Hva er universets mørke materie? Mørk materie i astronomi, kosmologi og filosofi - interessante fakta.

Vi står på terskelen til en oppdagelse som kan endre essensen av våre ideer om verden. Det handler om om naturen til mørk materie. De siste årene har astronomi tatt store skritt i observasjonsunderbyggelsen av mørk materie, og i dag kan eksistensen av slik materie i universet betraktes som et fast etablert faktum. Det særegne ved situasjonen er at astronomer observerer strukturer som består av et stoff som er ukjent for fysikere. Dermed oppsto problemet med identifikasjon fysisk natur denne saken.

1. "Ta med meg noe, jeg vet ikke hva"

Moderne partikkelfysikk kjenner ingen partikler som har egenskapene til mørk materie. Krever en utvidelse til standardmodellen. Men hvordan, i hvilken retning skal man bevege seg, hva og hvor skal man se? Ordene fra det berømte russiske eventyret i tittelen på denne delen gjenspeiler den nåværende situasjonen perfekt.

Fysikere søker etter ukjente partikler med kun generelle ideer om egenskapene til observert stoff. Hva er disse egenskapene?

Alt vi vet er at mørk materie interagerer med lysende materie (baryoner) på en gravitasjonsmessig måte og er et kaldt medium med en kosmologisk tetthet flere ganger høyere enn tettheten til baryoner. På grunn av slike enkle egenskaper påvirker mørk materie direkte utviklingen av universets gravitasjonspotensial. Dens tetthetskontrast økte over tid, noe som førte til dannelsen av gravitasjonsbundne mørk materie-halosystemer.

Det bør understrekes at denne prosessen med gravitasjonsustabilitet kun kunne startes i Friedmann-universet i nærvær av frøtetthetsforstyrrelser, selve eksistensen av disse har ingenting å gjøre med mørk materie, men skyldes fysikken til Big Bang. Derfor oppstår et annet viktig spørsmål om fremveksten av frøforstyrrelser som strukturen til mørk materie utviklet seg fra.

Vi vil vurdere spørsmålet om generering av innledende kosmologiske forstyrrelser litt senere. La oss nå gå tilbake til mørk materie.

Baryoner fanges i gravitasjonsbrønner med mørk materiekonsentrasjoner. Så selv om mørk materie partikler ikke samhandler med lys, eksisterer lys der det er mørk materie. Denne bemerkelsesverdige egenskapen til gravitasjonsustabilitet har gjort det mulig å studere mengden, tilstanden og fordelingen av mørk materie ved å bruke observasjonsdata fra radio- til røntgenområdet.

Uavhengig bekreftelse av våre konklusjoner om egenskapene til mørk materie og andre parametere i universet er gitt av data om anisotropi og polarisering av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, om overfloden av lette elementer i universet og om fordelingen av absorpsjonslinjer av materie i spektra av fjerne kvasarer. Numerisk modellering spiller en stadig viktigere rolle, og erstatter eksperimenter i kosmologisk forskning. Den mest verdifulle informasjonen om distribusjonen av mørk materie finnes i en rekke observasjonsdata om gravitasjonslinsing av fjerne kilder av nærliggende materieklumper.

Ris. 1. Fotografi av himmelen i retning av galaksehopen 0024 + 1654, tatt med Hubble-teleskopet.

Figur 1 viser et utsnitt av himmelen i retning av en av disse klumpene med mørk masse ($\sim 10^(14)M_(odot)$). Vi ser en klynge galakser fanget gravitasjonsfelt av denne klumpen, varme røntgengassen som hviler på bunnen av gravitasjonspotensialbrønnen, og et multippelbilde av en av bakgrunnsgalaksene, fanget i synslinjen til den mørke haloen og forvrengt av gravitasjonsfeltet.

Tabell 1. Kosmologiske hovedparametre

Tabell 1 viser gjennomsnittsverdiene for kosmologiske parametere hentet fra astronomiske observasjoner (10 % nøyaktighet). Det er klart at den totale energitettheten til alle typer partikler i universet ikke overstiger 30 % av den totale kritiske tettheten (bidraget fra nøytrinoer er ikke mer enn noen få prosent). De resterende 70% er i en form som ikke deltok i gravitasjonssammentrengningen av materie. Bare den kosmologiske konstanten eller dens generalisering - et medium med negativt trykk ($|\varepsilon + p|\ll\varepsilon $), kalt "mørk energi", har denne egenskapen. Å bestemme arten til sistnevnte er et langsiktig perspektiv for utviklingen av fysikk.

Denne rapporten er viet spørsmål om fysisk kosmologi, hvis løsning forventes i de kommende årene. For det første gjelder dette bestemmelsen av startbetingelsene for dannelsen av mørk materiestrukturer og søket etter de ukjente partiklene i seg selv.

2. Tidlig univers og sent univers

Den observerte strukturen til universet er resultatet av den kombinerte virkningen av startforholdene og utviklingen av tetthetsforstyrrelsesfeltet. Moderne observasjonsdata har gjort det mulig å bestemme egenskapene til feltet med tetthetsforstyrrelser i forskjellige epoker av utviklingen. Dermed var det mulig å skille informasjon om startforholdene og utviklingsforholdene, noe som markerte begynnelsen på en uavhengig studie av fysikken til det tidlige og sene universet.

Begrepet "tidlig univers" i moderne kosmologi betyr det siste stadiet av akselerert ekspansjon etterfulgt av en overgang til den varme fasen av evolusjonen. Vi kjenner ikke parametrene til Big Bang, det er bare øvre restriksjoner (se avsnitt 3, relasjoner (12)). Imidlertid er det en velutviklet teori om generering av kosmologiske forstyrrelser, ifølge hvilken vi kan beregne spektrene til innledende forstyrrelser i materietettheten og primære gravitasjonsbølger avhengig av verdiene til kosmologiske parametere.
Årsakene til mangelen på en generelt akseptert modell av det tidlige universet ligger i stabiliteten til spådommene til Big Bang-inflasjonsparadigmet - nærheten til de genererte spektrene til flat utsikt, den relative litenheten til amplituden til kosmologiske gravitasjonsbølger, den tredimensjonale euklidiske naturen til det synlige universet, etc., som kan oppnås i en bred klasse av modellparametere. Sannhetens øyeblikk for å bygge en modell av det tidlige universet kan være oppdagelsen av kosmologiske gravitasjonsbølger, som ser ut til å være mulig hvis det internasjonale romeksperimentet Planck, som etter planen skal begynne i 2008, blir vellykket.

Vår kunnskap om det sene universet er diametralt motsatt. Vi har en ganske nøyaktig modell - vi kjenner sammensetningen av materie, lovene for utvikling av struktur, verdiene til kosmologiske parametere (se tabell 1), men samtidig har vi ikke en generelt akseptert teori om opprinnelsen av materiens komponenter.

Egenskapene til det synlige universet kjent for oss tillater oss å beskrive dets geometri innenfor rammen av forstyrrelsesteori. Den lille parameteren ($10^(-5)$) er amplituden til kosmologiske forstyrrelser.

Ved null orden er universet Friedmannsk og beskrives av en enkelt funksjon av tid - skalafaktoren $a(t)$. Den første ordren er noe mer komplisert. Forstyrrelser av metrikken er summen av tre uavhengige moduser - skalar $S(k)$, vektor $V(k)$ og tensor $T(k)$, som hver er preget av sin egen spektrale funksjon av bølgenummer $ k$. Skalarmodusen beskriver kosmologiske tetthetsforstyrrelser, vektormodusen er ansvarlig for virvelbevegelsene til materie, og tensormodusen er gravitasjonsbølger. Dermed beskrives hele geometrien ved hjelp av fire funksjoner: $a(t),~ S(k),~ V(k)$ og $T(k)$, hvorav vi i dag bare kjenner de to første (i noen domener). definisjon).

Big Bang var en katastrofal prosess med rask ekspansjon akkompagnert av et intenst, raskt skiftende gravitasjonsfelt. Under den kosmologiske ekspansjonen ble metriske forstyrrelser spontant født på en parametrisk måte fra vakuumsvingninger, akkurat som alle masseløse frihetsgrader blir født under påvirkning av et eksternt vekselfelt. Analyse av observasjonsdata indikerer en kvantegravitasjonsmekanisme for fødselen av frøforstyrrelser. Dermed er universets storskalastruktur et eksempel på en løsning på problemet med målbarhet i kvantefeltteori.

La oss merke oss hovedegenskapene til de genererte forstyrrelsesfeltene: Gaussisk statistikk ( tilfeldige fordelinger i rommet), en utpreget tidsfase ("voksende" gren av forstyrrelser), fraværet av en særegen skala i et bredt spekter av bølgelengder, amplitude av gravitasjonsbølger som ikke er null. Sistnevnte er avgjørende for å bygge en modell av det tidlige universet, siden gravitasjonsbølger har den enkleste forbindelsen med bakgrunnsmetrikken, og bærer direkte informasjon om energiskalaen til Big Bang.

Som et resultat av utviklingen av den skalære modusen for forstyrrelser ble det dannet galakser og andre astronomiske objekter. En viktig prestasjon siste årene(WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) eksperiment) ble en betydelig foredling av vår kunnskap om anisotropien og polariseringen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, som oppsto lenge før galaksen dukket opp som et resultat av påvirkningen fra alle tre modusene for kosmologiske forstyrrelser på fotonfordelingen.

En felles analyse av observasjonsdata om distribusjonen av galakser og anisotropien til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen gjorde det mulig å skille startforholdene og evolusjonen. Ved å bruke betingelsen om at summen $S+V+T\ca. 10^(-10)$ er fiksert av anisotropien til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, kan vi få en øvre grense for summen av virvel- og tensormoduser for forstyrrelser i universet (deteksjonen deres er bare mulig med en økning i nøyaktigheten av observasjoner):
$$\frac(V+T)(S) Hvis ulikhet (1) ble brutt, ville størrelsen på tetthetsforstyrrelser være utilstrekkelig til å danne den observerte strukturen.

3. I begynnelsen var det lyd...

Effekten av kvantegravitasjonsskaping av masseløse felt har blitt godt studert. Dette er hvordan partikler av materie kan bli født (se for eksempel) (selv om spesielt reliktfotoner oppsto som et resultat av forfallet av protomater i det tidlige universet). På samme måte oppstår generering av gravitasjonsbølger og tetthetsforstyrrelser, siden disse feltene også er masseløse og deres fødsel ikke er forbudt av terskel energitilstand. Problemet med å generere virvelforstyrrelser venter fortsatt på forskerne.

Teorien om $S$- og $T$-moduser for forstyrrelser i Friedmann-universet er redusert til det kvantemekaniske problemet med uavhengige oscillatorer $q_k(\eta)$ lokalisert i et eksternt parametrisk felt ($\alpha(\eta) $) i Minkowski-verdenen med tidskoordinaten $\eta=\int dt/a$. Handlingen og Lagrangian til elementære oscillatorer avhenger av deres romlige frekvens $k \in (0, \infty)$:
$$S_k = \int L_kd\eta,~\;\;\;L_k=\frac(\alpha^2)(2k^3)(q'^2-\omega^2q^2)~\;\; \;\;\;\;\;\;\; (2)$$
der primtall angir tidsderiverten $\eta$, $\omega=\beta$ er frekvensen til oscillatoren, $\beta$ er hastigheten for forplantning av forstyrrelser i enheter av lyshastigheten i vakuum (heretter $c =\hbar =1$, indeksfelt $k$ er utelatt); i tilfellet med $T$-modus er $q = q_T$ den tverrgående sporløse komponenten til den metriske tensoren,
$$\alpha^2_T=\frac(a^2)(8\pi G)~\;\;\;\beta=1, ~\;\;\;\;\;\;\;\;\ ; (3)$$
og i tilfelle av $S$-modus er $q = q_s$ en lineær superposisjon av det langsgående gravitasjonspotensialet (forstyrrelse av skalafaktoren) og 3-hastighetspotensialet til mediet, multiplisert med Hubble-parameteren,
$$\alpha^2_S=\frac(a^2\gamma)(4\pi G\beta^2),\;\;\gamma=\frac(\dot(H))(H^2),\ ;\;H=\frac(\prikk(a))(a),~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (4)$$
prikken betyr den deriverte med hensyn til tiden $t$.

Som man kan se av (3), er feltet $q_T$ grunnleggende, siden det er minimalt relatert til bakgrunnsmetrikken og ikke er avhengig av egenskapene til materie (i den generelle relativitetsteorien, forplantningshastigheten til gravitasjonsbølger er lik lysets hastighet). Når det gjelder $q_S$, er forbindelsen med det eksterne feltet (4) mer kompleks: den inkluderer både derivater av skalafaktoren og noen egenskaper til stoffet (for eksempel hastigheten på forplantningen av forstyrrelser i mediet). Vi vet ingenting om protomater i det tidlige universet - det er bare generelle tilnærminger til dette problemet.
Et ideelt medium med en energi-momentum-tensor avhengig av energitettheten $\epsilon$, trykket $p$ og 4-hastigheten til materie $u^\mu$ blir vanligvis vurdert. For $S$-modusen er 4-hastigheten potensiell og kan representeres som gradienten til 4-skalaren $\phi$:
$$T_(\mu\nu)=(\epsilon + p)u_\mu u_\nu-pg_(\mu\nu),\;\;u_\mu=\frac(\phi_(,\mu)) (w),~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (5)$$
der $w^2=\phi_(,\mu)\phi_(,\nu) g^(\mu\nu)$ er normaliseringsfunksjonen, betyr det nedskrevne kommaet den deriverte med hensyn til koordinaten. Lydhastigheten er spesifisert ved å bruke "tilstandsligningen" som en proporsjonalitetskoeffisient mellom de medfølgende forstyrrelsene i trykk og energitetthet til materie:
$$\delta p_c=\beta^2\delta\epsilon_c,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (6)$$
der $\delta X_c\equiv\delta X – v\dot(X)$, $v\equiv\delta\phi /w$ er 3-hastighetspotensialet til mediet.

I den lineære rekkefølgen av perturbasjonsteori er begrepet et ideelt medium ekvivalent med feltkonseptet, ifølge hvilket den lagrangiske tettheten, $L=L(w,\phi)$, er tilordnet materialfeltet $\phi$ . I felttilnærmingen er forplantningshastigheten til eksitasjoner funnet fra ligningen
$$\beta^(-2)=\frac(\delvis\ln|\delvis L/\delvis w|)(\delvis\ln|w|),~\;\;\;\;\;\; \;\;\; (7)$$
som også tilsvarer relasjon (6). De fleste modeller av det tidlige universet antar at $\beta\sim 1$ (spesielt på det strålingsdominerte stadiet $\beta=1/\sqrt(3)$).

Utviklingen av elementære oscillatorer er beskrevet av 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 grener av atferd: adiabatisk ($\omega^2>U$), når oscillatoren er i fri oscillasjonsmodus og dens eksitasjonsamplitude avtar ($|q|\sim(\alpha) \sqrt(\beta ))^(-1)$), og parametrisk ($\omega^2

Kvantitativt avhenger spektrene til genererte forstyrrelser av starttilstanden til oscillatorene:
$$T\equiv 2\langle q_T^2\rangle,\;\;\;S\equiv\langle q_S^2\rangle,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (10)$$
koeffisient 2 i uttrykket for tensormodusen tar hensyn til to polarisasjoner av gravitasjonsbølger. $\langle\rangle$-tilstanden anses å være den viktigste, dvs. tilsvarende minimumsnivået for initial eksitasjon av oscillatorene. Dette er hovedhypotesen til Big Bang-teorien. I nærvær av en adiabatisk sone er grunntilstanden (vakuum) til elementære oscillatorer unik.
Forutsatt at funksjonen U øker med tiden og $\beta\sim 1$, får vi et universelt generelt resultat for spektrene $T(k)$ og $S(k)$:
$$T\approx\frac((1-\gamma/2)H^2)(M_P^2),\;\;\;\frac(T)(S)\approx4\gamma~\;\;\ ;\;\;\;\;\;\; (11)$$
der $k=\sqrt(U)\approx aH$, og $M_p\equiv G^(-1/2)$ er Planck-massen. Som man kan se fra (11), er ikke modus $T$ i teorien underlagt diskriminering på noen måte med hensyn til modus $S$. Alt handler om størrelsen på $\gamma$-faktoren i epoken med generering av forstyrrelser.
Fra det observerte faktum om $T$-modusens litenhet i universet vårt (se seksjon 2, relasjon (1)), får vi en øvre grense på energiskalaen til Big Bang og på parameteren $\gamma$ i det tidlige universet:
$$H Den siste betingelsen betyr at Big Bang var inflasjonspreget av natur ($\gamma Vi har den viktigste faseinformasjonen: felt er født i en bestemt fase, kun den voksende grenen av forstyrrelser er parametrisk forsterket. La oss forklare dette ved å bruke eksemplet på spredningsproblemet, forutsatt at $U = 0 $ ved de innledende (adiabatiske) og siste (strålingsdominerte, $a\propto n$) stadier av evolusjon (se fig. 2).

Ris. 2. Illustrasjon av løsningen til ligning (8) i formuleringen av spredningsproblemet

For hver av de ovennevnte asymptotikkene har den generelle løsningen formen
$$\bar(q)=C_1\sin\omega\eta+C_2\cos\omega\eta,~\;\;\;\;\;\;\;\;\; (13)$$
hvor operatørene $C_(1,2)$ spesifiserer amplitudene til de "voksende" og "fallende" evolusjonsgrenene. I en vakuumtilstand er den innledende tidsfasen til feltet vilkårlig: $\langle|C_1^((in))|\rangle=\langle|C_2^((in))|\rangle$. Men som et resultat av å løse evolusjonsligningene, viser det seg at på det strålingsdominerte stadiet er det bare den voksende grenen av lydforstyrrelser som forblir lønnsom: $\langle|C_1^((out))|\rangle\gg\langle |C_2^((out))| \rangle$. Innen strålingen kobles fra materie i rekombinasjonsepoken, moduleres strålingsspekteret med fase $k=n\pi\sqrt(3)/\eta_(rec)$, der $n$ er et naturlig tall.

Ris. 3. Manifestasjon av lydmodulasjon i anisotropispekteret til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. (I følge 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 oscillasjonene som observeres i anisotropispektrene til den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (fig. 3, den store toppen tilsvarer $n = 1$) og tetthetsforstyrrelser, som bekrefter kvantegravitasjonsopprinnelsen til $S$ modus. I spekteret av tetthetsforstyrrelser undertrykkes lydmodulasjon av den lille brøkdelen av baryoner i forhold til den totale tettheten av materie, noe som gjør det mulig å finne denne brøkdelen uavhengig av andre kosmologiske tester. Selve oscillasjonsskalaen fungerer som et eksempel på en standard linjal som bestemmer universets viktigste parametere. I denne forbindelse bør det understrekes at alvorlighetsgraden av problemet med degenerasjon av kosmologiske parametere i observasjonsdata, i mange år som forhindret konstruksjonen av en ekte modell av universet, har nå blitt fjernet takket være overfloden av uavhengige og komplementære observasjonstester.

For å oppsummere kan vi slå fast at problemet med dannelsen av innledende kosmologiske forstyrrelser og universets storskalastruktur er løst i prinsippet i dag. Teorien om kvantegravitasjonsopprinnelsen til forstyrrelser i det tidlige universet vil få endelig bekreftelse etter oppdagelsen av $T$-modusen, noe som kan skje i nær fremtid. Dermed forutsier den enkleste Big Bang-modellen (kraftlov-inflasjon på et massivt skalarfelt) $T$-modusamplituden til å være bare 5 ganger mindre enn $S$-modusamplituden. Moderne instrumenter og teknologier gjør det mulig å løse problemet med å registrere så små signaler fra observasjoner av anisotropi og polarisering av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen.

4. Den mørke siden av materien

Det er flere hypoteser om materiens opprinnelse, men ingen av dem er ennå bekreftet. Det er direkte observasjonsindikasjoner på at mysteriet med mørk materie er nært knyttet til baryonsymmetrien til universet. Imidlertid er det ingen generelt akseptert teori om opprinnelsen til baryonasymmetri og mørk materie i dag.

Hvor befinner mørk materie seg?

Vi vet at den lysende komponenten av materie er observert i form av stjerner samlet i galakser forskjellige masser, og i form av røntgengass fra klynger. Imidlertid er det meste av det vanlige stoffet (opptil 90 %) i form av forseldet intergalaktisk gass med en temperatur på flere elektronvolt, så vel som i form av MACHO (Massive Compact Halo Object) - kompakte rester av utviklingen av stjerner og lavmasseobjekter. Fordi disse strukturene vanligvis har lav lysstyrke, kalles de "mørke baryoner."

Ris. 4. Øvre grense for brøkdelen av massen til Galaxy-haloen i MASNO i henhold til EROS-eksperimentet (fra fransk - Experience pour la Recherche d "Objets Sombres).

Flere grupper (MASNO, EROS, etc.) har studert antall og distribusjon av kompakte mørke objekter i haloen til galaksen vår basert på mikrolinsehendelser. Som et resultat av fellesanalysen ble det oppnådd en viktig begrensning - ikke mer enn 20 % av den totale halomassen er konsentrert i MASNO i verdiområdet fra månens masse til massene av stjerner (fig. 4) ). Resten av den mørke materien i haloen består av partikler av ukjent natur.

Hvor ellers er ikkebaryonisk mørk materie gjemt?

Utviklingen av høyteknologier innen observasjonsastronomi på 1900-tallet gjorde det mulig å få et klart svar på dette spørsmålet: ikke-baryonisk mørk materie finnes i gravitasjonsbundne systemer (haloer). Mørk materiepartikler er ikke-relativistiske og vekselvirkende svakt - deres dissipative prosesser foregår ikke på samme måte som baryoner. Baryoner avkjøles strålende, legger seg og akkumuleres i sentrum av haloen, og når rotasjonslikevekt. mørk materie forblir fordelt rundt det synlige stoffet i galakser med en karakteristisk skala på omtrent 200 kpc. I den lokale gruppen, som inkluderer Andromedatåken og Melkeveien, er mer enn halvparten av all mørk materie konsentrert i disse to store galaksene. Det er ingen partikler med de nødvendige egenskapene i standardmodellen for partikkelfysikk. En viktig parameter som ikke kan bestemmes fra observasjoner på grunn av ekvivalensprinsippet er massen til partikkelen. Innenfor mulige utvidelser av standardmodellen er det flere kandidatpartikler av mørk materie. De viktigste er oppført i tabellen. 2 i økende rekkefølge etter hvilemassen deres.

Tabell 2. Ikke-baryoniske partikler av mørk materie

Kandidat
Gravitoner

"Sterile" nøytrinoer
Speilstoff
Massive partikler
Supermassive partikler	$10^(13)$ GeV
Monopoler og defekter	$10^(19)$ GeV
Primordiale sorte hull	$(10^(-16)-10^(-17))M_(\odot)$

Hovedversjonen av massive partikler i dag - nøytralinohypotesen - er assosiert med minimal supersymmetri. Denne hypotesen kan testes ved Large Hadron Accelerator ved CERN, som etter planen skal lanseres i 2008. Den forventede massen av slike partikler er $\sim$ 100 GeV, og deres tetthet i vår galakse er én partikkel i volumet til en te. glass.

Letingen etter mørk materie partikler utføres rundt om i verden ved mange installasjoner. Det er interessant å merke seg at nøytralinhypotesen kan verifiseres uavhengig både i underjordiske eksperimenter på elastisk spredning og indirekte data om utslettelse av nøytralinoer i galaksen. Så langt har en positiv respons bare blitt mottatt i en av de underjordiske detektorene til DAMA-prosjektet (DArk MAtter), der et signal av ukjent opprinnelse av typen "sommer-vinter" har blitt observert i flere år. Imidlertid er rekkevidden av masser og tverrsnitt knyttet til dette forsøket ennå ikke bekreftet i andre installasjoner, noe som sår tvil om både påliteligheten og betydningen av resultatet.

En viktig egenskap til nøytralinoer er muligheten for deres indirekte observasjon av utslettelsesfluksen i gammaregionen. I prosessen med hierarkisk trengsel kan slike partikler danne mini-haloer med en karakteristisk størrelse i størrelsesorden størrelsen på solsystemet og en masse i størrelsesorden jordmassen, hvis rester har overlevd til i dag . Jorden selv kan med stor sannsynlighet være inne i slike minihaloer, hvor tettheten av partikler øker flere titalls ganger. Dette øker sannsynligheten for både direkte og indirekte deteksjon av mørk materie i vår galakse. Eksistensen av slike forskjellige søkemetoder inspirerer til optimisme og lar oss håpe på en rask bestemmelse av den fysiske naturen til mørk materie.

5. På terskelen til ny fysikk

I vår tid har det blitt mulig å uavhengig bestemme egenskapene til det tidlige universet og det sene universet ved hjelp av observasjonsastronomiske data. Vi forstår hvordan de første kosmologiske tetthetsforstyrrelsene oppsto, hvorfra universets struktur utviklet seg. Vi kjenner verdiene til de viktigste kosmologiske parameterne som ligger til grunn for standardmodellen av universet, som i dag ikke har noen seriøse konkurrenter. Imidlertid forblir grunnleggende spørsmål om opprinnelsen til Big Bang og hovedkomponentene i materie uløste.

Observasjonsbestemmelse av tensormodusen til kosmologiske forstyrrelser er nøkkelen til å konstruere en modell av det tidlige universet. Her har vi å gjøre med en klar prediksjon av en teori som er godt utprøvd når det gjelder $S$-modus og har mulighet for eksperimentell verifisering av $T$-modus i de kommende årene.

Teoretisk fysikk, etter å ha gitt en omfattende liste over mulige retninger og metoder for å søke etter mørk materiepartikler, har uttømt seg selv. Nå er det på tide å eksperimentere. Den nåværende situasjonen minner om den som gikk forut for de store oppdagelsene – oppdagelsen av kvarker, W- og Z-bosoner, nøytrinoscillasjoner, anisotropi og polarisering av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling.

Ett spørsmål dukker opp, som imidlertid er utenfor rammen av denne gjennomgangsrapporten: hvorfor er naturen så sjenerøs mot oss og lar oss avsløre dens hemmeligheter?

Referanser

Grib A A, Mamaev S G, Mostepanenko V M Kvanteeffekter i intense ytre felt (Moskva: Atomizdat, 1980)
Zeldovich Ya B, Starobinsky A A JETP 61 2161 (1971)
GrischukLPZHEGF67 825 (1974)
Lukash V N JETP 79 1601 (1980)
Lukash V N, astro-ph/9910009
Strokov VN Astron. magasin 84 483 (2007)
Lukash VN UFN176 113 (2006)
Lukash V N, Mikheeva E V Int. J.Mod. Phys. A 15 3783 (2000)

V.N. Lukash, E.V. Mikheeva

Spørsmålet om universets opprinnelse, dets fortid og fremtid har bekymret folk siden uminnelige tider. Gjennom århundrene har teorier oppstått og blitt motbevist, og gir et bilde av verden basert på kjente data. Einsteins relativitetsteori var et stort sjokk for den vitenskapelige verden. Hun ga også et stort bidrag til forståelsen av prosessene som former universet. Relativitetsteorien kunne imidlertid ikke hevde å være den ultimate sannheten, og krever ingen tillegg. Forbedrede teknologier har gjort det mulig for astronomer å gjøre tidligere ufattelige funn som krevde et nytt teoretisk rammeverk eller en betydelig utvidelse av eksisterende bestemmelser. Et slikt fenomen er mørk materie. Men først ting først.

Ting fra gamle dager

For å forstå begrepet "mørk materie", la oss gå tilbake til begynnelsen av forrige århundre. På den tiden var den dominerende ideen at universet var stasjonær struktur. I mellomtiden antok den generelle relativitetsteorien (GTR) at før eller senere ville det føre til at alle objekter i rommet "klebes sammen" til en enkelt ball, den såkalte gravitasjonskollapsen ville skje. Det er ingen frastøtende krefter mellom romobjekter. Gjensidig tiltrekning kompenseres av sentrifugalkrefter som skaper konstant bevegelse stjerner, planeter og andre kropper. På denne måten opprettholdes balansen i systemet.

For å forhindre universets teoretiske kollaps introduserte Einstein en mengde som bringer systemet til den nødvendige stasjonære tilstanden, men samtidig ble det faktisk oppfunnet og hadde ingen åpenbar basis.

Ekspanderende univers

Beregningene og oppdagelsene til Friedman og Hubble viste at det ikke var behov for å bryte de harmoniske ligningene til generell relativitet ved å bruke en ny konstant. Det er bevist, og i dag tviler nesten ingen på dette faktum, at universet utvider seg, det hadde en gang en begynnelse, og det kan ikke være snakk om stasjonaritet. Videre utvikling kosmologi førte til fremveksten av big bang-teorien. Hovedbekreftelsen av de nye antakelsene er den observerte økningen i avstanden mellom galakser over tid. Det var målingen av hastigheten som nabokosmiske systemer beveger seg bort fra hverandre med som førte til dannelsen av hypotesen om at mørk materie og mørk energi eksisterer.

Data som ikke stemmer overens med teori

Fritz Zwicky i 1931, og deretter Jan Oort i 1932 og på 1960-tallet, var engasjert i å beregne massen av materie til galakser i en fjern klynge og dens forhold til hastigheten på deres fjerning fra hverandre. Gang på gang kom forskerne til de samme konklusjonene: denne mengden materie er ikke nok til at tyngdekraften den skaper for å holde sammen galakser som beveger seg i så høye hastigheter. Zwicky og Oort antydet at det er skjult masse, universets mørke materie, som hindrer kosmiske objekter i å spre seg i forskjellige retninger.

Imidlertid fikk hypotesen anerkjennelse fra den vitenskapelige verden først på syttitallet, etter at resultatene av Vera Rubins arbeid ble kunngjort.

Hun konstruerte rotasjonskurver som tydelig viser avhengigheten av bevegelseshastigheten til det galaktiske stoffet av avstanden som skiller det fra sentrum av systemet. I motsetning til teoretiske antakelser viste det seg at hastigheten til stjerner ikke avtar når de beveger seg bort fra det galaktiske sentrum, men øker. Denne oppførselen til stjernene kunne bare forklares med tilstedeværelsen av en halo i galaksen, som er fylt med mørk materie. Astronomi ble dermed stilt overfor en helt uutforsket del av universet.

Egenskaper og sammensetning

Dette kalles mørkt fordi det ikke kan sees på noen eksisterende måte. Dens tilstedeværelse gjenkjennes av et indirekte tegn: mørk materie skaper et gravitasjonsfelt, mens den ikke sender ut elektromagnetiske bølger i det hele tatt.

Den viktigste oppgaven forskerne sto overfor var å få svar på spørsmålet om hva denne saken består av. Astrofysikere prøvde å "fylle" den med vanlig baryonisk materie (baryonisk materie består av mer eller mindre studerte protoner, nøytroner og elektroner). Den mørke haloen til galakser inkluderte kompakte, svakt emitterende stjerner av typen og enorme planeter nær Jupiter i massevis. Slike forutsetninger sto imidlertid ikke for gransking. Baryonisk materie, kjent og kjent, kan dermed ikke spille en vesentlig rolle i den skjulte massen av galakser.

I dag er fysikk engasjert i letingen etter ukjente komponenter. Praktisk forskning av forskere er basert på teorien om supersymmetri av mikroverdenen, ifølge hvilken det for hver kjent partikkel er et supersymmetrisk par. Det er disse som utgjør mørk materie. Det har imidlertid ennå ikke vært mulig å få bevis på at slike partikler finnes;

Mørk energi

Oppdagelsen av en ny type materie gjorde ikke slutt på overraskelsene som universet hadde forberedt for forskere. I 1998 fikk astrofysikere en ny sjanse til å sammenligne teoretiske data med fakta. Dette året var preget av en eksplosjon i en galakse langt fra oss.

Astronomer målte avstanden til den og ble ekstremt overrasket over dataene de mottok: stjernen blusset opp mye lenger enn den burde ha vært i henhold til den eksisterende teorien. Det viste seg at det øker over tid: nå er det mye høyere enn det var for 14 milliarder år siden, da Big Bang skal ha skjedd.

Som du vet, for å akselerere bevegelsen til en kropp, må den overføre energi. Kraften som tvinger universet til å utvide seg raskere har blitt kalt mørk energi. Dette er ikke mindre mystisk del av rommet enn mørk materie. Det er bare kjent at det er preget av en jevn fordeling i hele universet, og dets innvirkning kan bare registreres på enorme kosmiske avstander.

Og igjen den kosmologiske konstanten

Mørk energi har rystet big bang-teorien. En del av den vitenskapelige verden er skeptisk til muligheten for et slikt stoff og akselerasjonen av ekspansjon forårsaket av det. Noen astrofysikere prøver å gjenopplive Einsteins glemte kosmologiske konstant, som igjen kan gå fra å være en stor vitenskapelig feil til en arbeidshypotese. Dens tilstedeværelse i ligningene skaper antigravitasjon, noe som fører til akselerasjon av ekspansjon. Noen konsekvenser av tilstedeværelsen av en kosmologisk konstant er imidlertid ikke i samsvar med observasjonsdata.

I dag er mørk materie og mørk energi, som utgjør det meste av materien i universet, mysterier for forskere. Det er ikke noe klart svar på spørsmålet om deres natur. Dessuten er kanskje ikke dette den siste hemmeligheten som rommet holder fra oss. Mørk materie og energi kan være terskelen for nye oppdagelser som kan revolusjonere vår forståelse av universets struktur.

Hva kom først: egget eller kyllingen? Over dette et enkelt spørsmål Forskere over hele verden har kjempet i flere tiår. Et lignende spørsmål oppstår om hva som skjedde helt i begynnelsen, i øyeblikket da universet ble skapt. Skjedde det, denne skapelsen, eller er universene sykliske eller uendelige? Hva er svart materie i rommet og hvordan skiller den seg fra hvit materie? Kaster til side ulike slag religion, la oss prøve å nærme oss svarene på disse spørsmålene fra et vitenskapelig synspunkt. I løpet av de siste årene har forskere oppnådd noe utrolig. Sannsynligvis, for første gang i historien, stemte beregningene til teoretiske fysikere med beregningene til eksperimentelle fysikere. Flere forskjellige teorier har blitt presentert for det vitenskapelige miljøet gjennom årene. Mer eller mindre nøyaktig, empirisk, noen ganger kvasi-vitenskapelig, ble imidlertid de teoretiske beregnede dataene bekreftet av eksperimenter, noen til og med med en forsinkelse på flere tiår (Higgs-bosonet, for eksempel).

- svart energi

Det er mange slike teorier, for eksempel: Big Bang, teorien om sykliske universer, teorien om parallelle universer, Modifisert Newtonsk dynamikk (MOND), F. Hoyles teori om et stasjonært univers og andre. Teorien om et konstant ekspanderende og utviklende univers, hvis teser passer godt innenfor rammen av Big Bang-konseptet, anses for tiden som allment akseptert. Samtidig kvasi-empirisk (dvs. empirisk, men med store toleranser og basert på eksisterende moderne teorier strukturen til mikroverdenen), ble det oppnådd data om at alle mikropartikler kjent for oss utgjør bare 4,02% av det totale volumet av hele universets sammensetning. Dette er den såkalte "baryoncocktailen", eller baryonisk materie. Imidlertid er hoveddelen av universet vårt (mer enn 95%) stoffer av en annen type, med en annen sammensetning og egenskaper. Dette er den såkalte svarte materien og svart energi. De oppfører seg annerledes: de reagerer forskjellig på ulike typer reaksjoner, blir ikke oppdaget av eksisterende tekniske midler og viser tidligere ustuderte egenskaper. Fra dette kan vi konkludere med at enten adlyder disse stoffene andre fysikklover (ikke-newtonsk fysikk, den verbale analogen til ikke-euklidisk geometri), eller vårt utviklingsnivå av vitenskap og teknologi er bare i den innledende fasen av dens dannelse.

Hva er baryoner?

I følge den eksisterende kvark-gluon-modellen for sterke interaksjoner er det bare seksten elementærpartikler (og den nylige oppdagelsen av Higgs-bosonet bekrefter dette): seks typer (smaker) av kvarker, åtte gluoner og to bosoner. Baryoner er tunge elementærpartikler med sterke interaksjoner. De mest kjente av dem er kvarker, protoner og nøytroner. Familier av slike stoffer, forskjellig i spinn, masse, deres "farge", så vel som "fascinasjon" og "merkelig" tall, er nettopp byggesteinene i det vi kaller baryonisk materie. Svart (mørk) materie, som utgjør 21,8% av den totale sammensetningen av universet, består av andre partikler som ikke sender ut elektromagnetisk stråling og ikke reagerer med den på noen måte. Derfor, for direkte observasjon på et minimum, og enda mer for registrering av slike stoffer, er det nødvendig å først forstå fysikken deres og bli enige om lovene de adlyder. Mange moderne forskere jobber for tiden med denne saken i forskningsinstitutter i forskjellige land.

Det mest sannsynlige alternativet

Hvilke stoffer anses som mulige? Til å begynne med bør det bemerkes at det bare er to mulige alternativer. I følge GTR og STR (General and Special Theory of Relativity) kan dette stoffet i sammensetning være både baryonisk og ikke-baryonisk mørk materie (svart). I følge den grunnleggende Big Bang-teorien er all eksisterende materie representert i form av baryoner. Denne oppgaven er bevist med ekstremt høy nøyaktighet. Foreløpig har forskere lært å oppdage partikler dannet et minutt etter bruddet av singulariteten, det vil si etter eksplosjonen av en supertett tilstand av materie, med en kroppsmasse som tenderer til uendelig og kroppsdimensjoner har en tendens til null. Scenariet med baryoniske partikler er det mest sannsynlige, siden det er fra dem universet vårt består og gjennom dem fortsetter dets ekspansjon. Svart materie består ifølge denne antagelsen av grunnleggende partikler som er generelt akseptert av newtonsk fysikk, men som av en eller annen grunn vekselvirker svakt elektromagnetisk. Det er grunnen til at detektorer ikke oppdager dem.

Ikke alt er så glatt

Dette scenariet passer mange forskere, men det er fortsatt flere spørsmål enn svar. Hvis både svart og hvit materie bare er representert av baryoner, bør konsentrasjonen av lette baryoner som en prosentandel av tunge, som et resultat av primær nukleosyntese, være forskjellig i de opprinnelige astronomiske objektene i universet. Og tilstedeværelsen i vår galakse av et tilstrekkelig antall store gravitasjonsobjekter i likevekt, for eksempel sorte hull eller nøytronstjerner, for å balansere massen til Melkeveiens halo. Men de samme nøytronstjernene, mørke galaktiske glorier, svart svart og (stjerner i forskjellige stadier av deres livssyklus), mest sannsynlig er en del av den mørke materien som utgjør mørk materie. Svart energi kan også fylle dem, inkludert i forutsagte hypotetiske objekter som preon, kvark og Q-stjerner.

Ikke-baryoniske kandidater

Det andre scenariet innebærer en ikke-baryonisk begynnelse. Her kan flere typer partikler fungere som kandidater. For eksempel lette nøytrinoer, hvis eksistens allerede er bevist av forskere. Imidlertid utelukker deres masse, i størrelsesorden en hundredel til en ti tusendel av en eV (elektron-volt), praktisk talt dem fra mulige partikler på grunn av uoppnåeligheten til den nødvendige kritiske tettheten. Men tunge nøytrinoer, sammen med tunge leptoner, manifesterer seg praktisk talt ikke under vanlige forhold. Slike nøytrinoer kalles sterile med en maksimal masse på opptil en tiendedel av en eV, og det er mer sannsynlig at de er kandidatpartikler av mørk materie. Aksjoner og kosmioner ble kunstig introdusert i fysiske ligninger for å løse problemer innen kvantekromodynamikk og standardmodellen. Sammen med en annen stabil supersymmetrisk partikkel (SUSY-LSP) kan de godt være kandidater, siden de ikke tar del i elektromagnetiske og sterke interaksjoner. Imidlertid, i motsetning til nøytrinoer, er de fortsatt hypotetiske;

Svart materie teori

Mangelen på masse i universet gir opphav til forskjellige teorier om denne saken, hvorav noen er ganske gyldige. For eksempel teorien om at vanlig gravitasjon ikke er i stand til å forklare den merkelige og ekstremt raske rotasjonen av stjerner i spiralgalakser. Ved slike hastigheter ville de rett og slett flydd over grensene hvis ikke for en holdestyrke, som ennå ikke er mulig å registrere. Andre teorier forklarer umuligheten av å oppnå WIMP-er (massive elektrosvakt interagerende partnerpartikler av elementære subpartikler, supersymmetriske og supertunge - det vil si ideelle kandidater) under terrestriske forhold, siden de lever i n-dimensjonen, som er mer forskjellig fra vår tredimensjonale en. I følge Kaluza-Klein-teorien er slike målinger ikke tilgjengelige for oss.

Utskiftelige stjerner

En annen teori beskriver hvordan variable stjerner og svart materie interagerer med hverandre. Lysstyrken til en slik stjerne kan endres ikke bare på grunn av metafysiske prosesser som skjer inne (pulsering, kromosfærisk aktivitet, utstøting av prominenser, overløp og formørkelser i binære stjerner). stjernesystemer, supernovaeksplosjon), men også på grunn av de unormale egenskapene til mørk materie.

WARP motor

I følge en teori kan mørk materie brukes som drivstoff for underromsmotorer til romskip som opererer ved hjelp av hypotetisk WARP Engine-teknologi. Potensielt lar slike motorer skipet bevege seg med hastigheter som overstiger lysets hastighet. Teoretisk sett er de i stand til å bøye rommet foran og bak skipet og flytte det inn i det enda raskere enn elektromagnetisk bølge akselererer i et vakuum. Selve skipet er ikke lokalt akselerert - bare romfeltet foran er bøyd. Mange science fiction-historier bruker denne teknologien, for eksempel Star Trek-sagaen.

Produksjon under terrestriske forhold

Forsøk på å generere og skaffe svart materie på jorden har fortsatt ikke ført til suksess. For tiden utføres eksperimenter ved LHC (Large Hadron Collider), nøyaktig der Higgs-bosonet først ble oppdaget, så vel som ved andre, mindre kraftige, inkludert lineære kollidere, på jakt etter stabile, men elektromagnetisk svakt samvirkende partnere til elementære partikler. Imidlertid er verken photino, gravitino, higsino eller sneutrino (nøytralino), så vel som andre WIMP-er (WIMP-er) ennå oppnådd. I følge et foreløpig forsiktig estimat fra forskere krever det å produsere ett milligram mørk materie under terrestriske forhold tilsvarende energien som forbrukes i USA i et år.

Alt vi ser rundt oss (stjerner og galakser) er ikke mer enn 4-5 % av den totale massen i universet!

I følge moderne kosmologiske teorier består vårt univers av kun 5 % av vanlig, såkalt baryonisk materie, som danner alle observerbare objekter; 25 % mørk materie oppdaget på grunn av tyngdekraften; og mørk energi, som utgjør så mye som 70 % av totalen.

Begrepene mørk energi og mørk materie er ikke helt vellykkede og representerer en bokstavelig, men ikke semantisk, oversettelse fra engelsk.

I fysisk forstand innebærer disse begrepene bare at disse stoffene ikke interagerer med fotoner, og de kan like gjerne kalles usynlig eller gjennomsiktig materie og energi.

Mange moderne forskere er overbevist om at forskning rettet mot å studere mørk energi og materie sannsynligvis vil bidra til å svare globalt problem: hva venter universet vårt i fremtiden?

Klumper på størrelse med en galakse

Mørk materie er et stoff som, mest sannsynlig, består av nye partikler, fortsatt ukjent under terrestriske forhold, og som har egenskaper som er iboende i selve vanlig materie. For eksempel er den også i stand til, som vanlige stoffer, å samle seg til klumper og delta i gravitasjonsinteraksjoner. Men størrelsen på disse såkalte klumpene kan overstige en hel galakse eller til og med en klynge galakser.

Tilnærminger og metoder for å studere mørk materie partikler

For øyeblikket prøver forskere over hele verden på alle mulige måter å oppdage eller kunstig skaffe partikler av mørk materie under terrestriske forhold, ved å bruke spesialutviklet ultrateknologisk utstyr og mange forskjellige forskningsmetoder, men så langt har ikke all deres innsats blitt kronet. med suksess.

En metode innebærer å utføre eksperimenter med høyenergiakseleratorer, ofte kjent som kollidere. Forskere, som tror at mørk materiepartikler er 100-1000 ganger tyngre enn et proton, antar at de bør genereres i kollisjonen av vanlige partikler akselerert til høye energier gjennom en kolliderer. Essensen av en annen metode er å registrere mørk materiepartikler som ligger rundt oss. Hovedvanskeligheten med å registrere disse partiklene er at de viser svært svak interaksjon med vanlige partikler, som iboende er transparente for dem. Og likevel kolliderer mørk materiepartikler svært sjelden med atomkjerner, og det er et visst håp om å registrere dette fenomenet før eller siden.

Det finnes andre tilnærminger og metoder for å studere mørk materiepartikler, og bare tiden vil vise hvilken som vil være den første til å lykkes, men uansett vil oppdagelsen av disse nye partiklene være en stor vitenskapelig prestasjon.

Stoff med anti-tyngdekraft

Mørk energi er et enda mer uvanlig stoff enn mørk materie. Den har ikke evnen til å samle seg i klumper, som et resultat av at den er jevnt fordelt over hele universet. Men dens mest uvanlige egenskap for øyeblikket er antigravitasjon.

Naturen til mørk materie og sorte hull

Takket være moderne astronomiske metoder Det er mulig å bestemme ekspansjonshastigheten til universet på det nåværende tidspunkt og simulere prosessen med dets endring tidligere i tid. Som et resultat av dette ble det innhentet informasjon om at for øyeblikket, så vel som i den siste tiden, utvider universet vårt, og tempoet i denne prosessen øker stadig. Det er grunnen til at hypotesen om antigravitasjonen til mørk energi oppsto, siden vanlig gravitasjonsattraksjon ville ha en bremsende effekt på prosessen med "galakse-resesjon", og begrense ekspansjonshastigheten til universet. Dette fenomenet motsier ikke den generelle relativitetsteorien, men mørk energi må ha negativt trykk – en egenskap som ingen foreløpig kjent substans har.

Kandidater til rollen som "Dark Energy"

Massen til galaksene i Abel 2744-hopen er mindre enn 5 prosent av dens totale masse. Denne gassen er så varm at den bare lyser i røntgenstråler (rød på dette bildet). Fordelingen av usynlig mørk materie (som utgjør omtrent 75 prosent av klyngens masse) er farget blå.

En av de antatte kandidatene for rollen som mørk energi er vakuum, hvis energitetthet forblir uendret under utvidelsen av universet og dermed bekrefter det negative trykket i vakuumet. En annen antatt kandidat er "kvintessensen" - et tidligere ukjent ultrasvakt felt som visstnok passerer gjennom hele universet. Det er også andre mulige kandidater, men ingen av dem har så langt bidratt til å få et eksakt svar på spørsmålet: hva er mørk energi? Men det er allerede klart at mørk energi er noe helt overnaturlig, og forblir hovedmysteriet for grunnleggende fysikk i det 21. århundre.

Universet består av kun 4,9 % vanlig materie – baryonisk materie, som utgjør vår verden. Mesteparten av de 74 % av hele universet består av mystisk mørk energi, og 26,8 % av massen i universet består av fysikk-trossende, vanskelig å oppdage partikler kalt mørk materie.

Dette merkelige og uvanlige konseptet med mørk materie ble foreslått i et forsøk på å forklare det uforklarlige astronomiske fenomener. Så, forskere begynte å snakke om eksistensen av en kraftig energi, så tett og massiv - det er fem ganger mer enn det vanlige stoffet som vår verden består av, vi er laget av, etter å ha oppdaget uforståelige fenomener i stjernenes tyngdekraft og dannelsen av universet.

Hvor kom begrepet mørk materie fra?

Dermed har stjerner i spiralgalakser som vår ganske høy hastighet appeller og i henhold til alle lover, med så rask bevegelse, burde rett og slett fly ut i det intergalaktiske rommet, som appelsiner fra en veltet kurv, men det gjør de ikke. De holdes av en veldig sterk gravitasjonskraft, som ikke registreres eller fanges opp av noen av våre metoder.

Forskere mottok en annen interessant bekreftelse på eksistensen av noe mørk materie fra studier av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. De viste at etter Big Bang var materie i utgangspunktet jevnt fordelt i rommet, men noen steder var tettheten litt høyere enn gjennomsnittet. Disse områdene hadde sterkere tyngdekraft, i motsetning til de som omringet dem, og samtidig som de trakk til seg materie, ble de enda tettere og mer massive. Hele denne prosessen burde vært for sakte til å danne store galakser, inkludert vår, på bare 13,8 milliarder år (som er universets alder). Melkeveien.

Dermed gjenstår det å anta at utviklingshastigheten til galakser akselereres av tilstedeværelsen av en tilstrekkelig mengde mørk materie med dens ekstra tyngdekraft, noe som akselererer denne prosessen betydelig.

Hva er mørk materie?

En av de sentrale ideene er at svart materie består av ennå uoppdagede subatomære partikler. Hva slags partikler er dette og hvem som søker denne rollen, det er mange kandidater.

Det antas at grunnleggende elementærpartikler fra fermionfamilien har supersymmetriske partnere fra en annen familie - bosoner. Slike svakt samvirkende massive partikler kalles WIMPs (eller ganske enkelt WIMPs). Den letteste og mest stabile superpartneren er neutralino. Dette er den mest sannsynlige kandidaten for rollen som mørk materie.

For øyeblikket har forsøk på å få tak i en nøytralino eller i det minste en lignende eller helt annen partikkel av mørk materie ikke ført til suksess. Tester for produksjon av nøytralinoer ble gjort i kollisjoner med ultrahøy energi ved den berømte og ulikt vurderte Large Hadron Collider. I fremtiden vil det bli utført eksperimenter med enda høyere kollisjonsenergier, men dette garanterer ikke at i det minste noen modeller av mørk materie vil bli oppdaget.

Som Matthew McCullough (fra Center for Theoretical Physics ved Massachusetts Institute of Technology) sier Institutt for teknologi) - "Vår vanlige verden er kompleks, den er ikke bygget av partikler av samme type, men hva om mørk materie også er kompleks?" I følge hans teori kunne mørk materie hypotetisk samhandle med seg selv, men samtidig ignorere vanlig materie. Det er derfor vi ikke kan legge merke til og på en eller annen måte registrere dens tilstedeværelse.

(Kart over den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) laget av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP))

Melkeveisgalaksen vår består av en storskala sfærisk roterende sky av mørk materie, blandet med liten mengde vanlig materie som komprimeres av tyngdekraften. Dette skjer raskere mellom polene, ikke så mye som i ekvatorområdet. Som et resultat får galaksen vår utseendet til en flat spiralskive av stjerner og stuper inn i en kuleformet sky av mørk materie.

Teorier om eksistensen av mørk materie

For å forklare naturen til den manglende massen i universet, har forskjellige teorier blitt fremsatt, på en eller annen måte, som snakker om eksistensen av mørk materie. Her er noen av dem:

Gravitasjonstiltrekningen til vanlig påvisbar materie i universet kan ikke forklare den merkelige bevegelsen til stjerner i galakser, der i de ytre områdene av spiralgalakser stjernene roterer så raskt at de rett og slett burde fly ut i det interstellare rommet. Hva holder dem tilbake hvis det ikke kan tas opp?
Eksisterende mørk materie overskrider den vanlige materien i universet med 5,5 ganger, og bare dens ekstra gravitasjon kan forklare de ukarakteristiske bevegelsene til stjerner i spiralgalakser.
Mulige mørk materie-partikler er WIMP-er, de er svakt samvirkende massive partikler og er supertunge supersymmetriske partnere til subatomære partikler. I teorien er det over tre romlige dimensjoner som er utilgjengelige for oss. Vanskeligheten er hvordan man registrerer dem når ytterligere dimensjoner i henhold til Kaluza-Klein-teorien viser seg å være utilgjengelige for oss.

Er det mulig å oppdage mørk materie?

Enorme mengder mørk materie partikler flyr gjennom jorden, men siden mørk materie ikke interagerer, og hvis det er interaksjon, er den ekstremt svak, praktisk talt null, med vanlig materie, så i de fleste eksperimenter ble ingen signifikante resultater oppnådd.

Likevel blir forsøk på å registrere tilstedeværelsen av mørk materie forsøkt i eksperimenter som involverer kollisjon av ulike atomkjerner (silisium, xenon, fluor, jod og andre) i håp om å se virkningen av mørk materiepartikkel.

Ved Neutrino Astronomical Observatory ved Amundsen-Scott Station med interessant navn IceCube driver forskning for å oppdage høyenerginøytrinoer født utenfor solsystemet.

Her på Sydpolen, hvor temperaturen ute er ned til -80 °C, på en dybde på 2,4 km under isen, er høypresisjonselektronikk installert, noe som gir en kontinuerlig prosess for å observere de mystiske prosessene i universet som skjer utover vanlig materie. Så langt er dette bare forsøk på å komme nærmere å avdekke universets dypeste hemmeligheter, men det er allerede noen suksesser, for eksempel den historiske oppdagelsen av 28 nøytrinoer.

Så. Det er utrolig interessant at universet, bestående av mørk materie, utilgjengelig for synlige studier av oss, kan vise seg å være mange ganger mer komplekst enn strukturen til universet vårt. Eller kanskje universet av mørk materie er betydelig overlegent vårt, og det er der alle de viktige tingene skjer, ekkoene som vi prøver å se i vår vanlige materie, men dette beveger seg allerede inn i science fiction-riket.