डार्क मैटर क्या है? बस जटिल चीजों के बारे में: डार्क मैटर क्या है और इसे कहां खोजना है

भौतिकी में एक सैद्धांतिक निर्माण जिसे मानक मॉडल कहा जाता है, सभी की अंतःक्रियाओं का वर्णन करता है विज्ञान के लिए जाना जाता है प्राथमिक कण. लेकिन यह ब्रह्मांड में विद्यमान पदार्थ का केवल 5% है, शेष 95% बिल्कुल है अज्ञात प्रकृति. यह काल्पनिक डार्क मैटर क्या है और वैज्ञानिक इसका पता कैसे लगाने की कोशिश कर रहे हैं? एमआईपीटी के छात्र और भौतिकी और खगोल भौतिकी विभाग के कर्मचारी हायक हाकोबयान एक विशेष परियोजना के हिस्से के रूप में इस बारे में बात करते हैं।

प्राथमिक कणों का मानक मॉडल, जिसकी अंततः हिग्स बोसोन की खोज के बाद पुष्टि की गई, उन सामान्य कणों की मूलभूत अंतःक्रियाओं (इलेक्ट्रोकमजोर और मजबूत) का वर्णन करता है जिन्हें हम जानते हैं: लेप्टान, क्वार्क और बल वाहक (बोसोन और ग्लूऑन)। हालाँकि, यह पता चला है कि यह संपूर्ण विशाल जटिल सिद्धांत सभी पदार्थों के केवल 5-6% का ही वर्णन करता है, जबकि बाकी इस मॉडल में फिट नहीं बैठता है। हमारे ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों के अवलोकन से हमें पता चलता है कि हमारे चारों ओर मौजूद लगभग 95% पदार्थ पूरी तरह से अज्ञात प्रकृति का है। दूसरे शब्दों में कहें तो हम अप्रत्यक्ष रूप से इस छिपे हुए पदार्थ की उपस्थिति को इसके गुरुत्वाकर्षण प्रभाव के कारण देखते हैं, लेकिन हम अभी तक इसे सीधे तौर पर पकड़ने में सक्षम नहीं हो पाए हैं। इस छिपी हुई सामूहिक घटना को "डार्क मैटर" नाम दिया गया है।

आधुनिक विज्ञान, विशेषकर ब्रह्माण्ड विज्ञान, शर्लक होम्स की निगमनात्मक पद्धति के अनुसार कार्य करता है

अब WISP समूह का मुख्य उम्मीदवार अक्षतंतु है, जो मजबूत अंतःक्रिया के सिद्धांत में उत्पन्न होता है और इसका द्रव्यमान बहुत छोटा होता है। ऐसा कण उच्च चुंबकीय क्षेत्र में फोटॉन-फोटॉन जोड़ी में बदलने में सक्षम है, जो संकेत देता है कि कोई इसका पता लगाने का प्रयास कैसे कर सकता है। एडीएमएक्स प्रयोग बड़े कक्षों का उपयोग करता है जो 80,000 गॉस का चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं (जो कि 100,000 गुना अधिक है) चुंबकीय क्षेत्रधरती)। सिद्धांत रूप में, ऐसे क्षेत्र को एक एक्सियन के क्षय को फोटॉन-फोटॉन जोड़ी में उत्तेजित करना चाहिए, जिसे डिटेक्टरों को पकड़ना चाहिए। कई प्रयासों के बावजूद, अभी तक WIMPs, axions या बाँझ न्यूट्रिनो का पता लगाना संभव नहीं हो सका है।

इस प्रकार, हमने छिपे हुए द्रव्यमान की अजीब उपस्थिति को समझाने की कोशिश में बड़ी संख्या में विभिन्न परिकल्पनाओं के माध्यम से यात्रा की है, और, अवलोकनों की मदद से सभी असंभवताओं को खारिज कर दिया है, हम कई संभावित परिकल्पनाओं पर पहुंचे हैं जिनके साथ हम पहले से ही काम कर सकते हैं।

विज्ञान में एक नकारात्मक परिणाम भी एक परिणाम है, क्योंकि यह कणों के विभिन्न मापदंडों पर प्रतिबंध देता है, उदाहरण के लिए, यह संभावित द्रव्यमान की सीमा को समाप्त कर देता है। साल-दर-साल, त्वरक में अधिक से अधिक नए अवलोकन और प्रयोग डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान और अन्य मापदंडों पर नए, अधिक कठोर प्रतिबंध प्रदान करते हैं। इस प्रकार, सभी असंभव विकल्पों को बाहर फेंककर और खोजों के दायरे को कम करके, दिन-ब-दिन हम यह समझने के करीब पहुंच रहे हैं कि हमारे ब्रह्मांड में 95% पदार्थ किससे बने हैं।

श्रृंखला के लेखों में हमने दृश्यमान ब्रह्मांड की संरचना की जांच की। हमने इसकी संरचना और इस संरचना को बनाने वाले कणों के बारे में बात की। न्यूक्लियंस बजाने के बारे में मुख्य भूमिका, क्योंकि उन्हीं से समस्त दृश्यमान पदार्थ निर्मित होते हैं। फोटॉन, इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो के बारे में, और बिग बैंग के 14 अरब साल बाद होने वाले सार्वभौमिक नाटक में शामिल सहायक अभिनेताओं के बारे में भी। ऐसा लगेगा कि बात करने के लिए और कुछ नहीं है। लेकिन यह सच नहीं है. तथ्य यह है कि जो पदार्थ हम देखते हैं वह हमारी दुनिया का केवल एक छोटा सा हिस्सा है। बाकी सब कुछ कुछ ऐसा है जिसके बारे में हम लगभग कुछ भी नहीं जानते हैं। इस रहस्यमयी "कुछ" को डार्क मैटर कहा जाता है।

यदि वस्तुओं की छाया उनके आकार पर निर्भर नहीं होती,
और यदि उनकी अपनी मनमानी वृद्धि होती, तो शायद
जल्द ही वहाँ कुछ भी नहीं बचेगा ग्लोबएक भी उजली ​​जगह नहीं.

कोज़मा प्रुतकोव

हमारी दुनिया का क्या होगा?

1929 में एडवर्ड हबल द्वारा दूर की आकाशगंगाओं के स्पेक्ट्रा में रेडशिफ्ट की खोज के बाद, यह स्पष्ट हो गया कि ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है। इस संबंध में जो प्रश्न उठे उनमें से एक निम्नलिखित था: विस्तार कब तक चलेगा और इसका अंत कैसे होगा? ब्रह्मांड के अलग-अलग हिस्सों के बीच कार्यरत गुरुत्वाकर्षण आकर्षण बल इन हिस्सों के पीछे हटने को धीमा कर देते हैं। ब्रेक लगाने से क्या होगा यह ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान पर निर्भर करता है। यदि यह पर्याप्त बड़ा है, तो गुरुत्वाकर्षण बल धीरे-धीरे विस्तार को रोक देंगे और इसकी जगह संपीड़न ले लेगा। परिणामस्वरूप, ब्रह्मांड अंततः उस बिंदु पर फिर से "पतन" कर देगा जहां से एक बार इसका विस्तार शुरू हुआ था। यदि द्रव्यमान एक निश्चित क्रांतिक द्रव्यमान से कम है, तो विस्तार हमेशा के लिए जारी रहेगा। आमतौर पर द्रव्यमान के बारे में नहीं, बल्कि घनत्व के बारे में बात करने की प्रथा है, जो द्रव्यमान से ज्ञात एक साधारण संबंध से संबंधित है स्कूल पाठ्यक्रम: घनत्व द्रव्यमान को आयतन से विभाजित किया जाता है।

ब्रह्मांड के क्रांतिक औसत घनत्व का परिकलित मान लगभग 10 -29 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर है, जो प्रति घन मीटर औसतन पांच न्यूक्लियॉन के अनुरूप है। इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए हम बात कर रहे हैंविशेष रूप से औसत घनत्व के बारे में। जल, पृथ्वी तथा आपके और मेरे शरीर में न्यूक्लियॉन की विशिष्ट सांद्रता लगभग 10 30 प्रति घन मीटर है। हालाँकि, उस शून्य में जो आकाशगंगाओं के समूहों को अलग करती है और ब्रह्मांड के आयतन के शेर के हिस्से पर कब्जा करती है, घनत्व कम परिमाण के दसियों क्रम का है। ब्रह्मांड के संपूर्ण आयतन पर औसतन न्यूक्लियॉन सांद्रता मान को दसियों और सैकड़ों बार मापा गया, विभिन्न तरीकों का उपयोग करके सितारों और गैस और धूल के बादलों की संख्या की सावधानीपूर्वक गणना की गई। ऐसे मापों के परिणाम कुछ हद तक भिन्न होते हैं, लेकिन गुणात्मक निष्कर्ष अपरिवर्तित होता है: ब्रह्मांड का घनत्व मुश्किल से महत्वपूर्ण मूल्य के कुछ प्रतिशत तक पहुंचता है।

इसलिए, 20वीं सदी के 70 के दशक तक, आम तौर पर स्वीकृत पूर्वानुमान हमारी दुनिया का शाश्वत विस्तार था, जो अनिवार्य रूप से तथाकथित गर्मी से मौत का कारण बनना चाहिए। ऊष्मा मृत्यु किसी प्रणाली की वह अवस्था है जब उसमें पदार्थ समान रूप से वितरित होता है और उसके विभिन्न भागों का तापमान समान होता है। परिणामस्वरूप, न तो सिस्टम के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में ऊर्जा का स्थानांतरण संभव है, न ही पदार्थ का पुनर्वितरण संभव है। ऐसी व्यवस्था में कुछ भी नहीं होता और न ही कभी हो सकता है। एक स्पष्ट सादृश्य किसी भी सतह पर गिरा हुआ पानी है। यदि सतह असमान है और ऊंचाई में थोड़ा भी अंतर है, तो पानी इसके साथ ऊंचे स्थानों से निचले स्थानों की ओर बढ़ता है और अंततः निचले इलाकों में इकट्ठा होता है, जिससे पोखर बन जाते हैं। हलचल रुक जाती है. एकमात्र सांत्वना यह थी कि गर्मी से मृत्यु दसियों और सैकड़ों अरबों वर्षों में होगी। नतीजतन, आपको इस निराशाजनक संभावना के बारे में बहुत, बहुत लंबे समय तक सोचने की ज़रूरत नहीं है।

हालाँकि, यह धीरे-धीरे स्पष्ट हो गया कि ब्रह्मांड का वास्तविक द्रव्यमान सितारों और गैस और धूल के बादलों में निहित दृश्य द्रव्यमान से कहीं अधिक है और, सबसे अधिक संभावना है, महत्वपूर्ण के करीब है। या शायद बिल्कुल इसके बराबर.

डार्क मैटर के लिए साक्ष्य

ब्रह्मांड के द्रव्यमान की गणना में कुछ गड़बड़ी होने का पहला संकेत 20वीं सदी के मध्य 30 के दशक में सामने आया। स्विस खगोलशास्त्री फ्रिट्ज़ ज़्विकी ने उस गति को मापा जिस पर कोमा क्लस्टर (हमारे ज्ञात सबसे बड़े समूहों में से एक, इसमें हजारों आकाशगंगाएँ शामिल हैं) में आकाशगंगाएँ एक सामान्य केंद्र के चारों ओर घूमती हैं। परिणाम हतोत्साहित करने वाला था: आकाशगंगाओं का वेग क्लस्टर के देखे गए कुल द्रव्यमान के आधार पर अपेक्षा से कहीं अधिक था। इसका मतलब यह था कि कोमा क्लस्टर का वास्तविक द्रव्यमान स्पष्ट द्रव्यमान से कहीं अधिक था। लेकिन ब्रह्मांड के इस क्षेत्र में मौजूद पदार्थ की मुख्य मात्रा, किसी कारण से, अदृश्य और प्रत्यक्ष अवलोकन के लिए दुर्गम बनी हुई है, जो केवल गुरुत्वाकर्षण के रूप में, यानी केवल द्रव्यमान के रूप में प्रकट होती है।

आकाशगंगा समूहों में छिपे हुए द्रव्यमान की उपस्थिति तथाकथित गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग पर प्रयोगों से भी प्रमाणित होती है। इस घटना की व्याख्या सापेक्षता के सिद्धांत से होती है। इसके अनुसार, कोई भी द्रव्यमान अंतरिक्ष को विकृत कर देता है और, लेंस की तरह, प्रकाश किरणों के सीधा पथ को विकृत कर देता है। आकाशगंगा समूहों के कारण होने वाली विकृति इतनी अधिक है कि इसे नोटिस करना आसान है। विशेष रूप से, क्लस्टर के पीछे स्थित आकाशगंगा की छवि के विरूपण से, लेंस क्लस्टर में पदार्थ के वितरण की गणना करना और इस तरह इसके कुल द्रव्यमान को मापना संभव है। और यह पता चलता है कि यह हमेशा क्लस्टर के दृश्यमान पदार्थ के योगदान से कई गुना अधिक होता है।

ज़्विकी के काम के 40 साल बाद, 70 के दशक में, अमेरिकी खगोलशास्त्री वेरा रुबिन ने आकाशगंगाओं की परिधि पर स्थित पदार्थ के आकाशगंगा केंद्र के चारों ओर घूमने की गति का अध्ययन किया। केप्लर के नियमों के अनुसार (और वे सीधे कानून का पालन करते हैं सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण), जब आकाशगंगा के केंद्र से उसकी परिधि की ओर बढ़ते हैं, तो आकाशगंगा वस्तुओं की घूर्णन गति विपरीत अनुपात में कम होनी चाहिए वर्गमूलदूरी से केंद्र तक. मापों से पता चला है कि कई आकाशगंगाओं के लिए यह गति केंद्र से बहुत महत्वपूर्ण दूरी पर लगभग स्थिर रहती है। इन परिणामों की व्याख्या केवल एक ही तरीके से की जा सकती है: केंद्र से आगे बढ़ने पर ऐसी आकाशगंगाओं में पदार्थ का घनत्व कम नहीं होता है, बल्कि लगभग अपरिवर्तित रहता है। चूँकि दृश्यमान पदार्थ (तारों और अंतरतारकीय गैस में निहित) का घनत्व तेजी से आकाशगंगा की परिधि की ओर गिरता है, गायब घनत्व की आपूर्ति किसी ऐसी चीज़ से होनी चाहिए जिसे किसी कारण से हम नहीं देख सकते हैं। आकाशगंगाओं के केंद्र की दूरी पर घूर्णन दर की देखी गई निर्भरता को मात्रात्मक रूप से समझाने के लिए, यह आवश्यक है कि यह अदृश्य "कुछ" सामान्य दृश्यमान पदार्थ से लगभग 10 गुना बड़ा हो। इस "कुछ" को "डार्क मैटर" कहा जाता था (अंग्रेजी में " गहरे द्रव्य") और अभी भी खगोल भौतिकी में सबसे दिलचस्प रहस्य बना हुआ है।

हमारी दुनिया में डार्क मैटर की मौजूदगी का एक और महत्वपूर्ण सबूत आकाशगंगा निर्माण की प्रक्रिया का अनुकरण करने वाली गणनाओं से मिलता है जो बिग बैंग के लगभग 300,000 साल बाद शुरू हुई थी। इन गणनाओं से पता चलता है कि विस्फोट के दौरान उत्पन्न पदार्थ के उड़ते हुए टुकड़ों के बीच काम करने वाली गुरुत्वाकर्षण आकर्षण शक्ति की भरपाई नहीं की जा सकी गतिज ऊर्जाबिखरने इस मामले को बस आकाशगंगाओं में एकत्रित नहीं होना चाहिए था, जिन्हें हम फिर भी देखते हैं आधुनिक युग. इस समस्या को गैलेक्टिक विरोधाभास कहा जाता है, और कब काइसे बिग बैंग सिद्धांत के विरुद्ध एक गंभीर तर्क माना गया। हालाँकि, अगर हम मान लें कि प्रारंभिक ब्रह्मांड में सामान्य पदार्थ के कण अदृश्य काले पदार्थ के कणों के साथ मिश्रित थे, तो गणना में सब कुछ सही हो जाता है और अंत मिलना शुरू हो जाता है - सितारों से आकाशगंगाओं का निर्माण, और फिर आकाशगंगाओं के समूह , संभव हो जाता है. उसी समय, जैसा कि गणना से पता चलता है, सबसे पहले आकाशगंगाओं में भारी संख्या में काले पदार्थ के कण जमा हुए और उसके बाद ही, गुरुत्वाकर्षण बलों के कारण, सामान्य पदार्थ के तत्व उन पर एकत्र हुए। कुल द्रव्यमानजो ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान का केवल कुछ प्रतिशत है। यह पता चला है कि परिचित और, ऐसा प्रतीत होता है, विस्तार से अध्ययन किया गया है दृश्य जगत, जिसके बारे में हमने हाल ही में सोचा था कि वह लगभग समझ में आ गया है, वास्तव में ब्रह्माण्ड जिस चीज़ से बना है उसमें एक छोटा सा जोड़ है। ग्रह, तारे, आकाशगंगाएँ और आप और मैं एक विशाल "कुछ" के लिए एक स्क्रीन मात्र हैं जिसके बारे में हमें ज़रा भी अंदाज़ा नहीं है।

फोटो तथ्य

आकाशगंगा समूह (परिक्रमा क्षेत्र के निचले बाईं ओर) एक गुरुत्वाकर्षण लेंस बनाता है। यह लेंस के पीछे स्थित वस्तुओं के आकार को विकृत कर देता है - उनकी छवियों को एक दिशा में खींच देता है। खिंचाव के परिमाण और दिशा के आधार पर, पेरिस इंस्टीट्यूट ऑफ एस्ट्रोफिजिक्स के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में दक्षिणी यूरोपीय वेधशाला के खगोलविदों के एक अंतरराष्ट्रीय समूह ने एक बड़े पैमाने पर वितरण का निर्माण किया, जो नीचे की छवि में दिखाया गया है। जैसा कि आप देख सकते हैं, क्लस्टर में दूरबीन से देखे जा सकने वाले द्रव्यमान से कहीं अधिक द्रव्यमान है।

अंधेरे, विशाल वस्तुओं का शिकार करना एक धीमी प्रक्रिया है, और परिणाम तस्वीरों में सबसे प्रभावशाली नहीं दिखते हैं। 1995 में, हबल टेलीस्कोप ने देखा कि बड़े मैगेलैनिक बादल में एक तारा अधिक चमकीला था। यह चमक तीन सेकेंड तक रही. अतिरिक्त महीना, लेकिन फिर तारा अपनी प्राकृतिक अवस्था में लौट आया। और छह साल बाद, तारे के बगल में, कुछ मुश्किल से दिखाई दिए चमकती वस्तु. यह एक ठंडा बौना था, जिसने तारे से 600 प्रकाश वर्ष की दूरी से गुजरते हुए, एक गुरुत्वाकर्षण लेंस बनाया जो प्रकाश को बढ़ाता था। गणना से पता चला है कि इस बौने का द्रव्यमान सूर्य के द्रव्यमान का केवल 5-10% है।

अंत में, सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत स्पष्ट रूप से ब्रह्मांड के विस्तार की दर को उसमें निहित पदार्थ के औसत घनत्व से जोड़ता है। यह मानते हुए कि अंतरिक्ष की औसत वक्रता शून्य है, अर्थात, लोबचेव्स्की की नहीं बल्कि यूक्लिड की ज्यामिति इसमें काम करती है (जिसे विश्वसनीय रूप से सत्यापित किया गया है, उदाहरण के लिए, कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण के प्रयोगों में), यह घनत्व 10 के बराबर होना चाहिए - 29 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर. दृश्यमान पदार्थ का घनत्व लगभग 20 गुना कम होता है। ब्रह्माण्ड के द्रव्यमान का लुप्त 95% हिस्सा डार्क मैटर है। ध्यान दें कि ब्रह्मांड की विस्तार दर से मापा गया घनत्व मान क्रांतिक मान के बराबर है। दो मान, स्वतंत्र रूप से पूरी तरह से गणना किए गए अलग - अलग तरीकों से, संयोग हुआ! यदि वास्तव में ब्रह्मांड का घनत्व क्रांतिक घनत्व के बिल्कुल बराबर है, तो यह कोई संयोग नहीं हो सकता है, बल्कि यह हमारी दुनिया की कुछ मौलिक संपत्ति का परिणाम है, जिसे अभी तक समझना और समझना बाकी है।

यह क्या है?

आज हम डार्क मैटर के बारे में क्या जानते हैं, जो ब्रह्मांड के द्रव्यमान का 95% बनाता है? लगभग कुछ भी नहीं है। लेकिन हम अभी भी कुछ जानते हैं। सबसे पहले, इसमें कोई संदेह नहीं है कि डार्क मैटर मौजूद है - यह ऊपर दिए गए तथ्यों से अकाट्य रूप से प्रमाणित है। हम यह भी निश्चित रूप से जानते हैं कि डार्क मैटर कई रूपों में मौजूद है। के बाद XXI की शुरुआतप्रयोगों में कई वर्षों के अवलोकन के परिणामस्वरूप शताब्दियाँ सुपरकमियोकांडे(जापान) और एसएनओ (कनाडा) यह स्थापित किया गया था कि न्यूट्रिनो में द्रव्यमान होता है, यह स्पष्ट हो गया कि 95% छिपे हुए द्रव्यमान में से 0.3% से 3% तक न्यूट्रिनो में निहित है जो लंबे समय से हमारे लिए परिचित हैं - भले ही उनका द्रव्यमान हो अत्यंत छोटी, लेकिन उनकी मात्रा ब्रह्मांड में न्यूक्लियॉन की संख्या से लगभग एक अरब गुना अधिक है: प्रत्येक घन सेंटीमीटर में औसतन 300 न्यूट्रिनो होते हैं। शेष 92-95% में दो भाग होते हैं - डार्क मैटर और डार्क एनर्जी। डार्क मैटर का एक छोटा सा अंश सामान्य बैरोनिक पदार्थ से बना होता है, जो न्यूक्लियॉन से निर्मित होता है; शेष स्पष्ट रूप से कुछ अज्ञात बड़े पैमाने पर कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले कणों (तथाकथित ठंडे डार्क मैटर) द्वारा होता है। में ऊर्जा संतुलन आधुनिक ब्रह्मांडतालिका में प्रस्तुत किया गया है, और इसके अंतिम तीन स्तंभों के बारे में कहानी नीचे है।

बैरियोनिक डार्क मैटर

डार्क मैटर का एक छोटा (4-5%) हिस्सा सामान्य पदार्थ होता है जो अपना स्वयं का विकिरण बहुत कम या बिल्कुल नहीं उत्सर्जित करता है और इसलिए अदृश्य होता है। ऐसी वस्तुओं के कई वर्गों के अस्तित्व को प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि माना जा सकता है। उसी गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग पर आधारित सबसे जटिल प्रयोगों से तथाकथित विशाल कॉम्पैक्ट हेलो वस्तुओं की खोज हुई, जो कि गैलेक्टिक डिस्क की परिधि पर स्थित हैं। इसके लिए कई वर्षों तक लाखों दूरस्थ आकाशगंगाओं की निगरानी की आवश्यकता थी। जब एक अंधेरा, विशाल पिंड एक पर्यवेक्षक और दूर की आकाशगंगा के बीच से गुजरता है, तो इसकी चमक होती है कम समयघटता है (या बढ़ता है, क्योंकि अंधेरा शरीर गुरुत्वाकर्षण लेंस के रूप में कार्य करता है)। श्रमसाध्य खोजों के परिणामस्वरूप, ऐसी घटनाओं की पहचान की गई। विशाल सघन प्रभामंडल वाली वस्तुओं की प्रकृति पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है। सबसे अधिक संभावना है, ये या तो ठंडे तारे (भूरे बौने) हैं या ग्रह जैसी वस्तुएं हैं जो तारों से जुड़ी नहीं हैं और आकाशगंगा के चारों ओर अपने आप घूमती हैं। बेरियोनिक डार्क मैटर का एक अन्य प्रतिनिधि हाल ही में एक्स-रे खगोल विज्ञान विधियों का उपयोग करके आकाशगंगा समूहों में खोजी गई गर्म गैस है, जो दृश्य सीमा में चमकती नहीं है।

नॉनबायोनिक डार्क मैटर

नॉनबैरियोनिक डार्क मैटर के लिए मुख्य उम्मीदवार तथाकथित WIMPs (अंग्रेजी का संक्षिप्त रूप) हैं कमजोर रूप से इंटरैक्टिव विशाल कण- बड़े पैमाने पर कणों की कमजोर बातचीत)। WIMPs की ख़ासियत यह है कि वे सामान्य पदार्थ के साथ लगभग कोई संपर्क नहीं दिखाते हैं। यही कारण है कि वे वास्तविक अदृश्य डार्क मैटर हैं, और उनका पता लगाना बेहद कठिन है। WIMP का द्रव्यमान एक प्रोटॉन के द्रव्यमान से कम से कम दस गुना अधिक होना चाहिए। पिछले 20-30 वर्षों में कई प्रयोगों में WIMP की खोज की गई है, लेकिन तमाम कोशिशों के बावजूद अभी तक उनका पता नहीं चल पाया है।

एक विचार यह है कि यदि ऐसे कण मौजूद हैं, तो पृथ्वी को, गैलेक्टिक केंद्र के चारों ओर सूर्य के साथ अपनी कक्षा में, WIMPs की बारिश के माध्यम से उड़ना चाहिए। इस तथ्य के बावजूद कि WIMP एक बेहद कमजोर रूप से इंटरैक्ट करने वाला कण है, फिर भी इसमें एक साधारण परमाणु के साथ इंटरैक्ट करने की संभावना बहुत कम है। उसी समय, विशेष प्रतिष्ठानों में - बहुत जटिल और महंगा - एक सिग्नल रिकॉर्ड किया जा सकता है। ऐसे संकेतों की संख्या पूरे वर्ष बदलती रहनी चाहिए क्योंकि, जैसे-जैसे पृथ्वी सूर्य के चारों ओर कक्षा में घूमती है, यह हवा के सापेक्ष अपनी गति और दिशा बदलती है, जिसमें WIMP शामिल होते हैं। इटली की ग्रैन सैसो भूमिगत प्रयोगशाला में काम करने वाले DAMA प्रायोगिक समूह ने रिपोर्ट दी है कि सिग्नल गिनती दरों में साल-दर-साल बदलाव देखा गया है। हालाँकि, अन्य समूहों ने अभी तक इन परिणामों की पुष्टि नहीं की है, और प्रश्न अनिवार्य रूप से खुला है।

WIMPs की खोज का एक अन्य तरीका इस धारणा पर आधारित है कि अपने अस्तित्व के अरबों वर्षों के दौरान, विभिन्न खगोलीय पिंडों (पृथ्वी, सूर्य, हमारी आकाशगंगा का केंद्र) को WIMPs को पकड़ना चाहिए, जो इन पिंडों के केंद्र में जमा हो जाते हैं, और नष्ट हो जाते हैं एक दूसरे से न्यूट्रिनो धारा उत्पन्न होती है। पृथ्वी के केंद्र से सूर्य और आकाशगंगा के केंद्र की ओर अतिरिक्त न्यूट्रिनो प्रवाह का पता लगाने का प्रयास भूमिगत और पानी के नीचे न्यूट्रिनो डिटेक्टरों MACRO, LVD (ग्रैन सैसो प्रयोगशाला), NT-200 (बैकाल झील, रूस), सुपरकमियोकांडे पर किया गया था। अमांडा (स्कॉट स्टेशन-अमुंडसेन, दक्षिणी ध्रुव), लेकिन अभी तक कोई सकारात्मक परिणाम नहीं आया है।

कण त्वरक पर WIMP की खोज के प्रयोग भी सक्रिय रूप से किए जाते हैं। आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण E=mс2 के अनुसार, ऊर्जा द्रव्यमान के बराबर है। इसलिए, एक कण (उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन) को बहुत अधिक ऊर्जा तक त्वरित करके और इसे दूसरे कण से टकराकर, कोई अन्य कणों और एंटीपार्टिकल्स (डब्ल्यूआईएमपी सहित) के जोड़े के निर्माण की उम्मीद कर सकता है, जिसका कुल द्रव्यमान बराबर है टकराने वाले कणों की कुल ऊर्जा। लेकिन त्वरक प्रयोगों का अभी तक कोई सकारात्मक परिणाम नहीं आया है।

डार्क एनर्जी

पिछली शताब्दी की शुरुआत में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत में ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल के लिए समय की स्वतंत्रता सुनिश्चित करना चाहा, तथाकथित ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को सिद्धांत के समीकरणों में पेश किया, जिसे उन्होंने नामित किया यूनानी अक्षर"लैम्ब्डा" - Λ. यह Λ एक विशुद्ध रूप से औपचारिक स्थिरांक था, जिसमें स्वयं आइंस्टीन को कोई भौतिक अर्थ नहीं दिखता था। ब्रह्माण्ड के विस्तार की खोज के बाद इसकी आवश्यकता ख़त्म हो गई। आइंस्टीन को अपनी जल्दबाजी पर बहुत पछतावा हुआ और उन्होंने ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक Λ को अपनी सबसे बड़ी वैज्ञानिक गलती बताया। हालाँकि, दशकों बाद यह पता चला कि हबल स्थिरांक, जो ब्रह्मांड के विस्तार की दर निर्धारित करता है, समय के साथ बदलता है, और समय पर इसकी निर्भरता को उसी "गलत" आइंस्टीन स्थिरांक Λ के मान का चयन करके समझाया जा सकता है, जो योगदान देता है ब्रह्माण्ड के छिपे हुए घनत्व के लिए। छिपे हुए द्रव्यमान के इस भाग को "डार्क एनर्जी" कहा जाने लगा।

डार्क एनर्जी के बारे में डार्क मैटर से भी कम कहा जा सकता है। सबसे पहले, यह सामान्य पदार्थ और डार्क मैटर के अन्य रूपों के विपरीत, पूरे ब्रह्मांड में समान रूप से वितरित है। यह आकाशगंगाओं और आकाशगंगा समूहों में भी उतना ही है जितना उनके बाहर है। दूसरे, इसमें कई बहुत ही अजीब गुण हैं, जिन्हें सापेक्षता के सिद्धांत के समीकरणों का विश्लेषण और उनके समाधानों की व्याख्या करके ही समझा जा सकता है। उदाहरण के लिए, डार्क एनर्जी एंटीग्रेविटी का अनुभव करती है: इसकी उपस्थिति के कारण, ब्रह्मांड के विस्तार की दर बढ़ जाती है। ऐसा लगता है कि डार्क एनर्जी खुद को दूर धकेल रही है, जिससे आकाशगंगाओं में एकत्रित सामान्य पदार्थ का बिखराव तेज हो रहा है। डार्क एनर्जी में नकारात्मक दबाव भी होता है, जिसके कारण पदार्थ में एक बल उत्पन्न होता है जो उसे फैलने से रोकता है।

डार्क एनर्जी का मुख्य उम्मीदवार वैक्यूम है। ब्रह्मांड के विस्तार के साथ निर्वात ऊर्जा घनत्व नहीं बदलता है, जो नकारात्मक दबाव से मेल खाता है। एक अन्य उम्मीदवार एक काल्पनिक अति-कमजोर क्षेत्र है, जिसे क्विंटेसेंस कहा जाता है। डार्क एनर्जी की प्रकृति को स्पष्ट करने की उम्मीदें मुख्य रूप से नए खगोलीय अवलोकनों से जुड़ी हैं। इस दिशा में प्रगति निस्संदेह मानवता के लिए मौलिक रूप से नया ज्ञान लाएगी, क्योंकि किसी भी मामले में, डार्क एनर्जी एक पूरी तरह से असामान्य पदार्थ होना चाहिए, जो कि भौतिकी ने अब तक जो किया है उससे पूरी तरह से अलग है।

तो, हमारी दुनिया का 95% हिस्सा कुछ ऐसा है जिसके बारे में हम लगभग कुछ भी नहीं जानते हैं। ऐसे तथ्य के प्रति किसी का भी अलग-अलग दृष्टिकोण हो सकता है जो किसी भी संदेह से परे है। यह चिंता का कारण बन सकता है, जो हमेशा किसी अज्ञात चीज़ से मुलाकात के साथ जुड़ी होती है। या निराशा क्योंकि इतनी लंबी और कठिन रास्ताहमारी दुनिया के गुणों का वर्णन करने वाले एक भौतिक सिद्धांत के निर्माण से यह कथन सामने आया: ब्रह्मांड का अधिकांश भाग हमसे छिपा हुआ है और हमारे लिए अज्ञात है।

लेकिन अधिकांश भौतिक विज्ञानी अब प्रोत्साहित महसूस कर रहे हैं। अनुभव से पता चलता है कि प्रकृति ने मानवता के सामने जो भी पहेलियां खड़ी कीं, वे देर-सबेर सुलझ गईं। निस्संदेह, डार्क मैटर का रहस्य भी सुलझ जाएगा। और यह निश्चित रूप से पूरी तरह से नया ज्ञान और अवधारणाएँ लाएगा जिनके बारे में हमें अभी तक कोई जानकारी नहीं है। और शायद हम नए रहस्यों से मिलेंगे, जो बदले में सुलझेंगे भी। लेकिन यह बिल्कुल अलग कहानी होगी, जिसे "रसायन विज्ञान और जीवन" के पाठक कुछ साल बाद तक नहीं पढ़ पाएंगे। या शायद कुछ दशकों में.

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• स्रोत: www.vesti.ru

11 फरवरी प्रतिनिधि अंतर्राष्ट्रीय परियोजनालेज़र इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्ज़र्वेटरी (LIGO) ने पहली बार गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने की घोषणा की।

ऐसा माना जाता है कि अँधेरी ऊर्जाहै प्रेरक शक्ति, जो ब्रह्मांड के निरंतर विस्तार को सुनिश्चित करता है। इस मामले में, कई ब्लैक होल विलयों का अवलोकन करने से इसकी प्रकृति का सुराग मिल सकता है। तरंग आवृत्ति और आयाम जैसे सिग्नल पैरामीटर उनके स्रोत के बारे में बहुत कुछ बताते हैं। और टकराव की शक्ति की तुलना करके, पारंपरिक दूरबीनों का उपयोग करके, डिटेक्टरों द्वारा मापी गई गुरुत्वाकर्षण उतार-चढ़ाव की शक्ति के साथ, यह निर्धारित करना संभव है कि घटना कितनी दूर हुई और तरंगों के पृथ्वी की ओर उड़ने के दौरान कितनी जगह का विस्तार हुआ।

हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के खगोलभौतिकीविद् एवी लोएब कहते हैं, "डार्क एनर्जी के प्रभाव का यह माप हमारे द्वारा वर्तमान में उपयोग की जाने वाली किसी भी चीज़ से अधिक मजबूत और विश्वसनीय होना चाहिए।" उन्हें, यह ब्रह्मांड विज्ञान में एक नई दिशा बन जाएगी।"

गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज अल्बर्ट आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का एक प्रमुख परीक्षण हो सकती है। आख़िरकार, उनकी मदद से आप मूल सिद्धांत की पुष्टि या खंडन कर सकते हैं गुरुत्वाकर्षण और जड़त्वीय बलों की तुल्यता का सिद्धांत, जिससे यह निष्कर्ष निकलता है कि गुरुत्वाकर्षण संपर्क की शक्तियां शरीर के द्रव्यमान के समानुपाती होती हैं और सभी द्रव्यमानों (शरीर) को प्रभावित करती हैं विभिन्न जन) एक ही है।

वैज्ञानिक अब यह निर्धारित कर सकते हैं कि लंबी दूरी तय करने पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों की ताकत कैसे कम हो जाती है। और यदि मॉडल की भविष्यवाणी के अनुसार बल कम नहीं होता है, तो यह भौतिकी के बुनियादी सिद्धांतों में से एक के लिए एक गंभीर चुनौती पैदा करेगा।

एक और दिशा जिसमें विज्ञान नवीनतम खोज की बदौलत आगे बढ़ सकता है वह है तथाकथित के निशानों की खोज लौकिक मुद्रास्फीति. मुद्रास्फीतिकारी ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल के अनुसार, बिग बैंग के तुरंत बाद, ब्रह्मांड का विस्तार मानक गर्म ब्रह्मांड मॉडल की तुलना में बहुत तेजी से हुआ।

यदि, एलआईजीओ परियोजना की सफलता के बाद, दुनिया भर में नए, और भी अधिक संवेदनशील गुरुत्वाकर्षण डिटेक्टर दिखाई देते हैं, तो वे युवा ब्रह्मांड के बढ़ते विस्तार की अवधि के दौरान उत्पन्न होने वाली छोटी तरंगों का पता लगाने में सक्षम हो सकते हैं। सिद्धांत के अनुसार, उस समय अंतरिक्ष प्रकाश के लिए अभेद्य था विद्युत चुम्बकीय विकिरण, इसलिए गुरुत्वाकर्षण में उतार-चढ़ाव इस अवधि का एकमात्र "गवाह" हो सकता है।

न्यूयॉर्क यूनिवर्सिटी के डेजन स्टोजकोविक कहते हैं, "हम संभावित रूप से बिग बैंग के लगभग पूरे रास्ते का पता लगा सकते हैं।" "एलआईजीओ ऐसे कंपन को महसूस करने में सक्षम नहीं होगा, लेकिन अब जब हम जानते हैं कि तरंगें मौजूद हैं, तो यह बहुत आसान हो जाएगा लोगों को अन्य प्रकार के डिटेक्टर बनाने में पैसा लगाने के लिए राजी करना।"

अंततः, गुरुत्वाकर्षण तरंगें लंबे समय से प्रतीक्षित कुंजी हो सकती हैं भव्य एकीकरण सिद्धांत, जो बताता है कि ब्रह्मांड के विकास के प्रारंभिक चरण में, सभी चार मूलभूत बल - गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय, मजबूत और कमजोर इंटरैक्शन - एक बल में संयुक्त हो गए थे। जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार और ठंडा होता गया, शक्तियां अलग-अलग कारणों से अलग हो गईं जो अभी भी अस्पष्ट हैं। एक बार फिर, विशेष रूप से संवेदनशील डिटेक्टरों का उपयोग करके भविष्य में इन घटनाओं के निशान पाए जा सकते हैं।

किसी भी मामले में, निकट भविष्य दिलचस्प होने का वादा करता है। आख़िरकार, गुरुत्वाकर्षण तरंगों के नए अध्ययन अंततः कई बुनियादी मॉडलों की शुद्धता साबित कर सकते हैं या, इसके विपरीत, ब्रह्मांड की हमारी समझ में पूरी तरह से क्रांति ला सकते हैं।

दिलचस्प लेख?

पॉल गोएल्ट्ज़ / फ़्लिकर.कॉम

इतालवी सैद्धांतिक भौतिकविदों ने दिखाया है कि रंगीन डार्क मैटर का मॉडल, यानी, गैर-शून्य रंगीन चार्ज (क्वार्न्स) वाले कणों की बाध्य अवस्थाओं से युक्त डार्क मैटर, अच्छी तरह से व्यवहार्य हो सकता है। आम धारणा के विपरीत, ऐसे कणों के अस्तित्व से निर्माण नहीं होता है बड़ी संख्यासाधारण और "डार्क" क्वार्क की मिश्रित अवस्थाएँ, और मापी गईं इस समयसाधारण पदार्थ के कणों के साथ क्वॉर्न की परस्पर क्रिया का क्रॉस सेक्शन मॉडल की भविष्यवाणियों के अनुरूप है। में लेख प्रकाशित शारीरिक समीक्षा डीऔर निःशुल्क उपलब्ध है।

हालाँकि, एलेसेंड्रो स्ट्रुमिया के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस तर्क को चुनौती दी है और दिखाया है कि डार्क मैटर कणों में रंगीन चार्ज हो सकता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने मानक मॉडल में एक स्थिर विशाल कण जोड़ा क्यूएक गैर-शून्य रंग चार्ज के साथ, सादगी के लिए इसे विद्युत रूप से तटस्थ माना जाता है (इसलिए मॉडल का एकमात्र मुक्त पैरामीटर द्रव्यमान था) एम क्यू). यह कण, जिसे क्वॉर्न कहा जाता है, क्रोमोडायनामिक्स समूह के मौलिक और आसन्न प्रतिनिधित्व दोनों में स्थित हो सकता है एस.यू.(3) सी ; पहले मामले में कण क्यूएक "डार्क क्वार्क" है और रूप की बंधी हुई रंगहीन अवस्थाएँ बनाता है QQQ, और दूसरे मामले में - एक "डार्क ग्लूऑन", जिसकी बाध्य अवस्थाओं का रूप होता है QQ("डार्क ग्लूबॉल")। समूह के प्रदर्शन के बारे में पढ़ें एस.यू.(3) सी और क्रोमोडायनामिक्स के साथ उनके संबंध पाए जा सकते हैं, उदाहरण के लिए, वालेरी रूबाकोव की पुस्तक में। वैज्ञानिक ऐसी हैड्रोनिक अवस्थाओं को, जिसमें केवल डार्क मैटर कण होते हैं, "शुद्ध-क्वार्न" (क्वार्न-ओनलीम हैड्रोन) कहते हैं। बेशक, प्रस्तावित सिद्धांत में "शुद्ध" राज्यों के साथ-साथ मिश्रित राज्य भी शामिल हैं क्यूक्यूक्यू, QQक्यू और क्यू q̄ (यदि क्यू- क्वार्क) या क्यूजी, क्यू qq' (यदि क्यू- ग्लूऑन)।

वैज्ञानिकों ने तब परीक्षण किया कि प्रस्तावित मॉडल किन परिस्थितियों में डार्क मैटर के देखे गए द्रव्यमान को पुन: उत्पन्न करता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने एक अस्तबल के निर्माण के लिए क्रॉस सेक्शन की गणना की QQ-दो मिश्रित गोंद के गोलों की टक्कर में हैड्रॉन क्यूजी+ क्यूजी → QQ+जी.जी. ऐसी प्रतिक्रिया का क्रॉस सेक्शन QCD चरण संक्रमण के तापमान के व्युत्क्रमानुपाती होता है: σ ~π/Λ QCD 2, जो Λ QCD ≈ 0.31 गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट के बराबर है, और इसलिए एक बाध्य अवस्था के निर्माण के लिए QQप्रतिक्रिया में अपेक्षाकृत बड़ा प्रभाव पैरामीटर होना चाहिए बी~ 1/Λ क्यूसीडी (याद रखें कि सिस्टम में ℏ = सी= 1 लंबाई का आयाम पारस्परिक द्रव्यमान के आयाम से मेल खाता है, और द्रव्यमान को इलेक्ट्रॉन वोल्ट में मापा जाता है)। परिणामस्वरूप, परिणामी "शुद्ध-क्वार्न" में उच्च कोणीय गति होगी, और इसलिए यह अस्थिर होगा। हालाँकि, वैज्ञानिकों द्वारा की गई गणना से पता चला है कि तापमान से कम है टी~0.3Λ क्यूसीडी और लगभग 12.5 टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट का क्वॉर्न द्रव्यमान QQ-स्थिति का क्षय नहीं होता जैसा कि अपेक्षित हो सकता है, लेकिन शून्य कोणीय गति के साथ एक स्थिर स्थिति में परिवर्तित हो जाता है, साथ ही नरम, कम ऊर्जा वाले मानक मॉडल ग्लून्स का उत्सर्जन करता है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ऐसे द्रव्यमान के साथ पूर्ण संख्याक्वॉर्न, प्रेक्षित डार्क मैटर द्रव्यमान के अनुरूप, सामान्य पदार्थ कणों की संख्या से केवल 10 −14 गुना हैं।

लगभग 12.5 टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट और विभिन्न प्रभावी युग्मन स्थिरांक के क्वार्न द्रव्यमान के लिए तापमान पर एक स्थिर अवस्था में संक्रमण क्रॉस सेक्शन की निर्भरता

इसका मतलब यह है कि ब्रह्मांड के जीवन में ब्रह्माण्ड संबंधी प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप, सभी मुक्त क्वॉर्न बंधी हुई रंगहीन अवस्था में जा सकते हैं यदि इन चरणों में संलयन प्रतिक्रियाओं की दर ब्रह्मांड के विस्तार की दर से अधिक हो जाती है, जिससे मुक्त कणों की सांद्रता कम हो जाती है। घटाना। वास्तव में, भौतिकविदों ने दिखाया है कि एक चरण संक्रमण के दौरान, क्यूसीडी (पदार्थ का तापमान) होता है टी ~ ΛQCD) ब्रह्मांड के विस्तार के विशिष्ट समय के दौरान, लगभग ~10 19 क्वॉर्न संलयन प्रतिक्रियाएं घटित होने में कामयाब रहीं। चूँकि ऐसी प्रतिक्रियाओं की संख्या सामान्य क्वार्कों की संख्या और क्वार्नों की संख्या (~10 14) के अनुपात से बहुत अधिक है, लगभग सभी क्वार्न स्थिर "विशुद्ध रूप से अंधेरे" अवस्था में चले गए, और मिश्रित अवस्थाओं की सांद्रता बदल गई लुप्त हो जाना छोटा होना. संक्षेप में, यह प्रक्रिया प्राथमिक न्यूक्लियोसिंथेसिस के समान है, जिसके दौरान सबसे हल्के परमाणुओं का निर्माण हुआ रासायनिक तत्व. इसके अलावा, मॉडल की भविष्यवाणियां दुनिया की प्रयोगात्मक रूप से देखी गई तस्वीर के साथ अच्छी तरह मेल खाती हैं।

समय (या ऊर्जा) के फलन के रूप में वर्तमान में देखे गए डार्क मैटर के द्रव्यमान और बंधे हुए स्थिर क्वॉर्न के द्रव्यमान का अनुपात, जो उस समय से विशिष्ट रूप से संबंधित है महा विस्फोट)

वेलेरियो डी लुका एट अल। / भौतिक. रेव डी

अंत में, भौतिकविदों ने स्थिर हैड्रोन की परस्पर क्रिया के लिए क्रॉस सेक्शन का अनुमान लगाया है QQमानक मॉडल कणों के साथ, जिन्हें प्रत्यक्ष प्रयोगों में मापा जा सकता है (समान रूप से डिज़ाइन किया गया)।