коҳиш диҳад. Аммо, ин модел бояд бодиққат тафсир карда шавад, то аз мухолифати маълумоти мушоҳидавӣ, ки рафтори энергияи торикро ба як доимӣ наздик нишон медиҳанд, канорагирӣ карда шавад.
3. Энергияи торикии «фантом» ва назарияи нисбии тағйирёфта
Моделҳое мавҷуданд, ки имкон медиҳанд, ки параметри ҳолати энергияи торик (w) аз -1 ("фантом") хурдтар бошад, ки эҳтимолан ба сенарияҳои шадид ба монанди Рип-и Калон оварда мерасонад. Инчунин равишҳое мавҷуданд, ки назарияи ҷозибаро дар миқёси калон тағйир медиҳанд (масалан, ҷозибаи f(R)), то шитоб бидуни ҷузъи алоҳидаи энергияи торик пайдо шавад.
Мушкилот ва самтҳои таҳқиқоти оянда
Гарчанде ки ΛCDM ба модели "стандартии" космология табдил ёфтааст, бисёр саволҳои асосӣ кушода боқӣ мемонанд:
– Хусусияти зарраҳои материяи торик чист? Чаро онҳо дар лаборатория ошкор карда нашудаанд?
– Оё энергияи торик воқеан як доимии космологӣ аст? Ё он бо мурури замон тағйир меёбад?
– Шиддати Хаббл: андозагириҳои суръати ҷории васеъшавии коинот (H0) аз ҷониби CMB ва андозагириҳои маҳаллӣ баъзан комилан мувофиқат намекунанд, ки имконияти физикаи навро афзоиш медиҳад.
Барои ҳалли ин масъала лоиҳаҳои гуногуни мушоҳидавӣ ва таҷрибавӣ амалӣ карда мешаванд: тадқиқоти галактикаҳои калон, андозагириҳои дақиқтари линзасозии гравитатсионӣ, детекторҳои зарраҳои насли нав ва харитасозии муфассалтари BAO. Пешрафтҳои ҳисоббарорӣ инчунин ба симулятсияҳои ташаккули сохтори кайҳонӣ мусоидат мекунанд ва сенарияҳои материяи торик ва алтернативаҳоро фарқ мегузоранд.
Penutup
Материяи торик ва энергияи торик ду мафҳуми калидӣ мебошанд, ки фаҳмиши муосири моро дар бораи коинот ташаккул медиҳанд. Материяи торик асосан тавассути таъсири ҷозибаи худ ба галактикаҳо ва кластерҳои галактикаҳо "намоён" аст, дар ҳоле ки энергияи торик аз зарурати шарҳ додани густариши босуръати коинот ба вуҷуд омадааст. Гарчанде ки ҳеҷ кадоме аз онҳо пурра фаҳмида нашудааст, модели ΛCDM, ки ин дуро муттаҳид мекунад, дар муқоиса бо бисёр мушоҳидаҳо хеле муваффақ будааст.
Аммо ин муваффақият охири достон нест. Дар асл, "торикӣ", ки қисми зиёди кайҳонро фаро гирифтааст, ишора мекунад, ки қабатҳои физикаи бунёдӣ ҳанӯз кашф нашудаанд. Бо тезтар шудани технологияи мушоҳида ва ҳассостар шудани таҷрибаҳои зарраҳо, мо ба посух додан ба саволҳои муҳим наздиктар мешавем: оё материяи торик зарраи нав аст, оё энергияи торик хосияти фазои холӣ аст ё мо бояд фаҳмиши худро дар бораи худи ҷозиба аз нав дида бароем.
