Hvad er universets mørke stof? Mørkt stof i astronomi, kosmologi og filosofi - interessante fakta.

Vi står på tærsklen til en opdagelse, der kan ændre essensen af ​​vores ideer om verden. Det handler om om mørkt stofs natur. I de senere år har astronomi taget store skridt i den observationelle underbygning af mørkt stof, og i dag kan eksistensen af ​​et sådant stof i universet betragtes som en fast etableret kendsgerning. Det særlige ved situationen er, at astronomer observerer strukturer, der består af et stof ukendt for fysikere. Dermed opstod problemet med identifikation fysisk natur denne sag.

1. "Bring mig noget, jeg ved ikke hvad"

Moderne partikelfysik kender ikke nogen partikler, der har egenskaberne som mørkt stof. Kræver en udvidelse til standardmodellen. Men hvordan, i hvilken retning skal man bevæge sig, hvad og hvor skal man kigge? Ordene fra det berømte russiske eventyr i titlen på dette afsnit afspejler perfekt den aktuelle situation.

Fysikere søger efter ukendte partikler med kun generelle ideer om egenskaberne ved observeret stof. Hvad er disse egenskaber?

Alt, hvad vi ved, er, at mørkt stof interagerer med lysende stof (baryoner) på en gravitationel måde og er et koldt medium med en kosmologisk tæthed flere gange højere end tætheden af ​​baryoner. På grund af sådanne simple egenskaber påvirker mørkt stof direkte udviklingen af ​​universets gravitationspotentiale. Dens tæthedskontrast steg over tid, hvilket førte til dannelsen af ​​gravitationsbundne mørkt stof-halosystemer.

Det skal understreges, at denne proces med gravitationel ustabilitet kun kunne lanceres i Friedmann-universet i nærværelse af frøtæthedsforstyrrelser, hvis eksistens ikke har noget at gøre med mørkt stof, men skyldes fysikken i Big Bang. Derfor opstår et andet vigtigt spørgsmål om fremkomsten af ​​frøforstyrrelser, hvorfra strukturen af ​​mørkt stof udviklede sig.

Vi vil overveje spørgsmålet om genereringen af ​​indledende kosmologiske forstyrrelser lidt senere. Lad os nu vende tilbage til mørkt stof.

Baryoner fanges i gravitationsbrønde med koncentrationer af mørkt stof. Så selvom mørkt stof partikler ikke interagerer med lys, eksisterer lys, hvor der er mørkt stof. Denne bemærkelsesværdige egenskab ved gravitationel ustabilitet har gjort det muligt at studere mængden, tilstanden og fordelingen af ​​mørkt stof ved hjælp af observationsdata fra radio- til røntgenområdet.

Uafhængig bekræftelse af vores konklusioner om egenskaberne af mørkt stof og andre parametre i universet er leveret af data om anisotropi og polarisering af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, om mængden af ​​lette elementer i universet og om fordelingen af ​​absorptionslinjer af stof i spektrene af fjerne kvasarer. Numerisk modellering spiller en stadig vigtigere rolle og erstatter eksperimenter i kosmologisk forskning. Den mest værdifulde information om fordelingen af ​​mørkt stof er indeholdt i talrige observationsdata om gravitationslinser af fjerne kilder af nærliggende stofklumper.

Ris. 1. Fotografi af himlen i retning af galaksehoben 0024 + 1654, taget med Hubble-teleskopet.

Figur 1 viser et udsnit af himlen i retning af en af ​​disse klumper af mørk masse ($\sim 10^(14)M_(odot)$). Vi ser en hob af galakser fanget gravitationsfelt af denne klump, varme røntgengas, der hviler i bunden af ​​gravitationspotentialebrønden, og et multipelbillede af en af ​​baggrundsgalakserne, fanget i synslinjen af ​​den mørke glorie og forvrænget af dens gravitationsfelt.

Tabel 1. Vigtigste kosmologiske parametre

Tabel 1 viser gennemsnitsværdierne af kosmologiske parametre opnået fra astronomiske observationer (10% nøjagtighed). Det er klart, at den samlede energitæthed af alle typer partikler i universet ikke overstiger 30% af den samlede kritiske tæthed (bidraget fra neutrinoer er ikke mere end et par procent). De resterende 70% er i en form, der ikke deltog i stoffets gravitationelle trængsel. Kun den kosmologiske konstant eller dens generalisering - et medium med undertryk ($|\varepsilon + p|\ll\varepsilon $), kaldet "mørk energi" har denne egenskab. At bestemme arten af ​​sidstnævnte er en langsigtet udsigt til udviklingen af ​​fysik.

Denne rapport er afsat til spørgsmål om fysisk kosmologi, hvis løsning forventes i de kommende år. Først og fremmest drejer det sig om bestemmelsen af ​​startbetingelserne for dannelsen af ​​mørke stofstrukturer og selve søgen efter de ukendte partikler.

2. Tidligt univers og sent univers

Universets observerede struktur er resultatet af den kombinerede virkning af startbetingelserne og udviklingen af ​​tæthedsforstyrrelsesfeltet. Moderne observationsdata har gjort det muligt at bestemme karakteristikaene for feltet med tæthedsforstyrrelser i forskellige epoker af dets udvikling. Således var det muligt at adskille information om de oprindelige betingelser og udviklingsbetingelserne, hvilket markerede begyndelsen på en uafhængig undersøgelse af fysikken i det tidlige og sene univers.

Udtrykket "tidlig univers" i moderne kosmologi betyder det sidste trin af accelereret ekspansion efterfulgt af en overgang til evolutionens varme fase. Vi kender ikke parametrene for Big Bang, der er kun øvre restriktioner (se afsnit 3, relationer (12)). Der er dog en veludviklet teori om generering af kosmologiske forstyrrelser, ifølge hvilken vi kan beregne spektrene for indledende forstyrrelser i stoffets tæthed og primære gravitationsbølger afhængigt af værdierne af kosmologiske parametre.
Årsagerne til manglen på en generelt accepteret model af det tidlige univers ligger i stabiliteten af ​​forudsigelserne fra Big Bang-inflationsparadigmet - nærheden af ​​de genererede spektre til flad udsigt, den relative lillehed af amplituden af ​​kosmologiske gravitationsbølger, den tredimensionelle euklidiske natur af det synlige univers osv., som kan opnås i en bred klasse af modelparametre. Sandhedens øjeblik for at bygge en model af det tidlige univers kunne være opdagelsen af ​​kosmologiske gravitationsbølger, hvilket synes muligt, hvis det internationale rumeksperiment Planck, som er planlagt til at begynde i 2008, lykkes.

Vores viden om det sene univers er diametralt modsat. Vi har en ret præcis model - vi kender stoffets sammensætning, lovene for udvikling af struktur, værdierne af kosmologiske parametre (se tabel 1), men samtidig har vi ikke en generelt accepteret teori om oprindelsen af stoffets bestanddele.

Egenskaberne af det synlige univers, der er kendt for os, tillader os at beskrive dets geometri inden for rammerne af forstyrrelsesteori. Den lille parameter ($10^(-5)$) er amplituden af ​​kosmologiske forstyrrelser.

Ved nul orden er universet friedmannsk og beskrives af en enkelt funktion af tiden - skalafaktoren $a(t)$. Den første ordre er noget mere kompliceret. Forstyrrelser af metrikken er summen af ​​tre uafhængige tilstande - skalar $S(k)$, vektor $V(k)$ og tensor $T(k)$, som hver er karakteriseret ved sin egen spektrale funktion af bølgenummer $ k$. Den skalære tilstand beskriver kosmologiske tæthedsforstyrrelser, vektortilstanden er ansvarlig for stoffets hvirvelbevægelser, og tensortilstanden er gravitationsbølger. Hele geometrien beskrives således ved hjælp af fire funktioner: $a(t),~ S(k),~ V(k)$ og $T(k)$, hvoraf vi i dag kun kender de to første (i nogle domæner) definition).

Big Bang var en katastrofal proces med hurtig ekspansion ledsaget af et intenst, hurtigt skiftende gravitationsfelt. Under den kosmologiske ekspansion blev metriske forstyrrelser spontant født på en parametrisk måde fra vakuumfluktuationer, ligesom enhver masseløse frihedsgrader fødes under påvirkning af et eksternt vekselfelt. Analyse af observationsdata indikerer en kvantegravitationsmekanisme for fødslen af ​​frøforstyrrelser. Universets storskalastruktur er således et eksempel på en løsning på problemet med målbarhed i kvantefeltteorien.

Lad os bemærke hovedegenskaberne for de genererede forstyrrelsesfelter: Gaussisk statistik ( tilfældige fordelinger i rummet), en fornem tidsfase ("voksende" gren af ​​forstyrrelser), fraværet af en fornem skala i en bred vifte af bølgelængder, tyngdebølgers amplitude som ikke er nul. Sidstnævnte er afgørende for at bygge en model af det tidlige univers, da gravitationsbølger, der har den enkleste forbindelse med baggrundsmetrikken, bærer direkte information om Big Bangs energiskala.

Som et resultat af udviklingen af ​​den skalære tilstand af forstyrrelser blev galakser og andre astronomiske objekter dannet. En vigtig præstation de seneste år(WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) eksperiment) blev en væsentlig forbedring af vores viden om anisotropien og polariseringen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, som opstod længe før galaksernes fremkomst som et resultat af indflydelsen fra alle tre måder at kosmologiske forstyrrelser på. på fotonfordelingen.

En fælles analyse af observationsdata om fordelingen af ​​galakser og anisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling gjorde det muligt at adskille startbetingelserne og evolutionen. Ved at bruge den betingelse, at summen $S+V+T\ca. 10^(-10)$ er fastsat af anisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, kan vi opnå en øvre grænse for summen af ​​hvirvel- og tensortilstande for forstyrrelser i universet (deres påvisning er kun mulig med en stigning i nøjagtigheden af ​​observationer):
$$\frac(V+T)(S) Hvis ulighed (1) blev overtrådt, ville størrelsen af ​​tæthedsforstyrrelser være utilstrækkelig til at danne den observerede struktur.

3. I begyndelsen var der lyd...

Effekten af ​​kvantegravitationel skabelse af masseløse felter er blevet grundigt undersøgt. Sådan kan stofpartikler fødes (se f.eks.) (selvom især reliktfotoner opstod som følge af nedbrydningen af ​​protomatter i det tidlige univers). På samme måde opstår generering af gravitationsbølger og tæthedsforstyrrelser, da disse felter også er masseløse og deres fødsel ikke er forbudt af tærskelværdi energitilstand. Problemet med at generere hvirvelforstyrrelser venter stadig på dets forskere.

Teorien om $S$- og $T$-tilstande for forstyrrelser i Friedmann-universet er reduceret til det kvantemekaniske problem med uafhængige oscillatorer $q_k(\eta)$ placeret i et eksternt parametrisk felt ($\alpha(\eta) $) i Minkowski-verdenen med tidskoordinat $\eta=\int dt/a$. Handlingen og Lagrangian af elementære oscillatorer afhænger af deres rumlige frekvens $k \in (0, \infty)$:
$$S_k = \int L_kd\eta,~\;\;\;L_k=\frac(\alpha^2)(2k^3)(q'^2-\omega^2q^2)~\;\; \;\;\;\;\;\;\; (2)$$
hvor primtal betegner den tidsafledede $\eta$, $\omega=\beta$ er oscillatorens frekvens, $\beta$ er udbredelseshastigheden af ​​forstyrrelser i enheder af lysets hastighed i vakuum (herefter $c =\hbar =1$, indeksfelt $k$ er udeladt); i tilfælde af $T$-tilstanden er $q = q_T$ den tværgående sporløse komponent af den metriske tensor,
$$\alpha^2_T=\frac(a^2)(8\pi G)~\;\;\;\beta=1, ~\;\;\;\;\;\;\;\;\ ; (3)$$
og i tilfældet med $S$-tilstanden er $q = q_s$ en lineær superposition af det langsgående gravitationspotentiale (forstyrrelse af skalafaktoren) og mediets 3-hastighedspotentiale multipliceret med Hubble-parameteren,
$$\alpha^2_S=\frac(a^2\gamma)(4\pi G\beta^2),\;\;\gamma=\frac(\dot(H))(H^2),\ ;\;H=\frac(\dot(a))(a),~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (4)$$
prikken betyder den afledede med hensyn til tiden $t$.

Som det kan ses af (3), er feltet $q_T$ fundamentalt, da det er minimalt relateret til baggrundsmetrikken og ikke afhænger af stoffets egenskaber (i den generelle relativitetsteori, udbredelseshastigheden af ​​gravitationsbølger er lig med lysets hastighed). Hvad angår $q_S$, er dens forbindelse med det eksterne felt (4) mere kompleks: den inkluderer både afledte af skalafaktoren og nogle karakteristika ved stoffet (for eksempel hastigheden af ​​udbredelse af forstyrrelser i mediet). Vi ved intet om protomatter i det tidlige univers - der er kun generelle tilgange til dette spørgsmål.
Et ideelt medium med en energi-momentum-tensor afhængig af energitætheden $\epsilon$, trykket $p$ og 4-hastigheden af ​​stof $u^\mu$ betragtes normalt. For $S$-tilstanden er 4-hastigheden potentiel og kan repræsenteres som gradienten af ​​den 4-skalære $\phi$:
$$T_(\mu\nu)=(\epsilon + p)u_\mu u_\nu-pg_(\mu\nu),\;\;u_\mu=\frac(\phi_(,\mu)) (w),~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (5)$$
hvor $w^2=\phi_(,\mu)\phi_(,\nu) g^(\mu\nu)$ er normaliseringsfunktionen, betyder det sænkede komma den afledede i forhold til koordinaten. Lydens hastighed er specificeret ved hjælp af "tilstandsligningen" som en proportionalitetskoefficient mellem de medfølgende forstyrrelser i tryk og energitæthed af stof:
$$\delta p_c=\beta^2\delta\epsilon_c,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (6)$$
hvor $\delta X_c\equiv\delta X – v\dot(X)$, $v\equiv\delta\phi /w$ er mediets 3-hastighedspotentiale.

I den lineære rækkefølge af perturbationsteori er begrebet et ideelt medium ækvivalent med feltbegrebet, ifølge hvilket den lagrangiske tæthed, $L=L(w,\phi)$, er tildelt materialefeltet $\phi$ . I felttilgangen findes udbredelseshastigheden af ​​excitationer ud fra ligningen
$$\beta^(-2)=\frac(\delvis\ln|\delvis L/\delvis w|)(\delvis\ln|w|),~\;\;\;\;\;\; \;\;\; (7)$$
hvilket også svarer til relation (6). De fleste modeller af det tidlige univers antager, at $\beta\sim 1$ (især på det strålingsdominerede stadium $\beta=1/\sqrt(3)$).

Udviklingen af ​​elementære oscillatorer er beskrevet af Klein-Gordon-ligningen
$$\bar(q)’’+(\omega^2-U) \bar(q)=0,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (8)$$
Hvor
$$\bar(q)\equiv\alpha q,\;\;U\equiv\frac(\alpha "")(\alpha),~\;\;\;\;\;\;\;\; \; (9)$$
Løsningen til ligning (8) har to asymptotiske adfærdsgrene: adiabatisk ($\omega^2>U$), når oscillatoren er i fri oscillationstilstand og dens excitationsamplitude falder ($|q|\sim(\alpha) \sqrt(\beta ))^(-1)$), og parametrisk ($\omega^2

Kvantitativt afhænger spektrene af genererede forstyrrelser af oscillatorernes begyndelsestilstand:
$$T\equiv 2\langle q_T^2\rangle,\;\;\;S\equiv\langle q_S^2\rangle,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (10)$$
koefficient 2 i udtrykket for tensortilstanden tager højde for to polariseringer af gravitationsbølger. $\langle\rangle$-tilstanden anses for at være den vigtigste, dvs. svarende til minimumsniveauet for initial excitation af oscillatorerne. Dette er hovedhypotesen i Big Bang-teorien. I nærvær af en adiabatisk zone er grund- (vakuum) tilstanden for elementære oscillatorer unik.
Hvis vi antager, at funktionen U stiger med tiden og $\beta\sim 1$, får vi et universelt generelt resultat for spektrene $T(k)$ og $S(k)$:
$$T\approx\frac((1-\gamma/2)H^2)(M_P^2),\;\;\;\frac(T)(S)\approx4\gamma~\;\;\ ;\;\;\;\;\;\; (11)$$
hvor $k=\sqrt(U)\approx aH$, og $M_p\equiv G^(-1/2)$ er Planck-massen. Som det kan ses af (11), bliver mode $T$ i teorien ikke diskrimineret på nogen måde med hensyn til mode $S$. Det hele handler om størrelsen af ​​faktoren $\gamma$ i æraen med generering af forstyrrelser.
Fra det observerede faktum om $T$-tilstandens lillehed i vores univers (se afsnit 2, relation (1)), får vi en øvre grænse på energiskalaen for Big Bang og på parameteren $\gamma$ i det tidlige univers:
$$H Den sidste betingelse betyder, at Big Bang var inflationært af natur ($\gamma Vi har den vigtigste faseinformation: marker fødes i en bestemt fase, kun den voksende gren af ​​forstyrrelser forstærkes parametrisk. Lad os forklare dette vha. eksemplet med spredningsproblemet, idet det antages, at $U = 0 $ ved de indledende (adiabatiske) og sidste (strålingsdominerede, $a\propto n$) stadier af evolutionen (se fig. 2).

Ris. 2. Illustration af løsningen til ligning (8) i formuleringen af ​​spredningsproblemet

For hver af de ovennævnte asymptoter har den generelle løsning formen
$$\bar(q)=C_1\sin\omega\eta+C_2\cos\omega\eta,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (13)$$
hvor operatorerne $C_(1,2)$ specificerer amplituderne af de "voksende" og "faldende" evolutionsgrene. I en vakuumtilstand er den indledende tidsfase for feltet vilkårlig: $\langle|C_1^((in))|\rangle=\langle|C_2^((in))|\rangle$. Men som et resultat af løsningen af ​​evolutionsligningerne viser det sig, at på det strålingsdominerede stadium er det kun den voksende gren af ​​lydforstyrrelser, der forbliver rentabel: $\langle|C_1^((out))|\rangle\gg\langle |C_2^((ud))| \rangle$. På det tidspunkt, hvor stråling frakobles stof i rekombinationsepoken, moduleres strålingsspektret med fase $k=n\pi\sqrt(3)/\eta_(rec)$, hvor $n$ er et naturligt tal.

Ris. 3. Manifestation af lydmodulation i anisotropispektret af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling. (Ifølge eksperimenter WMAP, ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver), BOOMERANG (Ballon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation AND Geophysics), CBI (Cosmic Background Imager), VSA (Very Small Array).)

Det er disse akustiske svingninger, der observeres i anisotropispektrene af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (fig. 3, den store top svarer til $n = 1$) og tæthedsforstyrrelser, som bekræfter den kvantegravitationelle oprindelse af $S$ mode. I spektret af tæthedsforstyrrelser undertrykkes lydmodulation af den lille fraktion af baryoner i forhold til den totale tæthed af stof, hvilket gør det muligt at finde denne fraktion uafhængigt af andre kosmologiske tests. Selve oscillationsskalaen fungerer som et eksempel på en standardlineal, hvorved de vigtigste parametre i universet bestemmes. I denne forbindelse skal det understreges, at sværhedsgraden af ​​problemet med degeneration af kosmologiske parametre i observationsdata, i mange år som forhindrede konstruktionen af ​​en rigtig model af universet, er nu blevet fjernet takket være overfloden af ​​uafhængige og komplementære observationstests.

For at opsummere kan vi konstatere, at problemet med dannelsen af ​​indledende kosmologiske forstyrrelser og universets storskalastruktur er blevet løst i princippet i dag. Teorien om den kvantegravitationelle oprindelse af forstyrrelser i det tidlige univers vil modtage endelig bekræftelse efter opdagelsen af ​​$T$-tilstanden, hvilket kan ske i den nærmeste fremtid. Således forudsiger den enkleste Big Bang-model (power-lov-inflation på et massivt skalarfelt) $T$-mode-amplituden til kun at være 5 gange mindre end $S$-mode-amplituden. Moderne instrumenter og teknologier gør det muligt at løse problemet med at registrere så små signaler fra observationer af anisotropi og polarisering af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.

4. Den mørke side af materien

Der er flere hypoteser om stoffets oprindelse, men ingen af ​​dem er endnu blevet bekræftet. Der er direkte observationsindikationer på, at mysteriet med mørkt stof er tæt forbundet med universets baryonsymmetri. Der er dog ingen almindeligt accepteret teori om oprindelsen af ​​baryonasymmetri og mørkt stof i dag.

Hvor er mørkt stof placeret?

Vi ved, at stoffets lysende komponent observeres i form af stjerner samlet i galakser forskellige masser, og i form af røntgengas fra klynger. Det meste af det almindelige stof (op til 90 %) er dog i form af forkælet intergalaktisk gas med en temperatur på flere elektronvolt såvel som i form af MACHO (Massive Compact Halo Object) - kompakte rester af udviklingen af stjerner og lavmasseobjekter. Da disse strukturer normalt har lav lysstyrke, kaldes de "mørke baryoner".

Ris. 4. Øvre grænse for brøkdelen af ​​massen af ​​Galaxy-haloen i MASNO ifølge EROS-eksperimentet (fra det franske - Experience pour la Recherche d "Objets Sombres).

Adskillige grupper (MASNO, EROS osv.) har studeret antallet og fordelingen af ​​kompakte mørke objekter i glorie af vores galakse baseret på mikrolinsebegivenheder. Som et resultat af den fælles analyse blev der opnået en vigtig begrænsning - ikke mere end 20 % af den samlede halomasse er koncentreret i MACNO i værdiintervallet fra månens masse til stjerners masse (fig. 4) ). Resten af ​​det mørke stof i haloen består af partikler af ukendt natur.

Hvor ellers er ikkebaryonisk mørkt stof gemt?

Udviklingen af ​​højteknologier inden for observationsastronomi i det 20. århundrede gjorde det muligt at opnå et klart svar på dette spørgsmål: ikke-baryonisk mørkt stof findes i gravitationsbundne systemer (haloer). Mørkt stof partikler er ikke-relativistiske og svagt interagerende - deres dissipative processer går ikke på samme måde som baryoner. Baryoner afkøles strålingsmæssigt, sætter sig og akkumuleres i haloens centre og når rotationsligevægt. mørkt stof forbliver fordelt omkring det synlige stof i galakser med en karakteristisk skala på omkring 200 kpc. I den lokale gruppe, som omfatter Andromedatågen og Mælkevejen, er mere end halvdelen af ​​alt mørkt stof således koncentreret i disse to store galakser. Der er ingen partikler med de krævede egenskaber i standardmodellen for partikelfysik. En vigtig parameter, som ikke kan bestemmes ud fra observationer på grund af ækvivalensprincippet, er partiklens masse. Inden for mulige udvidelser af standardmodellen er der flere kandidatpartikler af mørkt stof. De vigtigste er anført i tabellen. 2 i stigende rækkefølge efter deres hvilemasse.

Tabel 2. Ikke-baryoniske partikler af mørkt stof

Kandidat
Gravitoner
"Sterile" neutrinoer
Spejlstof
Massive partikler
Supermassive partikler	$10^(13)$ GeV
Monopoler og defekter	$10^(19)$ GeV
Primordiale sorte huller	$(10^(-16)-10^(-17))M_(\odot)$

Hovedversionen af ​​massive partikler i dag - neutralino-hypotesen - er forbundet med minimal supersymmetri. Denne hypotese kan testes ved Large Hadron Accelerator på CERN, som er planlagt til at blive lanceret i 2008. Den forventede masse af sådanne partikler er $\sim$ 100 GeV, og deres tæthed i vores galakse er en partikel i volumen af ​​en te glas.

Søgningen efter mørkt stof partikler udføres rundt om i verden på mange installationer. Det er interessant at bemærke, at neutralin-hypotesen kan verificeres uafhængigt både i underjordiske eksperimenter med elastisk spredning og indirekte data om udslettelse af neutralinoer i galaksen. Indtil videre er der kun modtaget et positivt svar i én af DAMA-projektets underjordiske detektorer (DArk MAtter), hvor et signal af ukendt oprindelse af typen "sommer-vinter" er blevet observeret i flere år. Imidlertid er rækkevidden af ​​masser og tværsnit forbundet med dette forsøg endnu ikke blevet bekræftet i andre installationer, hvilket sår tvivl om både pålideligheden og betydningen af ​​resultatet.

En vigtig egenskab ved neutralinoer er muligheden for deres indirekte observation af annihilationsfluxen i gammaregionen. I processen med hierarkisk trængsel kunne sådanne partikler danne mini-haloer med en karakteristisk størrelse i størrelsesordenen Solsystemets størrelse og en masse i størrelsesordenen Jordens masse, hvis rester har overlevet den dag i dag . Jorden selv kan meget sandsynligt være inde i sådanne minihaloer, hvor tætheden af ​​partikler stiger flere titusinder. Dette øger sandsynligheden for både direkte og indirekte påvisning af mørkt stof i vores galakse. Eksistensen af ​​så forskellige søgemetoder inspirerer til optimisme og giver os mulighed for at håbe på en hurtig bestemmelse af mørkt stofs fysiske natur.

5. På tærsklen til ny fysik

I vores tid er det blevet muligt selvstændigt at bestemme egenskaberne for det tidlige univers og det sene univers ved hjælp af observationelle astronomiske data. Vi forstår, hvordan de indledende kosmologiske tæthedsforstyrrelser opstod, hvorfra universets struktur udviklede sig. Vi kender værdierne af de vigtigste kosmologiske parametre, der ligger til grund for universets standardmodel, som i dag ikke har nogen seriøse konkurrenter. Men grundlæggende spørgsmål om oprindelsen af ​​Big Bang og hovedkomponenterne i stoffet forbliver uløste.

Observationel bestemmelse af tensortilstanden for kosmologiske forstyrrelser er nøglen til at konstruere en model af det tidlige univers. Her har vi at gøre med en klar forudsigelse af en teori, der er blevet velafprøvet i tilfælde af $S$-mode og har mulighed for eksperimentel verifikation af $T$-mode i de kommende år.

Teoretisk fysik, der har leveret en omfattende liste over mulige retninger og metoder til at søge efter mørkt stof partikler, har udtømt sig selv. Nu er det op til at eksperimentere. Den nuværende situation minder om den, der gik forud for de store opdagelser – opdagelsen af ​​kvarker, W- og Z-bosoner, neutrinoscillationer, anisotropi og polarisering af kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling.

Der opstår et spørgsmål, som dog ligger uden for rammerne af denne revisionsrapport: hvorfor er naturen så generøs over for os og tillader os at afsløre dens hemmeligheder?

Referencer

1. Grib A A, Mamaev S G, Mostepanenko VM Kvanteeffekter i intense eksterne felter (Moskva: Atomizdat, 1980)
2. Zeldovich Ya B, Starobinsky A A JETP 61 2161 (1971)
3. GrischukLPZHEGF67 825 (1974)
4. Lukash V N JETP 79 1601 (1980)
5. Lukash V N, astro-ph/9910009
6. Strokov VN Astron. magasin 84.483 (2007)
7. Lukash VN UFN176 113 (2006)
8. Lukash V N, Mikheeva E V Int. J.Mod. Phys. A 15 3783 (2000)

V.N. Lukash, E.V. Mikheeva

Spørgsmålet om universets oprindelse, dets fortid og fremtid har bekymret folk siden umindelige tider. I løbet af århundrederne er teorier opstået og blevet tilbagevist, der giver et billede af verden baseret på kendte data. Einsteins relativitetsteori var et grundlæggende chok for den videnskabelige verden. Hun ydede også et stort bidrag til forståelsen af ​​de processer, der former universet. Relativitetsteorien kunne dog ikke hævde at være den ultimative sandhed og krævede ikke tilføjelser. Forbedrede teknologier har gjort det muligt for astronomer at gøre tidligere ufattelige opdagelser, der krævede en ny teoretisk ramme eller en betydelig udvidelse af eksisterende bestemmelser. Et sådant fænomen er mørkt stof. Men først ting først.

Ting fra svundne dage

For at forstå udtrykket "mørk stof", lad os gå tilbage til begyndelsen af ​​forrige århundrede. På det tidspunkt var den fremherskende opfattelse af universet stationær struktur. I mellemtiden antog den generelle relativitetsteori (GTR), at før eller siden ville det føre til, at alle objekter i rummet "klæber sammen" til en enkelt kugle, det såkaldte gravitationssammenbrud ville forekomme. Der er ingen frastødende kræfter mellem rumobjekter. Gensidig tiltrækning kompenseres af centrifugalkræfter, der skaber konstant bevægelse stjerner, planeter og andre kroppe. På denne måde opretholdes balancen i systemet.

For at forhindre universets teoretiske sammenbrud introducerede Einstein en mængde, der bringer systemet til den nødvendige stationære tilstand, men samtidig blev det faktisk opfundet og havde ikke noget åbenlyst grundlag.

Udvidende univers

Beregningerne og opdagelserne fra Friedman og Hubble viste, at der ikke var behov for at overtræde de harmoniske ligninger for generel relativitet ved at bruge en ny konstant. Det er blevet bevist, og i dag er der næsten ingen, der tvivler på dette faktum, at universet udvider sig, det havde engang en begyndelse, og der kan ikke være tale om stationaritet. Videreudvikling kosmologi førte til fremkomsten af ​​big bang-teorien. Hovedbekræftelsen af ​​de nye antagelser er den observerede stigning i afstanden mellem galakser over tid. Det var målingen af ​​den hastighed, hvormed nabokosmiske systemer bevæger sig væk fra hinanden, der førte til dannelsen af ​​hypotesen om, at mørkt stof og mørk energi eksisterer.

Data er ikke i overensstemmelse med teori

Fritz Zwicky i 1931, og derefter Jan Oort i 1932 og i 1960'erne, var engageret i at beregne massen af ​​stof fra galakser i en fjern hob og dens forhold til hastigheden af ​​deres fjernelse fra hinanden. Gang på gang kom forskerne til de samme konklusioner: denne mængde stof er ikke nok til at den tyngdekraft, den skaber, kan holde sammen på galakser, der bevæger sig med så høje hastigheder. Zwicky og Oort foreslog, at der er skjult masse, universets mørke stof, som forhindrer kosmiske objekter i at spredes i forskellige retninger.

Hypotesen fik dog først anerkendelse fra den videnskabelige verden i halvfjerdserne, efter at resultaterne af Vera Rubins arbejde blev annonceret.

Hun konstruerede rotationskurver, der tydeligt demonstrerer afhængigheden af ​​det galaktiske stofs bevægelseshastighed af afstanden, der adskiller det fra systemets centrum. I modsætning til teoretiske antagelser viste det sig, at stjernernes hastigheder ikke falder, når de bevæger sig væk fra det galaktiske centrum, men stiger. Denne opførsel af stjernerne kunne kun forklares med tilstedeværelsen af ​​en glorie i galaksen, som er fyldt med mørkt stof. Astronomi stod således over for en helt uudforsket del af universet.

Egenskaber og sammensætning

Dette kaldes mørkt, fordi det ikke kan ses på nogen eksisterende måde. Dens tilstedeværelse genkendes af et indirekte tegn: mørkt stof skaber et gravitationsfelt, mens det overhovedet ikke udsender elektromagnetiske bølger.

Den vigtigste opgave for forskere var at få svar på spørgsmålet om, hvad denne sag består af. Astrofysikere forsøgte at "fylde" det med det sædvanlige baryoniske stof (baryonisk stof består af mere eller mindre undersøgte protoner, neutroner og elektroner). Den mørke glorie af galakser omfattede kompakte, svagt emitterende stjerner af typen og enorme planeter tæt på Jupiter i massevis. Sådanne antagelser stod dog ikke til at blive gransket. Baryonisk stof, velkendt og velkendt, kan således ikke spille en væsentlig rolle i den skjulte masse af galakser.

I dag er fysikken engageret i jagten på ukendte komponenter. Praktisk forskning udført af videnskabsmænd er baseret på teorien om supersymmetri i mikroverdenen, ifølge hvilken der for hver kendt partikel er et supersymmetrisk par. Det er disse, der udgør mørkt stof. Det har dog endnu ikke været muligt at skaffe beviser for eksistensen af ​​sådanne partikler, måske er det et spørgsmål om den nærmeste fremtid.

Mørk energi

Opdagelsen af ​​en ny type stof afsluttede ikke de overraskelser, som universet havde forberedt for videnskabsmænd. I 1998 havde astrofysikere endnu en chance for at sammenligne teoretiske data med fakta. Dette år var præget af en eksplosion i en galakse langt fra os.

Astronomer målte afstanden til den og var ekstremt overraskede over de data, de modtog: stjernen blussede meget længere op, end den burde have været ifølge den eksisterende teori. Det viste sig, at det er stigende over tid: nu er det meget højere, end det var for 14 milliarder år siden, da Big Bang angiveligt fandt sted.

Som du ved, for at accelerere bevægelsen af ​​en krop, skal den overføre energi. Den kraft, der tvinger universet til at udvide sig hurtigere, er blevet kaldt mørk energi. Dette er ikke mindre mystisk del af rummet end mørkt stof. Det er kun kendt, at det er karakteriseret ved en ensartet fordeling i hele universet, og dets påvirkning kan kun registreres på enorme kosmiske afstande.

Og igen den kosmologiske konstant

Mørk energi har rystet big bang-teorien. En del af den videnskabelige verden er skeptisk over for muligheden for et sådant stof og accelerationen af ​​ekspansion forårsaget af det. Nogle astrofysikere forsøger at genoplive Einsteins glemte kosmologiske konstant, som igen kan gå fra at være en stor videnskabelig fejltagelse til en arbejdshypotese. Dens tilstedeværelse i ligningerne skaber antityngdekraft, hvilket fører til acceleration af ekspansion. Men nogle konsekvenser af tilstedeværelsen af ​​en kosmologisk konstant er ikke i overensstemmelse med observationsdata.

I dag er mørkt stof og mørk energi, som udgør det meste af stoffet i universet, mysterier for videnskabsmænd. Der er ikke noget klart svar på spørgsmålet om deres natur. Desuden er det måske ikke den sidste hemmelighed, som rummet holder for os. Mørkt stof og energi kan være tærsklen for nye opdagelser, der kan revolutionere vores forståelse af universets struktur.

Hvad kom først: ægget eller hønen? Over dette et simpelt spørgsmål Forskere over hele verden har kæmpet i årtier. Et lignende spørgsmål opstår om, hvad der skete i begyndelsen, i øjeblikket for universets skabelse. Er det sket, denne skabelse, eller er universerne cykliske eller uendelige? Hvad er sort stof i rummet, og hvordan adskiller det sig fra hvidt stof? Smidt til side forskellige slags religion, lad os prøve at nærme os svarene på disse spørgsmål fra et videnskabeligt synspunkt. I løbet af de sidste par år har videnskabsmænd opnået noget utroligt. Sandsynligvis for første gang i historien stemte teoretiske fysikeres beregninger overens med eksperimentelle fysikeres beregninger. Flere forskellige teorier er blevet præsenteret for det videnskabelige samfund gennem årene. Mere eller mindre præcist, empirisk, nogle gange kvasi-videnskabeligt, blev de teoretiske beregnede data imidlertid bekræftet af eksperimenter, nogle endda med en forsinkelse på flere årtier (Higgs-bosonen, for eksempel).

- sort energi

Der er mange sådanne teorier, for eksempel: Big Bang, teorien om cykliske universer, teorien om parallelle universer, Modificeret Newtonsk Dynamik (MOND), F. Hoyles teori om et stationært univers og andre. Teorien om et konstant ekspanderende og udviklende univers, hvis teser passer godt inden for rammerne af Big Bang-konceptet, anses i øjeblikket for at være alment accepteret. På samme tid kvasi-empirisk (dvs. empirisk, men med store tolerancer og baseret på eksisterende moderne teorier strukturen af ​​mikroverdenen), blev der opnået data om, at alle mikropartikler, vi kender, kun udgør 4,02% af det samlede volumen af ​​hele universets sammensætning. Dette er den såkaldte "baryoncocktail", eller baryonisk stof. Imidlertid er hovedparten af ​​vores univers (mere end 95%) stoffer af en anden type, med en anden sammensætning og egenskaber. Dette er det såkaldte sorte stof og sort energi. De opfører sig forskelligt: ​​de reagerer forskelligt på forskellige slags reaktioner, detekteres ikke med eksisterende tekniske midler og udviser tidligere ustuderede egenskaber. Ud fra dette kan vi konkludere, at enten adlyder disse stoffer andre fysiklove (ikke-newtonsk fysik, den verbale analog til ikke-euklidisk geometri), eller også er vores udviklingsniveau af videnskab og teknologi kun i den indledende fase af dens dannelse.

Hvad er baryoner?

Ifølge den nuværende eksisterende kvark-gluon-model af stærke vekselvirkninger er der kun seksten elementarpartikler (og den nylige opdagelse af Higgs-bosonen bekræfter dette): seks typer (smag) af kvarker, otte gluoner og to bosoner. Baryoner er tunge elementarpartikler med stærke vekselvirkninger. De mest berømte af dem er kvarker, protoner og neutroner. Familier af sådanne stoffer, der adskiller sig i spin, masse, deres "farve" såvel som "fascination" og "mærkeligheds"-tal, er netop byggestenene i det, vi kalder baryonisk stof. Sort (mørkt) stof, der udgør 21,8% af universets samlede sammensætning, består af andre partikler, der ikke udsender elektromagnetisk stråling og ikke reagerer med den på nogen måde. For direkte observation som et minimum, og endnu mere for registrering af sådanne stoffer, er det derfor nødvendigt først at forstå deres fysik og blive enige om de love, som de adlyder. Mange moderne videnskabsmænd arbejder i øjeblikket på dette spørgsmål i forskningsinstitutter i forskellige lande.

Den mest sandsynlige mulighed

Hvilke stoffer anses for mulige? Til at begynde med skal det bemærkes, at der kun er to mulige muligheder. Ifølge GTR og STR (General and Special Theory of Relativity) kan dette stof i sammensætning være både baryonisk og ikke-baryonisk mørkt stof (sort). Ifølge den grundlæggende Big Bang-teori er alt eksisterende stof repræsenteret i form af baryoner. Denne afhandling er blevet bevist med ekstrem høj nøjagtighed. I øjeblikket har videnskabsmænd lært at detektere partikler dannet et minut efter brud på singulariteten, det vil sige efter eksplosionen af ​​en supertæt stoftilstand, med en kropsmasse, der tenderer til uendeligt, og kropsdimensioner, der tenderer til nul. Scenariet med baryoniske partikler er det mest sandsynlige, da det er fra dem, vores univers består, og gennem dem fortsætter dets ekspansion. Sort stof består ifølge denne antagelse af grundlæggende partikler, der generelt er accepteret af newtonsk fysik, men af ​​en eller anden grund vekselvirker svagt elektromagnetisk. Det er derfor, detektorer ikke registrerer dem.

Ikke alt er så glat

Dette scenarie passer til mange videnskabsmænd, men der er stadig flere spørgsmål end svar. Hvis både sort og hvidt stof kun er repræsenteret af baryoner, bør koncentrationen af ​​lette baryoner som en procentdel af tunge, som et resultat af primær nukleosyntese, være anderledes i universets oprindelige astronomiske objekter. Og tilstedeværelsen i vores galakse af en ligevægt tilstrækkeligt antal store gravitationsobjekter, såsom sorte huller eller neutronstjerner, for at afbalancere massen af ​​vores Mælkevejs glorie. Men de samme neutronstjerner, mørke galaktiske glorier, sort sort og (stjerner i forskellige stadier af deres livscyklus), er sandsynligvis en del af det mørke stof, der udgør mørkt stof. Sort energi kan også fylde dem, herunder i forudsagte hypotetiske objekter såsom preon, kvark og Q-stjerner.

Ikke-baryoniske kandidater

Det andet scenarie indebærer en ikke-baryonisk begyndelse. Her kan flere typer partikler fungere som kandidater. For eksempel lette neutrinoer, hvis eksistens allerede er bevist af forskere. Imidlertid udelukker deres masse, i størrelsesordenen en hundrededel til en ti tusindedel af en eV (elektron-volt), praktisk talt dem fra mulige partikler på grund af uopnåeligheden af ​​den nødvendige kritiske tæthed. Men tunge neutrinoer, parret med tunge leptoner, manifesterer sig praktisk talt ikke under almindelige forhold. Sådanne neutrinoer kaldes sterile med deres maksimale masse på op til en tiendedel af en eV, de er mere tilbøjelige til at være kandidatpartikler af mørkt stof. Axioner og kosmioner blev kunstigt indført i fysiske ligninger for at løse problemer i kvantekromodynamik og standardmodellen. Sammen med en anden stabil supersymmetrisk partikel (SUSY-LSP) kan de godt være kandidater, da de ikke deltager i elektromagnetiske og stærke interaktioner. Men i modsætning til neutrinoer er de stadig hypotetiske, deres eksistens skal stadig bevises.

Teori om sort stof

Manglen på masse i universet giver anledning til forskellige teorier om dette spørgsmål, hvoraf nogle er ganske gyldige. For eksempel teorien om, at almindelig tyngdekraft ikke er i stand til at forklare stjernernes mærkelige og ekstremt hurtige rotation i spiralgalakser. Ved sådanne hastigheder ville de simpelthen flyve ud over dets grænser, hvis ikke der var en holdstyrke, som endnu ikke er mulig at registrere. Andre teorier forklarer umuligheden af ​​at opnå WIMP'er (massive elektrosvagt interagerende partnerpartikler af elementære subpartikler, supersymmetriske og supertunge - det vil sige ideelle kandidater) under terrestriske forhold, da de lever i n-dimensionen, som er mere forskellig fra vores tredimensionelle en. Ifølge Kaluza-Klein-teorien er sådanne målinger ikke tilgængelige for os.

Foranderlige stjerner

En anden teori beskriver, hvordan variable stjerner og sort stof interagerer med hinanden. Lysstyrken af ​​en sådan stjerne kan ændre sig ikke kun på grund af metafysiske processer, der forekommer indeni (pulsering, kromosfærisk aktivitet, udstødning af prominenser, overløb og formørkelser i binære stjerner). stjernesystemer, supernovaeksplosion), men også på grund af mørkt stofs anomale egenskaber.

WARP motor

Ifølge en teori kan mørkt stof bruges som brændstof til underrumsmotorer i rumskibe, der opererer ved hjælp af hypotetisk WARP Engine-teknologi. Potentielt tillader sådanne motorer skibet at bevæge sig med hastigheder, der overstiger lysets hastighed. Teoretisk set er de i stand til at bøje plads foran og bagved skibet og flytte det endnu hurtigere end elektromagnetisk bølge accelererer i et vakuum. Selve skibet er ikke lokalt accelereret - kun det rumlige felt foran er bøjet. Mange science fiction-historier bruger denne teknologi, såsom Star Trek-sagaen.

Produktion under terrestriske forhold

Forsøg på at generere og opnå sort stof på jorden har stadig ikke ført til succes. I øjeblikket udføres eksperimenter ved LHC (Large Hadron Collider), præcis hvor Higgs-bosonet først blev opdaget, såvel som ved andre, mindre kraftfulde, herunder lineære kollidere, på jagt efter stabile, men elektromagnetisk svagt interagerende partnere af elementære partikler. Der er dog endnu ikke opnået hverken photino, gravitino, higsino eller sneutrino (neutralino), såvel som andre WIMP'er (WIMP'er). Ifølge et foreløbigt forsigtigt skøn fra videnskabsmænd kræver det at producere et milligram mørkt stof under jordiske forhold, hvad der svarer til den energi, der forbruges i USA i et år.

Alt, hvad vi ser omkring os (stjerner og galakser) er ikke mere end 4-5% af den samlede masse i universet!

Ifølge moderne kosmologiske teorier består vores univers kun af 5 % af almindeligt, såkaldt baryonisk stof, som danner alle observerbare objekter; 25 % mørkt stof detekteret på grund af tyngdekraften; og mørk energi, der udgør så meget som 70% af det samlede antal.

Begreberne mørk energi og mørkt stof er ikke helt vellykkede og repræsenterer en bogstavelig, men ikke semantisk, oversættelse fra engelsk.

I fysisk forstand indebærer disse udtryk kun, at disse stoffer ikke interagerer med fotoner, og de kunne lige så nemt kaldes usynligt eller gennemsigtigt stof og energi.

Mange moderne videnskabsmænd er overbevist om, at forskning rettet mod at studere mørk energi og stof sandsynligvis vil hjælpe med at svare globalt problem: hvad venter vores univers i fremtiden?

Klumper på størrelse med en galakse

Mørkt stof er et stof, der højst sandsynligt består af nye partikler, der stadig er ukendte under jordiske forhold og har egenskaber, der er iboende i det almindelige stof selv. For eksempel er den også i stand til, ligesom almindelige stoffer, at samle sig i klumper og deltage i gravitationsinteraktioner. Men størrelsen af ​​disse såkaldte klumper kan overstige en hel galakse eller endda en klynge af galakser.

Fremgangsmåder og metoder til at studere mørkt stof partikler

I øjeblikket forsøger forskere verden over på alle mulige måder at opdage eller kunstigt opnå partikler af mørkt stof under terrestriske forhold ved hjælp af specialudviklet ultrateknologisk udstyr og mange forskellige forskningsmetoder, men indtil videre er alle deres bestræbelser ikke blevet kronet. med succes.

En metode involverer at udføre eksperimenter med højenergiacceleratorer, almindeligvis kendt som kollidere. Forskere, der mener, at mørkt stof-partikler er 100-1000 gange tungere end en proton, antager, at de bliver nødt til at blive genereret ved kollisionen af ​​almindelige partikler, der accelereres til høje energier gennem en kolliderer. Essensen af ​​en anden metode er at registrere mørkt stof partikler, der findes overalt omkring os. Den største vanskelighed ved at registrere disse partikler er, at de udviser meget svag interaktion med almindelige partikler, som i sagens natur er gennemsigtige for dem. Og alligevel kolliderer mørkt stof partikler meget sjældent med atomkerner, og der er et vist håb om at registrere dette fænomen før eller siden.

Der er andre tilgange og metoder til at studere mørkt stof-partikler, og kun tiden vil vise, hvilken der vil være den første til at lykkes, men under alle omstændigheder vil opdagelsen af ​​disse nye partikler være en stor videnskabelig bedrift.

Stof med anti-tyngdekraft

Mørk energi er et endnu mere usædvanligt stof end mørkt stof. Det har ikke evnen til at samle sig i klumper, som et resultat af hvilket det er jævnt fordelt over hele universet. Men dens mest usædvanlige egenskab i øjeblikket er antigravitation.

Naturen af ​​mørkt stof og sorte huller

Takket være moderne astronomiske metoder Det er muligt at bestemme universets ekspansionshastighed på nuværende tidspunkt og simulere processen med dets ændring tidligere i tiden. Som et resultat af dette blev der opnået information om, at vores univers i øjeblikket, såvel som i den seneste tid, udvider sig, og tempoet i denne proces er konstant stigende. Det er grunden til, at hypotesen om antityngdekraften af ​​mørk energi opstod, da almindelig gravitationstiltrækning ville have en langsommere effekt på processen med "spredning af galakser", hvilket begrænser universets ekspansionshastighed. Dette fænomen er ikke i modstrid med den generelle relativitetsteori, men mørk energi skal have undertryk – en egenskab, som intet aktuelt kendt stof har.

Kandidater til rollen som "Dark Energy"

Massen af ​​galakserne i Abel 2744-hoben er mindre end 5 procent af dens samlede masse. Denne gas er så varm, at den kun lyser i røntgenstråler (rød på dette billede). Fordelingen af ​​usynligt mørkt stof (som udgør omkring 75 procent af klyngens masse) er farvet blåt.

En af de formodede kandidater til rollen som mørk energi er vakuum, hvis energitæthed forbliver uændret under udvidelsen af ​​universet og derved bekræfter vakuumets negative tryk. En anden formodet kandidat er "kvintessensen" - et hidtil ukendt ultrasvagt felt, der angiveligt passerer gennem hele universet. Der er også andre mulige kandidater, men ingen af ​​dem har hidtil bidraget til at få et præcist svar på spørgsmålet: hvad er mørk energi? Men det er allerede klart, at mørk energi er noget helt overnaturligt, der forbliver hovedmysteriet for fundamental fysik i det 21. århundrede.

Universet består kun af 4,9% almindeligt stof – baryonisk stof, som udgør vores verden. De fleste af de 74% af hele universet består af mystisk mørk energi, og 26,8% af massen i universet består af fysik-trodsende, svært at opdage partikler kaldet mørkt stof.

Dette mærkelige og usædvanlige begreb om mørkt stof blev foreslået i et forsøg på at forklare det uforklarlige astronomiske fænomener. Så videnskabsmænd begyndte at tale om eksistensen af ​​en eller anden kraftfuld energi, så tæt og massiv - det er fem gange mere end det almindelige stof af stof, som vores verden består af, som vi er lavet af, efter at have opdaget uforståelige fænomener i stjernernes tyngdekraft. og universets dannelse.

Hvor kom begrebet mørkt stof fra?

Således har stjerner i spiralgalakser som vores ganske høj hastighed appeller og ved alle love, med så hurtige bevægelser, skal de simpelthen flyve ud i det intergalaktiske rum, som appelsiner fra en væltet kurv, men det gør de ikke. De holdes af en meget stærk gravitationskraft, som ikke registreres eller fanges af nogen af ​​vores metoder.

Forskere modtog en anden interessant bekræftelse af eksistensen af ​​noget mørkt stof fra undersøgelser af den kosmiske mikrobølgebaggrund. De viste, at stof efter Big Bang oprindeligt var ensartet fordelt i rummet, men nogle steder var dens tæthed lidt højere end gennemsnittet. Disse områder havde stærkere tyngdekraft, i modsætning til dem, der omgav dem, og på samme tid, som tiltrækker stof til sig selv, blev de endnu tættere og mere massive. Hele denne proces burde have været for langsom til at danne store galakser, inklusive vores, på kun 13,8 milliarder år (som er universets alder). Mælkevejen.

Det forbliver således at antage, at udviklingshastigheden af ​​galakser accelereres af tilstedeværelsen af ​​en tilstrækkelig mængde mørkt stof med dens ekstra tyngdekraft, hvilket signifikant accelererer denne proces.

Hvad er mørkt stof?

En af de centrale ideer er, at sort stof består af endnu uopdagede subatomære partikler. Hvilken slags partikler er det, og hvem søger denne rolle, der er mange kandidater.

Det antages, at grundlæggende elementarpartikler fra fermionfamilien har supersymmetriske partnere fra en anden familie - bosoner. Sådanne svagt interagerende massive partikler kaldes WIMP'er (eller blot WIMP'er). Den letteste og mest stabile superpartner er neutralino. Dette er den mest sandsynlige kandidat til rollen som mørkt stofstoffer.

I øjeblikket har forsøg på at opnå en neutralino eller i det mindste en lignende eller helt anden partikel af mørkt stof ikke ført til succes. Test til produktion af neutralinoer blev lavet i ultra-højenergi-kollisioner ved den berømte og forskelligt vurderede Large Hadron Collider. I fremtiden vil der blive udført eksperimenter med endnu højere kollisionsenergier, men det garanterer ikke, at i det mindste nogle modeller af mørkt stof vil blive opdaget.

Som Matthew McCullough (fra Center for Teoretisk Fysik ved Massachusetts Institute of Technology) siger Teknologisk Institut) - "Vores almindelige verden er kompleks, den er ikke bygget af partikler af samme type, men hvad nu hvis mørkt stof også er komplekst?" Ifølge hans teori kunne mørkt stof hypotetisk interagere med sig selv, men samtidig ignorere almindeligt stof. Derfor kan vi ikke bemærke og på en eller anden måde registrere dens tilstedeværelse.

(Kort over den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) lavet af Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP))

Vores Mælkevejsgalakse består af en enorm sfærisk roterende sky af mørkt stof, blandet med lille mængde almindeligt stof, der komprimeres af tyngdekraften. Dette sker hurtigere mellem polerne, ikke så meget som i ækvatorområdet. Som et resultat får vores galakse udseendet af en fladtrykt spiralskive af stjerner og styrter ned i en sfæroid sky af mørkt stof.

Teorier om eksistensen af ​​mørkt stof

For at forklare arten af ​​den manglende masse i universet, er forskellige teorier blevet fremsat, på den ene eller den anden måde, der taler om eksistensen af ​​mørkt stof. Her er nogle af dem:

• Tyngdekraftens tiltrækning af almindeligt detekterbart stof i Universet kan ikke forklare stjernernes mærkelige bevægelse i galakser, hvor stjernerne i spiralgalaksernes ydre områder roterer så hurtigt, at de simpelthen burde flyve ud i det interstellare rum. Hvad holder dem tilbage, hvis det ikke kan optages?
• Eksisterende mørkt stof overstiger universets almindelige stof med 5,5 gange, og kun dets ekstra tyngdekraft kan forklare stjernernes ukarakteristiske bevægelser i spiralgalakser.
• Mulige mørkt stofpartikler er WIMP'er, de er svagt interagerende massive partikler og er supertunge supersymmetriske partnere til subatomære partikler. I teorien er der over tre rumlige dimensioner, som er utilgængelige for os. Vanskeligheden er, hvordan man registrerer dem, når yderligere dimensioner ifølge Kaluza-Klein-teorien viser sig at være utilgængelige for os.

Er det muligt at opdage mørkt stof?

Enorme mængder af mørkt stof partikler flyver gennem Jorden, men da mørkt stof ikke interagerer, og hvis der er interaktion, er det ekstremt svagt, næsten nul, med almindeligt stof, så blev der i de fleste eksperimenter ikke opnået signifikante resultater.

Ikke desto mindre bliver forsøg på at registrere tilstedeværelsen af ​​mørkt stof forsøgt i eksperimenter, der involverer kollision af forskellige atomkerner (silicium, xenon, fluor, jod og andre) i håbet om at se virkningen af ​​den mørke stofpartikel.

Ved Neutrino Astronomical Observatory på Amundsen-Scott Station med interessant navn IceCube udfører forskning for at opdage højenergiske neutrinoer født uden for solsystemet.

Her på Sydpolen, hvor temperaturen udenfor er nede på -80 °C, i en dybde på 2,4 km under isen, er der installeret højpræcisionselektronik, hvilket giver en kontinuerlig proces med at observere de mystiske processer i Universet, der sker ud over almindeligt stof. Indtil videre er disse kun forsøg på at komme tættere på at optrevle universets dybeste hemmeligheder, men der er allerede nogle succeser, såsom den historiske opdagelse af 28 neutrinoer.

Så. Det er utroligt interessant, at universet, bestående af mørkt stof, utilgængeligt for synlige undersøgelser af os, kan vise sig at være mange gange mere komplekst end strukturen af ​​vores univers. Eller måske er universet af mørkt stof væsentligt overlegent i forhold til vores, og det er der, at alle de vigtige ting sker, hvis ekkoer vi forsøger at se i vores almindelige stof, men dette er allerede på vej ind i science fiction-området.