Mis on must aine? tumeaine teooria

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-12 06:22

Kumb oli enne: muna või kana? Teadlased üle kogu maailma on selle lihtsa küsimusega maadelnud aastakümneid. Sarnane küsimus tekib selle kohta, mis oli Universumi loomise alguses, hetkel. Kuid kas see oli see looming või on universumid tsüklilised või lõpmatud? Mis on must aine ruumis ja kuidas see erineb valgest ainest? Jättes kõrvale mitmesugused religioonid, proovime nendele küsimustele vastata teaduslikust vaatenurgast. Viimase paari aasta jooksul on teadlased suutnud teha mõeldamatut. Tõenäoliselt esimest korda ajaloos ühtisid teoreetiliste füüsikute arvutused eksperimentaalfüüsikute arvutustega. Aastate jooksul on teadusringkondadele esitatud mitmeid erinevaid teooriaid. Enam-vähem täpselt, empiirilistel viisidel, mõnikord ka kvaasiteaduslikult, kuid teoreetilisi arvutatud andmeid kinnitasid siiski katsed, mõned isegi enam kui tosinaaastase viivitusega (näiteks Higgsi boson).

Tumeaine – must energia

Selliseid teooriaid on palju, näiteks: String Theory, Big Bang Theory, Cyclic Universe Theory, Parallel Universe Theory, Modified Newtonian Dynamics (MOND), F. Hoyle ja teised. Praegu peetakse aga üldtunnustatud teooriat pidev alt paisuvast ja arenevast Universumist, mille teesid sobivad hästi Suure Paugu kontseptsiooni raamidesse. Samal ajal saadi kvaasiempiiriliselt (st empiiriliselt, kuid suurte tolerantsidega ja olemasolevatele kaasaegsetele mikrokosmose ehituse teooriatele tuginedes) andmed, et kõik meile teadaolevad mikroosakesed moodustavad vaid 4,02% kogu mikrokosmose mahust. kogu universumi koostis. See on nn "barüoni kokteil" või barüoonne aine. Suurem osa meie universumist (üle 95%) on aga erineva plaani, erineva koostise ja omadustega ained. See on nn must aine ja must energia. Nad käituvad erinev alt: reageerivad erinevat tüüpi reaktsioonidele erinev alt, ei ole olemasolevate tehniliste vahenditega fikseeritud ja neil on varem uurimata omadused. Sellest võime järeldada, et kas need ained järgivad teisi füüsikaseadusi (mitte-Newtoni füüsika, mitteeukleidilise geomeetria sõnaline analoog) või on meie teaduse ja tehnika arengutase alles kujunemise algfaasis.

Mis on barüonid?

Praeguse tugeva interaktsiooni kvark-gluonmudeli järgi on elementaarosakesi ainult kuusteist (ja hiljutine Higgsi bosoni avastus kinnitab seda): kuut tüüpi (maitset) kvarke, kaheksa gluooni ja kaks bosonit. Barüonid on tugeva vastasmõjuga rasked elementaarosakesed. Tuntuimad neist on kvargid, prootonid ja neutronid. Selliste ainete perekonnad, mis erinevadspin, massid, nende "värvus", aga ka "lummuse", "veidruse" arvud on täpselt selle, mida me nimetame barüoonseks aineks, ehituskivid. Must (tume)aine, mis moodustab 21,8% Universumi kogukoostisest, koosneb teistest osakestest, mis ei kiirga elektromagnetkiirgust ega reageeri sellega kuidagi. Seetõttu on vähem alt vahetuks vaatlemiseks ja veelgi enam selliste ainete registreerimiseks vaja esm alt mõista nende füüsikat ja kokku leppida seadustes, millele nad alluvad. Paljud kaasaegsed teadlased teevad seda praegu uurimisinstituutides üle maailma.

Kõige tõenäolisem variant

Milliseid aineid peetakse võimalikeks? Alustuseks tuleb märkida, et võimalikke valikuid on ainult kaks. GR ja SRT (General and Special Relativity) järgi võib see aine koostiselt olla nii barüoonne kui ka mittebarüonne tumeaine (must). Suure Paugu peamise teooria kohaselt on igasugune olemasolev aine esindatud barüonidena. See väitekiri on tõestatud ülim alt suure täpsusega. Praegu on teadlased õppinud tabama osakesi, mis tekkisid minut pärast singulaarsuse purunemist, st pärast ülitiheda aine oleku plahvatust, mille kehamass kipub lõpmatusse ja keha mõõtmed kipuvad nulli. Barüonosakestega stsenaarium on kõige tõenäolisem, kuna just nendest koosneb meie universum ja nende kaudu jätkub oma paisumine. must aine,selle eelduse kohaselt koosneb see Newtoni füüsika poolt üldtunnustatud, kuid miskipärast nõrg alt elektromagnetilisel teel interakteeruvatest põhiosakestest. Seetõttu detektorid neid ei tuvasta.

See ei lähe nii libed alt

See stsenaarium sobib paljudele teadlastele, kuid küsimusi on siiski rohkem kui vastuseid. Kui nii musta kui valget ainet esindavad ainult barüonid, siis kergete barüonide kontsentratsioon protsendina rasketest peaks primaarse nukleosünteesi tulemusena olema Universumi algsetes astronoomilistes objektides erinev. Ja eksperimentaalselt ei ole leitud, et meie galaktikas on piisaval hulgal suuri gravitatsiooniobjekte, nagu mustad augud või neutronitähed, et tasakaalustada meie Linnutee halo massi. Tõenäoliselt on samad neutrontähed, tumedad galaktilised halod, mustad augud, valged, mustad ja pruunid kääbused (tähed nende elutsükli eri etappides) aga tõenäoliselt osa tumeainest, millest tumeaine koosneb. Must energia võib täiendada ka nende täitmist, sealhulgas ennustatud hüpoteetilisi objekte, nagu preoon, kvark ja Q-tähed.

Mittebarüoonilised kandidaadid

Teine stsenaarium viitab mittebarüoonilisele päritolule. Siin võivad kandidaatidena toimida mitut tüüpi osakesed. Näiteks kerged neutriinod, mille olemasolu on teadlased juba tõestanud. Nende mass aga suurusjärgus üks sajandik kuni ükskümnetuhandik eV (elektron-volt), välistab need praktiliselt võimalike osakeste hulgast vajaliku kriitilise tiheduse saavutamatuse tõttu. Kuid rasked neutriinod, mis on paaris raskete leptonitega, ei avaldu normaalsetes tingimustes praktiliselt nõrga interaktsioonina. Selliseid neutriinosid nimetatakse steriilseteks; nende maksimaalse massiga kuni kümnendik eV on need tõenäolisem alt tumeaine osakeste kandidaadid. Füüsikalistesse võrranditesse on kunstlikult sisse viidud aksioonid ja kosmioonid, et lahendada kvantkromodünaamika ja standardmudeli probleeme. Koos teise stabiilse supersümmeetrilise osakesega (SUSY-LSP) võivad nad kvalifitseeruda kandidaatideks, kuna nad ei osale elektromagnetilistes ja tugevates interaktsioonides. Erinev alt neutriinodest on need siiski hüpoteetilised, nende olemasolu vajab veel tõestamist.

Musta aine teooria

Massi puudumine universumis põhjustab selle skoori kohta erinevaid teooriaid, millest mõned on üsna järjekindlad. Näiteks teooria, et tavaline gravitatsioon ei suuda seletada tähtede kummalist ja üüratult kiiret pöörlemist spiraalgalaktikates. Selliste kiiruste juures lendaks nad se alt lihts alt välja, kui mitte mingisugune kinnipidamine, mida pole veel võimalik registreerida. Teised teooriate teesid selgitavad WIMP-de (massiivsed elektroonõrg alt interakteeruvad osakesed-elementaarosakeste partnerid, supersümmeetrilised ja ülirasked – ehk ideaalsed kandidaadid) saamise võimatust maapealsetes tingimustes, kuna need elavad n-mõõtmes, mis erineb meie kolmest. mõõtmetega üks. Kaluza-Kleini teooria kohaselt pole sellised mõõtmised meile kättesaadavad.

Vahetuvad tähed

Teine teooria kirjeldab, kuidas muutlikud tähed ja must aine omavahel suhtlevad. Sellise tähe heledus võib muutuda mitte ainult sees toimuvate metafüüsiliste protsesside tõttu (pulsatsioon, kromosfääri aktiivsus, silmapaistvuse väljutamine, spilloverid ja varjutused kaksiktähesüsteemides, supernoova plahvatus), vaid ka tumeaine anomaalsete omaduste tõttu.

WARP-draiv

Ühe teooria kohaselt saab tumeainet kasutada hüpoteetilise WARP-tehnoloogia (WARP Engine) alusel töötavate kosmoselaevade allruumimootorite kütusena. Potentsiaalselt võimaldavad sellised mootorid laeval liikuda valguse kiirust ületava kiirusega. Teoreetiliselt suudavad nad ruumi laeva ees ja taga painutada ja selles liigutada isegi kiiremini, kui elektromagnetlaine vaakumis kiirendab. Laev ise lokaalselt ei kiirenda – paindub vaid tema ees olev ruumiväli. Seda tehnoloogiat kasutavad paljud fantaasialood, näiteks Star Treki saaga.

Kasv maismaa tingimustes

Katsed maa peal musta ainet genereerida ja hankida pole veel olnud edukad. Praegu tehakse katseid LHC-s (Large Andron Collider), täpselt seal, kus Higgsi boson esmakordselt registreeriti, aga ka teistes vähem võimsates, sealhulgas lineaarpõrgetites.stabiilsed, kuid elektromagnetiliselt nõrg alt interakteeruvad elementaarosakeste partnerid. Siiski pole veel saadud ei photinot, gravitino, higsino ega sneutrino (neutralino) ega ka muid WIMP-sid. Teadlaste esialgse ettevaatliku hinnangu kohaselt on ühe milligrammi tumeaine saamiseks maapealsetes tingimustes vaja Ameerika Ühendriikides aasta jooksul tarbitud energia ekvivalenti.