| Адроны | |
| Альфа-распад | |
| Альфа-частица | |
| Аннигиляция | |
| Антивещество | |
| Антинейтрон | |
| Антипротон | |
| Античастицы | |
| Атом | |
| Атомная единица массы | |
| Атомная электростанция | |
| Барионное число | |
| Барионы | |
| Бета-распад | |
| Бетатрон | |
| Бета-частицы | |
| Бозе – Эйнштейна статистика | |
| Бозоны | |
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | |
Боттом. Боттомоний | |
| Брейта-Вигнера формула | |
| Быстрота | |
| Векторная доминантность | |
| Великое объединение | |
| Взаимодействие частиц | |
| Вильсона камера | |
| Виртуальные частицы | |
| Водорода атом | |
| Возбуждённые состояния ядер | |
| Волновая функция | |
| Волновое уравнение | |
| Волны де Бройля | |
| Встречные пучки | |
| Гамильтониан | |
| Гамма-излучение | |
| Гамма-квант | |
| Гамма-спектрометр | |
| Гамма-спектроскопия | |
| Гаусса распределение | |
| Гейгера счётчик | |
| Гигантский дипольный резонанс | |
| Гиперядра | |
| Глюоны | |
| Годоскоп | |
| Гравитационное взаимодействие | |
| Дейтрон | |
| Деление атомных ядер | |
| Детекторы частиц | |
| Дирака уравнение | |
| Дифракция частиц | |
| Доза излучения | |
| Дозиметр | |
| Доплера эффект | |
| Единая теория поля | |
| Зарядовое сопряжение | |
| Зеркальные ядра | |
| Избыток массы (дефект массы) | |
| Изобары | |
| Изомерия ядерная | |
| Изоспин | |
| Изоспиновый мультиплет | |
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | |
| Ионизирующее излучение | |
| Искровая камера | |
| Квантовая механика | |
| Квантовая теория поля | |
| Квантовые операторы | |
| Квантовые числа | |
| Квантовый переход | |
| Квант света | |
| Кварк-глюонная плазма | |
| Кварки | |
| Коллайдер | |
| Комбинированная инверсия | |
| Комптона эффект | |
| Комптоновская длина волны | |
| Конверсия внутренняя | |
| Константы связи | |
| Конфайнмент | |
| Корпускулярно волновой дуализм | |
| Космические лучи | |
| Критическая масса | |
| Лептоны | |
| Линейные ускорители | |
| Лоренца преобразования | |
| Лоренца сила | |
| Магические ядра | |
| Магнитный дипольный момент ядра | |
| Магнитный спектрометр | |
| Максвелла уравнения | |
| Масса частицы | |
| Масс-спектрометр | |
| Массовое число | |
| Масштабная инвариантность | |
| Мезоны | |
| Мессбауэра эффект | |
| Меченые атомы | |
| Микротрон | |
| Нейтрино | |
| Нейтрон | |
| Нейтронная звезда | |
| Нейтронная физика | |
| Неопределённостей соотношения | |
| Нормы радиационной безопасности | |
| Нуклеосинтез | |
| Нуклид | |
| Нуклон | |
| Обращение времени | |
| Орбитальный момент | |
| Осциллятор | |
| Отбора правила | |
| Пар образование | |
| Период полураспада | |
| Планка постоянная | |
| Планка формула | |
| Позитрон | |
| Поляризация | |
| Поляризация вакуума | |
| Потенциальная яма | |
| Потенциальный барьер | |
| Принцип Паули | |
| Принцип суперпозиции | |
| Промежуточные W-, Z-бозоны | |
| Пропагатор | |
| Пропорциональный счётчик | |
| Пространственная инверсия | |
| Пространственная четность | |
| Протон | |
| Пуассона распределение | |
| Пузырьковая камера | |
| Радиационный фон | |
| Радиоактивность | |
| Радиоактивные семейства | |
| Радиометрия | |
| Расходимости | |
| Резерфорда опыт | |
| Резонансы (резонансные частицы) | |
| Реликтовое микроволновое излучение | |
| Светимость ускорителя | |
| Сечение эффективное | |
| Сильное взаимодействие | |
| Синтеза реакции | |
| Синхротрон | |
| Синхрофазотрон | |
| Синхроциклотрон | |
| Система единиц измерений | |
| Слабое взаимодействие | |
| Солнечные нейтрино | |
| Сохранения законы | |
| Спаривания эффект | |
| Спин | |
| Спин-орбитальное взаимодействие | |
| Спиральность | |
| Стандартная модель | |
| Статистика | |
| Странные частицы | |
| Струи адронные | |
| Субатомные частицы | |
| Суперсимметрия | |
| Сферическая система координат | |
| Тёмная материя | |
| Термоядерные реакции | |
| Термоядерный реактор | |
| Тормозное излучение | |
| Трансурановые элементы | |
| Трек | |
| Туннельный эффект | |
| Ускорители заряженных частиц | |
| Фазотрон | |
| Фейнмана диаграммы | |
| Фермионы | |
| Формфактор | |
| Фотон | |
| Фотоэффект | |
| Фундаментальная длина | |
| Хиггса бозон | |
| Цвет | |
| Цепные ядерные реакции | |
| Цикл CNO | |
| Циклические ускорители | |
| Циклотрон | |
Чарм. Чармоний | |
| Черенковский счётчик | |
| Черенковсое излучение | |
| Черные дыры | |
| Шредингера уравнение | |
| Электрический квадрупольный момент ядра | |
| Электромагнитное взаимодействие | |
| Электрон | |
| Электрослабое взаимодействие | |
| Элементарные частицы | |
| Ядерная физика | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерные модели | |
| Ядерные реакции | |
| Ядерный взрыв | |
| Ядерный реактор | |
| Ядра энергия связи | |
| Ядро атомное | |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) |
msimagelist>
Тёмная материя
Dark matter
Тёмная материя
− невидимая (не излучающая и не поглощающая) субстанция.
О её существовании
определённо свидетельствуют гравитационные эффекты. Данные наблюдений свидетельствуют
также о том, что это тёмное вещество-энергия делится на две части:
- первая — так называемая тёмная материя (dark matter) с плотностью
Wdm = 0.20–0.25, – неизвестные, слабо взаимодействующие массивные
частицы (не барионы). Это могут быть, например, стабильные нейтральные
частицы с массами от 10 ГэВ/с2 до 10 ТэВ/с2, предсказываемые суперсимметричными
моделями, в том числе гипотетические тяжёлые нейтрино; - вторая − так называемая тёмная энергия (dark energy) с плотностью
WΛ = 0.70–0.75), которую интерпретируют как вакуум. Имеется
в виду особая форма материи − физический вакуум, т.е. наинизшее энергетическое
состояние физических полей, пронизывающих пространство.
Барионная материя состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится
лишь около 1/10 массы барионной материи), межзвёздной пыли и газа, молекулярных
облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры, планет и очень
маленьких звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза.
Масса вещества, содержащегося во всех этих объектах, практически целиком
сосредоточена в барионах (протонах и нейтронах), причём на долю протонов
приходится 85%, а на долю нейтронов – 15% массы. Нейтроны связаны в ядрах,
главным образом, в ядрах гелия. В среднем на 4–5 м3 нынешней
Вселенной приходится 1 протон и 1 электрон (Вселенная электрически нейтральна).
Плотность барионной материи невелика − всего 4-5% полной плотности Вселенной.
| Таблица. Вклад в полную плотность Вселенной различных форм материи |
| Барионы, в том числе звезды | 0.042 ± 0.004 ≈ 0.05 |
| Фотоны | ≈ 5·10-5 |
| Нейтрино | <0.01 |
| Тёмная материя | 0. 20 ± 0.03 |
| Тёмная энергия | 0.76 ± 0.05 |
Помимо этих трёх основных составляющих Вселенной –
барионной материи, тёмной материи и вакуума — в ней незначительном количестве
(с точки зрения вклада в общую энергию) присутствуют фотоны и почти безмассовые
нейтрино. Эта релятивистская составляющая Вселенной представлена в ней плотностью
меньше 1%.
См. также
- Нейтрино и темная материя
- Темная материя
- Астрофизические данные, указывающие на
возможность существования темной материи - Детекторы для регистрации частиц
корпускулярной темной материи на основе благородных (инертных) газов - Антиматерия во Вселенной
Что такое темная материя. Как люди узнали о ее существовании?
Темная материя — это невидимая форма материи, обладающая массой. Она не излучает и не поглощает тепло, свет или другие электромагнитные волны.
Кроме того, он «слабо» взаимодействует с обычным веществом, что делает его еще более незаметным.
Из всех областей науки одной из самых популярных является астрономия, и не зря. Люди всегда задумывались о мерцающих звездах, сияющей Луне и случайных метеоритах, освещающих ночное небо! С момента изобретения телескопа наше любопытство к миру за пределами нашей планеты только увеличилось.
С помощью продвинутых космических телескопов, таких как Хаббл, мы можем заглянуть вглубь космоса и обнаружить даже те древние галактики, которые образовались сразу после Большого взрыва. Фактически, именно при взгляде на одну из этих нетронутых галактик была впервые задумана одна из самых больших загадок Вселенной — темная материя!
Истоки темной материи
В начале 1600-х годов Иоганн Кеплер определил, что чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее её вращение вокруг Солнца. Несколько десятилетий спустя пришел Ньютон и заложил фундаментальные законы гравитации, которые позволили нам измерить эту невероятно важную силу.
Используя закон всемирного тяготения Ньютона, мы вычислили гравитацию Солнца, которая, в свою очередь, дала нам подробную информацию о массе Солнца. С дальнейшим развитием телескопов и других астрономических технологий ученые начали применять закон тяготения Ньютона к вращающимся галактикам.
Открытие Фрица
В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки исследовал галактики в скоплении Кома. Он отметил, что несколько галактик движутся с очень высокой скоростью. Их скорость была столь велика, что они больше не могут оставаться гравитационно связанными и неизбежно распадутся.
Он предположил, что потребуется примерно в 100 раз больше материи, чтобы оправдать непомерную скорость удаления этих галактик. Он с подозрением относился к этой загадочной материи, но был уверен, что ее нельзя увидеть, как обычную материю. Таким образом, он назвал это темной материей. Неудивительно, что научное сообщество в то время не приняло всерьез идею Фрица.
Доказательство Рубин
Потребовалось еще 40 лет, чтобы его идею приняли.
В 1970-х годах другой астроном по имени Вера Рубин изучала спиральные галактики. Как и Цвикки, она ожидала увидеть, что по мере удаления от центра галактики газовые облака должны двигаться медленнее, в соответствии с законами гравитации Ньютона.
Однако, она заметила обратное. Она увидела, что для многих галактик в скоплении скорость увеличивалась по мере отдаления от центра. Для некоторых галактик перемещение от центра не повлияло на скорость вообще. Это наблюдение подразумевало, что вместо сосредоточения в центре, масса галактики распределялась по всему диску. Несмотря на цифры, не было достаточно видимого материала, чтобы объяснить эту скорость.
Единственным объяснением, которое могло оправдать эту аномалию, было некое невидимое вещество, имеющее массу. Эта загадочная материя была предложена как невидимая, поскольку ее нельзя было обнаружить, как звезды, газ, пыль и другие известные небесные тела. Кроме того, этот материал необходимо было распределить по диску, чтобы обеспечить правильное вращение.
Рубин подсчитала, что эта невидимая темная материя была примерно в 5-6 раз массивнее всей остальной массы обычной материи. Вы также можете прочитать описание теории струн простыми словами.
Темная материя: тайна до сих пор не раскрыта
После наблюдения Рубин было проведено еще много исследований в попытках раскрыть секреты темной материи. По иронии судьбы, самое примечательное в материи то, что мы почти ничего о ней не знаем! В ходе исследований удалось подтвердить, что темная материя имеет массу, но, в отличие от обычной материи, она не излучает и не поглощает тепло, свет или любые другие электромагнитные волны.
Материал, с которым мы знакомы в космосе, в основном состоит из барионной материи, то есть из протонов, нейтронов и электронов. Однако большинство ученых считает, что темная материя вряд ли будет барионной, поскольку она не проявляет свойств обычной материи. Скорее всего, она небарионная.
Таким образом, возникает вопрос… если она небарионная, то из чего состоит темная материя? Несколько исследований ведутся в настоящее время, но пока что мы не добились большого успеха.
При этом существует несколько гипотез. Первая — это гипотетическая субатомная частица, называемая аксионом.
Аксион — это предполагаемая частица, которая берет свое начало в теории квантовой механики. Его существование не было подтверждено напрямую, но свойства аксионов очень похожи на свойства темной материи. Аксионы обладают массой и не излучают много света. В результате их физическая структура будет лишена люминесценции и будет темной. Исследования продолжаются, но аксионы по-прежнему остаются неуловимыми.
Еще одна предлагаемая частица, которая может быть основным строительным блоком темной материи, — это WIMP. WIMP — это слабовзаимодействующие массивные частицы. Это также гипотетическая идея, не подтвержденная эмпирически. Предлагаемая частица не имеет электрического заряда. Их называют «слабыми», потому что они слабо взаимодействуют с обычной материей. Их взаимодействие настолько слабое, что многие ученые предполагают, что оно может проходить через нас без нашего ведома.
Используя WIMP, астрофизики пытались объяснить несколько загадок космоса, в том числе то, почему внешние края некоторых галактик вращаются быстрее, чем центр. Фактически, в научном сообществе идея WIMP предпочитается другим конкурирующим идеям. Хотя WIMP помогает разгадывать довольно много загадок космоса, он не решает их все.
Например, когда ученые пытались применить модель WIMP и провести компьютерное моделирование галактик, подобных Млечному Пути, симуляция предсказала присутствие нескольких сотен небольших галактик-спутников вокруг внешней периферии Млечного Пути. Однако, когда астрономы попытались установить это эмпирически, они смогли обнаружить только около двадцати из них. Эти аномалии выявили слабость теории WIMP. Астрофизики по всему миру пытаются придумать улучшенную модель теории WIMP, которая могла бы устранить эти несоответствия.
А теперь давайте посмотрим на некоторые из более крупных экспериментов по раскрытию тайн темной материи.
В поисках темной материи
Одна из самых известных работ, связанных с темной материей, осуществляется в подземном исследовательском центре Сэнфорда под знаменем большого подземного эксперимента с темным ксеноном, или LUX.
Для изучения вимпов в лаборатории на глубине в несколько сотен метров проводятся эксперименты с темной материей.
Комплекс расположен под землей, потому что для обнаружения темной материи необходима изолированная среда. Не может быть большого влияния внешнего шума или другого излучения, которое обычно присутствует в атмосфере Земли. Тысячи футов скалы используются в качестве виртуального щита для максимальной защиты подземной исследовательской лаборатории от внешнего вмешательства. В основе проекта LUX по темной материи лежит изолированный резервуар для воды объемом 80 000 галлонов, содержащий воду высокой степени очистки для обнаружения присутствия вимпов.
Внутри этого бака находится еще один бак, заполненный переохлажденным жидким ксеноном. Идея состоит в том, что если какая-либо темная материя пройдет через этот резервуар и столкнется с атомом ксенона в этой изолированной среде, встроенные в резервуар датчики обнаружат загадочную темную материю. Несмотря на эти огромные усилия, нам еще не удалось найти WIMP.
Многие ученые полагают, что, поскольку WIMP по своей природе обманчив и слаб, их почти невозможно обнаружить с помощью датчиков, сделанных из обычной материи. В качестве детектора WIMP в LUXК используется сенон, один из самых тяжелых благородных газов и очень редкий химический элемент на Земле.
Лаборатория в CERN
Поскольку мы не можем уловить и обнаружить эти загадочные частицы, как насчет создания их в лаборатории? В ЦЕРНе в Швейцарии продолжается проект по созданию темной материи путем воссоздания Большого взрыва. В CERN существует обширная сеть труб / туннелей, которые пересекаются в некоторых точках так называемого Большого Адронного Коллайдера.
Основная идея этого проекта состоит в том, чтобы запустить пучок протонов с одного направления через один из длинных тоннелей, а затем запустить другой пучок протонов с противоположного конца. Конструкция коллайдера такова, что есть четыре точки, где две фотонесущие трубы пересекаются.
Продолжаются попытки увидеть, как эти лучи сталкиваются с нужной скоростью, чтобы вызвать взрыв, в результате чего вокруг будет разбросана масса частиц.
Исследователи ожидают, что среди них будет темная материя. Короче говоря, одна из самых больших машин в мире используется для обнаружения одной из мельчайших частиц, когда-либо предполагавшихся при попытке воссоздать Большой взрыв!
Несмотря на наши усилия по раскрытию темной материи, особых успехов пока не наблюдается. Однако, если нам удастся решить загадку, это коренным образом изменит физику в том виде, в каком мы ее знаем — точно так же, как законы движения Исаака Ньютона или теории относительности Альберта Эйнштейна изменили мир. Возможно, тогда у нас был бы лучший ответ на некоторые фундаментальные вопросы, в том числе — в какой вселенной мы живем ?!
Что такое темная материя? | Журнал BBC Science Focus Magazine
Темная материя — это невидимый тип материи, теоретически составляющий большую часть всей материи во Вселенной. У него есть масса, но его нельзя увидеть и он не взаимодействует с обычным веществом.
Сколько там темной материи?
Согласно нашей стандартной космологической модели, темная материя составляет 85 процентов всей материи во Вселенной и 27 процентов всей массы-энергии Вселенной.
Кто открыл темную материю?
В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки изучил движение галактик в скоплении Волос, сравнив содержащуюся в нем массу со скоростью движения отдельных галактик по орбите. Он ожидал обнаружить, что количество гравитации, притягивающей галактики к центрам скопления, будет определять скорость их обращения.
Представьте, что комета проносится мимо Солнца. То, насколько траектория кометы будет искривлена по направлению к Солнцу, зависит от двух вещей: от того, насколько быстро она движется, и от силы гравитации Солнца. Если гравитация достаточно сильна, комета застрянет на орбите; в противном случае или если она движется слишком быстро, комета улетит в космос.
Цвикки обнаружил, что галактики на внешних краях скопления движутся слишком быстро, чтобы гравитация могла удерживать их на орбите. Так что же может их там держать?
Оценка количества и яркости галактик в скоплении дала Цвикки приблизительное значение массы, которое он использовал для расчета гравитации.
Поскольку его оценка была слишком маленькой, он предположил, что должна быть масса, которую он не может видеть. Он назвал это dunkle Materie , или «темная материя».
Эта темная материя должна обладать некоторыми странными свойствами. У него есть масса, поэтому у него есть гравитационная сила. Но мы его не видим, а значит, он не излучает и не отражает свет.
Какие еще есть доказательства существования темной материи?
Два сталкивающихся скопления галактик. Скопление Пуля находится справа © NASA / Hubble
На расстоянии около 3,8 миллиарда световых лет от Земли находится пара сталкивающихся скоплений галактик. Меньшее из двух, известное как Скопление Пулей, пробивает себе путь сквозь большее.
На изображении выше галактики, составляющие скопления, показаны оранжевым и белым цветом, а горячий газ скоплений, излучающий рентгеновское излучение, показан розовым. Они составляют «нормальную» материю в скоплениях галактик.
Синие области изображения на внешних краях составляют большую часть массы кластеров.
Эта масса была обнаружена благодаря эффекту, известному как гравитационное линзирование.
Общая теория относительности Эйнштейна говорит нам, что само пространство-время искажается массой, что является эффектом, который мы рассматриваем как гравитацию. Все во Вселенной подвержено его влиянию, даже свет. Таким образом, даже если мы не можем видеть саму материю, мы можем видеть, как свет изгибается в ее присутствии.
Итак, большая часть вещества в этих сталкивающихся скоплениях — это не галактики и не горячий газ, а что-то с массой, которую мы не можем видеть.
Скопление пули дает нам представление о другом аспекте темной материи. После столкновения темная материя продвинулась намного дальше, чем горячий газ, и теперь находится на окраине скопления. В то время как горячий газ ощущал сопротивление во время столкновения, подобное сопротивлению воздуха, темная материя этого не чувствовала. Это означает, что он не взаимодействует ни с собой, ни с обычной материей, разве что под действием гравитации.
Больше похожего на это
Из чего состоит темная материя?
Несмотря на свое название, он не может просто состоять из мертвых звезд, газа и пыли. Темная материя должна состоять из чего-то более экзотического, чем стандартные атомные частицы, чтобы Большой взрыв создал вселенную, химически похожую на ту, которую мы видим.
Такие наблюдательные ограничения вынудили теоретиков сосредоточиться на нескольких кандидатах на темную материю.
Основными претендентами являются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы («WIMP») и гравитино, существование которых предсказывается теориями, направленными на объединение всех фундаментальных сил и частиц природы, и аксионов, существование которых предсказывается теориями ядра держатся вместе. Эксперименты, проводимые сейчас на Большом адронном коллайдере, вскоре могут раскрыть правду. — Александра Франклин-Чунг
Узнайте больше об альтернативных объяснениях темной материи:
- Звезды-призраки: радикальная теория, которая может раскрыть тайну темной материи
- Черные дыры и мультивселенная могут объяснить всю темную материю, астрономы утверждают, что
- Может ли «темная материя» быть просто мертвыми звездами и планетами, плавающими в глубинах космоса?
Земное небо | Что такое темная материя?
Что такое темная материя? С 19В 30-х годах астрофизики пытались объяснить, почему видимый материал в галактиках не может объяснить, как галактики сформированы или как они себя ведут.
Они верят, что темная материя пронизывает нашу вселенную, но не знают, что это такое. Изображение через ScienceAlert.
Что такое темная материя?
Темная материя — таинственная субстанция, которая, как считается, составляет около 27% состава Вселенной. Что это? Немного проще сказать, что не .
Это не обычные атомы, строительные блоки наших собственных тел и всего, что мы видим вокруг себя. Согласно космологической модели, называемой моделью лямбда-холодной темной материи (она же модель лямбда-CDM, а иногда и просто стандартная модель), атомы составляют всего около 5% Вселенной.
Темная материя — это не то же самое, что и темная энергия . Согласно Стандартной модели, темная энергия составляет около 68% Вселенной.
Темная материя невидима; он не излучает, не отражает и не поглощает свет или любое электромагнитное излучение, такое как рентгеновские лучи или радиоволны. Таким образом, инструменты не могут обнаружить темную материю напрямую, поскольку все наши наблюдения за Вселенной, помимо обнаружения гравитационных волн, включают в себя улавливание электромагнитного излучения в наших телескопах.
Как он взаимодействует с обычной материей?
Однако темная материя взаимодействует с обычной материей. Он демонстрирует измеримые гравитационные эффекты на крупные структуры во Вселенной, такие как галактики и скопления галактик. Благодаря этому астрономы могут составлять карты распределения темной материи во Вселенной, даже если они не могут видеть ее напрямую.
Они делают это, измеряя влияние темной материи на обычную материю посредством гравитации.
На этом изображении всего неба, опубликованном в 2013 году, показано распределение темной материи по всей истории Вселенной, проецируемое на небо. Он основан на данных, собранных со спутника Planck Европейского космического агентства. Темно-синие области представляют области, которые более плотные, чем их окружение. Яркие области представляют менее плотные области. Серые части изображения представляют собой участки неба, где излучение переднего плана, в основном от Млечного Пути, но также и от близлежащих галактик, мешает космологам видеть ясно.
Изображение через ESA.
Вимпы и суперсимметрия
В настоящее время предпринимаются огромные международные усилия по определению природы темной материи. Астрономы используют арсенал передовых технологий для решения этой проблемы. Они разработали еще более сложные и чувствительные детекторы, чтобы выявить личность этого таинственного вещества.
Темная материя может состоять из еще не идентифицированной субатомной частицы. Это было бы совершенно не похоже на то, что ученые называют барионной материей. Это обычная материя, то, что мы видим вокруг себя. Обычные атомы, состоящие из протонов и нейтронов, составляют барионную материю.
Список субатомных частиц-кандидатов включает слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP). Считается, что этот класс частиц возник в ранней Вселенной. Астрономы считают, что вимпы могут самоуничтожиться при столкновении друг с другом, поэтому они искали в небе контрольные следы таких событий, как испускание нейтрино или гамма-излучение.
Пока ничего не нашли. Кроме того, хотя теория, называемая суперсимметрией, предсказывает существование частиц с теми же свойствами, что и вимпы, неоднократные поиски самих частиц также ничего не дали. Эксперименты на Большом адронном коллайдере по обнаружению ожидаемого присутствия суперсимметрии совершенно не дали ее.
Детекторы вимпов
Исследователи использовали несколько различных типов детекторов для обнаружения вимпов. Общая идея состоит в том, что очень редко вимпы могут столкнуться с обычным атомом и испустить слабую вспышку света. На сегодняшний день самым чувствительным детектором является XENON1T, который состоит из 10-метрового (около 30 футов) цилиндра, содержащего 3,2 тонны жидкого ксенона. Окружающие его фотоумножители обнаруживают и усиливают невероятно слабые вспышки от этих редких взаимодействий. В июле 2019 г., более чувствительный прибор XENONnT занял место XENON1T, который не обнаружил столкновений между вимпами и атомами ксенона.
Хотя вимпы долгое время были предпочтительными кандидатами на роль темной материи, они не единственные кандидаты.
Неспособность найти вимпы и сопутствующее разочарование из-за невозможности объяснить значительный процент массы Вселенной заставили многих ученых искать возможные альтернативы.
На данный момент гипотетическая частица под названием аксион выделяется как важная. Существование аксионов не только является сильным кандидатом на роль темной материи, но и может дать ответы на несколько других постоянных вопросов в физике, таких как проблема сильной СР.
Астроном Фриц Цвикки впервые предсказал существование темной материи в 1930-х годах после своих наблюдений за скоплением галактик Кома. Изображение через zwicky-stiftung.ch.
История тёмной материи
Идея о том, что во Вселенной могут быть вещи, невидимые для нас, которые не излучают свет, имеет долгую историю, уходящую на сотни лет назад во времена Ньютона. С открытием так называемых «темных туманностей» — облаков межзвездной пыли, блокирующих свет от фоновых звезд, — и предположениями Пьера Лапласа 18-го века об объектах, которые могут поглощать свет, позднее ставших известными как черные дыры, астрономы пришли к выводу, что существование так называемой «темной вселенной».
Но в наше время астроном Фриц Цвикки в 1930-х годах сделал первые наблюдения того, что мы сейчас называем темной материей. Его наблюдения за скоплением галактик Кома в 1933 году, казалось, указывали на то, что его масса в 500 раз больше, чем ранее рассчитанная Эдвином Хабблом. Более того, эта дополнительная масса казалась совершенно невидимой. Хотя наблюдения Цвикки поначалу вызвали большой скептицизм, позже другие группы астрономов подтвердили их.
Вера Рубин и темная материя
Тридцать лет спустя астроном Вера Рубин предоставила огромное количество доказательств существования темной материи. Она обнаружила, что центры галактик вращаются с той же скоростью, что и их края. Они должны вращаться быстрее. Подумайте о виниловой пластинке на деке: ее центр вращается быстрее, чем край. Это то, что логика подсказывает, что мы должны видеть и в галактиках. Но мы этого не делаем. Единственный способ объяснить это — если вся галактика является лишь центром какой-то гораздо более крупной структуры.
Представьте, что это всего лишь метка на LP, заставляющая галактику иметь постоянную скорость вращения от центра к краю.
Вера Рубин вслед за Цвикки постулировала, что недостающая структура в галактиках — это темная материя. Ее идеи встретили сильное сопротивление со стороны астрономического сообщества, но ее подтвержденные наблюдения теперь являются ключевым доказательством существования темной материи. В честь этой важной и исторической части детективной работы по установлению существования темной материи революционный Большой синоптический обзорный телескоп недавно получил имя Обсерватория Веры С. Рубин.
Пионер темной материи Вера Рубин (1928-2016). Это изображение, сделанное в обсерватории Лоуэлла, датируется 1965 годом. Изображение предоставлено Институтом Карнеги/NPR.
Нужна ли темная материя?
Некоторые астрономы пытались вообще отрицать необходимость существования темной материи. Они постулируют то, что называется модифицированной ньютоновской динамикой (МОНД).
Идея, стоящая за этим, заключается в том, что гравитация ведет себя иначе на больших расстояниях, чем локально. Это различие в поведении могло бы объяснить такие явления, как кривые вращения галактик, которые мы приписываем темной материи.
У МОНД есть сторонники, и он может объяснить кривую вращения отдельной галактики. Но текущие версии MOND просто не могут объяснить поведение и движение материи в больших структурах, таких как скопления галактик. В своем нынешнем виде он не может полностью объяснить существование темной материи. Другими словами, гравитация ведет себя одинаково на всех масштабах расстояния. С другой стороны, большинство версий MOND имеют две версии гравитации, причем более слабая из них возникает в областях с низкой массовой концентрацией, например, на окраинах галактик. Однако не исключено, что какая-то новая версия MOND в будущем может объяснить темную материю.
Некоторые астрономы считают, что в ближайшем будущем мы установим природу темной материи.
Но пока поиски оказались безрезультатными. Мы знаем, что Вселенная часто преподносит нам сюрпризы, так что ничего нельзя принимать как должное.
Подход, которого придерживаются астрономы, состоит в том, чтобы исключить те частицы, которые не могут быть темной материей, в надежде, что мы останемся с той, которая есть .
Правильный ли это подход? Время покажет.
Подробнее:
Что такое суперсимметрия? из How Stuff Works
Miraculous WIMPs из журнала Symmetry Magazine
Модифицированная ньютоновская динамика из Physics World
Вера Рубин и темная материя из Американского музея естественной истории
Итог: темная материя составляет около 27% Вселенной согласно астрономическим теориям. Существующие инструменты астрономов не могут его увидеть или обнаружить. Однако его гравитационное притяжение к обычному веществу позволяет астрономам измерить его.
Энди Бриггс
Просмотр статей
Об авторе:
Энди Бриггс провел последние 30 лет, знакомя людей с астрономией, астрофизикой и информационными технологиями.