Вы увидите, что большая часть нашего мира по-прежнему представлена некомпетентным материалом. Посмотрите это видео, и вы узнаете больше о темной материи.
Существует ли темная материя и зачем она нам нужна
Темная материя — самая загадочная тема в современной астрофизике. Астрофизик, журналист и автор научно-популярного блога Яндекса. Александр Дилементьев объясняет, что это такое и почему он его изучает.
По оценкам международной группы ученых, темная материя составляет 80% материала Вселенной. Другими словами, Вселенная состоит из неизвестной материи. И открытие этого феномена сулит человечеству огромные перспективы. Возможно, даже больше, чем изобретение электричества.
Термин «темная материя» был впервые использован 99 лет назад голландским астрономом Якобусом Каптейном. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя — это разновидность потенциальной материи. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях, как «обычная» материя, о которой мы знаем. Поэтому его невозможно обнаружить.
Так откуда мы знаем, что темная материя существует?
Темная материя появляется в гравитационных взаимодействиях. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает общую массу ее звезд.
В самых простых терминах, масса Вселенной, и в частности масса галактик, по своей природе больше единицы. Сложение масс всего обнаруживаемого материала (звезд, роев, туманностей, черных дыр и т.д.) недостаточно, чтобы объяснить, откуда берется эта гравитация. Чтобы это произошло, масса должна быть большой. Эта «дополнительная» масса приписывается темной материи.
Без темной материи не было бы достаточной массы для образования звезд. Без него материя была бы «рассеяна» по Вселенной. Темная материя обеспечивает необходимую массу для образования звезд.
Примерное распределение материи в средней эллиптической галактике выглядит следующим образом
- 15% массы приходится на горячий газ;
- 5% — на светящуюся видимую материю;
- оставшиеся 80% приходятся на темную материю.
Каковы доказательства, что темная материя существует
Гипотеза о темной материи зародилась в теоретической физике. Экспериментальная физика пока не смогла обнаружить его в какой-либо форме. Однако существуют убедительные экспериментальные доказательства существования «дополнительной» массы.
Звезды и галактики движутся со скоростями, сильно отличающимися от нашей первоначальной скорости, если предположить, что нет темной материи.
Галактики имеют очень горячий газ. Без дополнительной массы галактика не сможет ее удержать.
Гравитационное линзирование. Свет, исходящий от удаленных объектов, деформирован гораздо сильнее, чем должен быть.
Почему открытие темной материи важно для человечества
Темная материя уже давно является локальной проблемой для отдельных наук. Узнайте о его свойствах, и вы лучше поймете, как устроен наш мир, и, возможно, получите доступ к новым видам дешевой энергии и инновационным материалам.
В 1888 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн (обратите внимание на красивое число — 1888!). За этим последовал целый шквал открытий. Ученые узнали, как функционируют отдельные люди, обнаружили, что существуют галактики, и начали использовать новые формы энергии, ранее недоступные человечеству. И наша жизнь кардинально изменилась!
Мы находимся в 21-м году 21-го века (красивое число, не меньше). А новым открытием сопоставимого масштаба может стать природа темной материи.
Даже если выяснится, что ее не существует и что это нелепое событие, это приведет к революции в современной физике. Такое уже случалось в нашей истории. Более того, открытие электромагнитных волн отправило в небытие концепцию «эфира», в котором, как предполагалось, движутся все светские объекты. Эфира не существует, но важно было доказать, что это дальнейшее продвижение в физике.
Что же представляет собой темная материя. 4 гипотезы
Предположений о том, что такое темная материя в современной физике множество. В целом, однако, все можно ограничить четырьмя типами.
Что даст человечеству открытие темной материи
В таблице Менделеева мы знаем 118 природных элементов. Это только 20% проблемы. Можете ли вы представить, какие тайны могут быть скрыты в оставшихся 80%?
Новые материалы и технологии. Древние греки знали об электричестве, но оно было для них чем-то вроде фокуса. В конце концов, забавно, как бумага притягивает расческу за расческой!
Когда журналист спросил Максвелла, зачем ему нужны уравнения в его области, ученый поднял плечи. Он просто объяснил взаимодействие природы. А сейчас жизнь немыслима без электричества.
Но только поняв природу электричества, человечество добилось больших успехов. Греки даже не подозревали, что такая технология возможна!
Когда Теодор Меман представил свой первый лазер в 1960 году, он не знал, как и зачем его можно использовать. И сейчас он активно используется в медицине, химии и навигации.
Понимание темной материи теоретически может обеспечить доступ к энергии гораздо эффективнее, чем электричество.
Освоение космоса. Будущее человечества неизбежно связано с расширением космического пространства.
Земля не так безопасна, как кажется. Человечество развивалось в период относительного мира. Однако в биологической истории планеты было пять крупных потерь массы DISAPPEAR и еще 20 более мелких. И простое освоение других планет (с экономической точки зрения, дифференциация жизни) увеличивает шансы на выживание.
Но как вы можете исследовать космос и двигаться в межзвездном пространстве, если вы не знаете, что ищут 80% его материальных счетов?
Мировоззрение. Помимо минут, есть и философские преимущества. Мы серьезно проясняем ответ на вопрос о том, как устроена наша Вселенная. И почему она расширяется с ускоряющейся скоростью.
В 19 и 20 веках произошел бум в философии. Были созданы мировоззренческие концепции, которые помогли человечеству определить свои цели и установить моральные границы. Сейчас философия застопорилась. Поиск смысла жизни в накоплении и потреблении очень примитивен. Религиозное и идеалистическое мировоззрение переживает очевидный кризис.
Человечество не может развиваться бессмысленно. Это важная характеристика нас как вида. По словам Юваля Ноя Харари, автора книги «Sapiens. краткая история человечества», единственное отличие людей от других животных в том, что мы можем сосредоточиться на идее и работать вместе над ее созданием.
Предстоит сделать новые замечательные научные открытия, чтобы человечество смогло обрести новый смысл жизни в мире. Иначе как мы сможем двигаться дальше?
Все, что мы видим вокруг себя — от растений до планет, от камней до звезд, от людей до галактического роя Персея — состоит из материи. Но все это составляет лишь 15% от общего количества материи во Вселенной. Подавляющее большинство — остальные 85% — не поддаются исчислению, и мы называем их темной материей.
Что такое темная материя?
Это виртуальная форма материи, которая не участвует в электромагнитных взаимодействиях и не поддается непосредственному наблюдению. Она составляет четверть массы энергии во Вселенной и проявляется только в гравитационных взаимодействиях.
Звезды производят 100% света, видимого во Вселенной, но только 2% ее массы. Движение галактик, кроссов и связанных с ними галактик показывает, что количество гравитационной массы превышает массу звезд в 50 раз. Можно предположить, что эта разница объясняется другими типами обычной материи.
- Видимое вещество — 5%.
- Нейтрино — 0,3–3%.
- Барионная темная материя — 4–5%.
- Небарионная темная материя — 20–25%.
- Темная энергия — 70–75%.
Но даже если вы сложите все эти компоненты вместе, у вас все равно останется только 15-17% от общего количества материи, необходимого для объяснения гравитации. Остальное движение, которое мы видим, требует формы материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной из известных частиц стандартного образца. Необходима какая-то форма темной материи.
Состав и свойства темной материи в настоящее время неизвестны. В контексте обычных космологических моделей наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятными кандидатами в частицы темной материи являются цветочки. Несмотря на активные поиски, их пока не удалось обнаружить экспериментально.
Зачем нам нужна темная материя?
Темная материя необходима не только для объяснения астрофизических явлений, таких как вращение галактик, движение стержней и конкуренция, но и для объяснения происхождения самой жизни.
Чтобы объяснить почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась в теплом, плотном состоянии, в результате большого взрыва, когда все представляло собой почти однородное море отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легкие ядра (водород, солнечное, второе, небольшое литиевое), но больше ничего. Через миллионы или сотни миллионов лет этот материал разрушился в областях, достаточно плотных для образования звезд и галактик.
Все это происходило бы несколько иначе, с темной материей или без нее. Однако он должен был расплавиться в ядрах более крупных звезд в космосе, чтобы увеличить обилие элементов, необходимых для жизни — углерода, кислорода, азота, фосфора и серы. Чтобы сформировать твердые планеты, органические молекулы и жизнь, эти массы сначала должны быть запущены в межзвездную среду. Там звезды станут следующим поколением звезд. Для этого требуется взрыв сверхновой.
Насколько сегодня ученые уверены, что темная материя действительно существует?
Основным доказательством является наблюдение за вариациями электромагнитного излучения, то есть результаты, полученные космическими аппаратами WMAP и Planck за последние 15 лет.
Они точно измерили космический микроволновый фон, т.е. температурные возмущения в остаточном излучении. Эти ухудшения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизированный водород был преобразован в нейтральные атомы.
Эти измерения показывают наличие очень малых, примерно 1 миллиметр Кельвина, флуктуаций. Однако когда они начали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили существенные различия, которые можно объяснить чем-то другим, нежели присутствием темной материи. Благодаря этому они смогли точно рассчитать долю темной обычной материи во Вселенной.
В дополнение к космологической информации, измерения гравитационного поля с помощью линз подтверждают его существование. Как насчет этого. Лучи света изгибаются под воздействием роевого поля. Другими словами, гравитационное поле действует как линза. Можно наблюдать множество изображений таких далеких галактик.
Темная история вселенной
Считается, что темная материя ответственна за крупномасштабную структуру Вселенной, наблюдаемую сегодня.
Как и обычная материя, темная материя, как считается, была создана во время крупных взрывов — или, как предполагает одна из теорий, еще до этого, во время космологической инфляции. В любом случае, структура, которую мы видим во Вселенной сегодня, была бы совсем другой без темной материи.
На заре существования Вселенной все было относительно гладко. Сегодня мы можем наблюдать это на фоне космического микроволнового излучения. Это излучение, образующееся примерно через 400 000 лет после большого взрыва. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково.
Но в наше время Вселенная не является гладкой — она очень необычна. Это то, что мы видим как галактики, рои, сверхновые и другие массивные структуры, и между ними всегда есть относительно пустое пространство. Например, прямо рядом с нашей галактикой находится «местный разрыв». Это непонятная нам область небытия, простирающаяся на сотни миллионов световых лет.
Как же Вселенная эволюционировала от очень гладкого роя к аномальному рою? Это влияние темной материи.
Даже в первые дни космического спокойствия некоторые регионы имели несколько более мрачные проблемы, чем другие. Эта дополнительная масса означала увеличение веса, поэтому эти более плотные области притягивались к обычной материи, которая притягивала все больше и больше. В конце концов, тепло и давление воспламенили эти материалы в виде звезд, создав планетарные системы, галактики и рои, которые мы видим сегодня.
Тот факт, что Вселенная устроена так, как она устроена, является еще одним доказательством существования темной материи. Так что мы знаем, что он существует. Но что это такое? И как ученые ищут его?
Охота за темной материей
Абракадабра экспериментов не обнаруживает признаков массы от 0,31 до 8,3 наноэлектровольт
Искать невидимое нелегко, и оно редко взаимодействует с обычной материей. Поэтому ученые начинают с теории о том, что такое темная материя, и разрабатывают и проводят эксперименты для проверки всех случаев. Проблема в том, что темная материя может делать все, что угодно.
Частица темной материи может быть одной из самых легких во Вселенной, иметь массу планеты Нан или находиться где угодно в центре. Темная материя может быть «теплой» или «холодной», что не имеет никакого отношения к температуре, но объясняет скорость ее движения. Он может существовать в стимулирующих ситуациях или быть малоэнергичным.
Теоретики очень искусны в том, чтобы в конце концов прийти к предположениям о том, что представляет собой темная материя, и большинство из них являются очень разумными предположениями. Раймонд Волкас, профессор теоретической физики частиц в Университете Мельбурна, заявляет.
Может ли ЦЕРН создать темную материю?
3D-изображение большого ускорителя Адлона.
Различные типы экспериментов ищут различные теоретические частицы темной материи. Возможно, самый известный эксперимент проводится на Большом адлоновском коллайдере (БАК). Там ученые ищут темную материю, чтобы создать ее.
На БАК протоны сталкиваются с очень высокой энергией, в результате чего образуется поток других частиц. Иногда это экзотические частицы, к которым ученые обычно не имеют доступа, и темная материя, как ожидается, будет одной из них.
Опять же, если темная материя образуется в одном из этих конфликтов, ее невозможно сразу же обнаружить — наоборот, они будут просто висеть за пределами туннеля, не взаимодействуя с детектором. Однако это необнаружение — именно то, что ищут ученые.
В физике закон энергии и импульса гласит, что в изолированной системе ни энергия, ни импульс не могут быть созданы или уничтожены. Они могут менять форму, но сумма остается неизменной. Поэтому ученые могут вычислить количество энергии и импульса, которое ушло в энергию и импульс до столкновения протонов, и измерить его количество после. Если чего-то не хватает, это говорит о том, что что-то вроде темной материи ускользнуло и забрало эту энергию и импульс.
За годы работы БАК провел четыре миллиона таких столкновений и до сих пор не обнаружил никакой подозрительной темной материи. Однако это помогает ограничить широкий диапазон возможностей, чтобы будущие поиски были более целенаправленными.
Возможно, ответ, наконец, появится после завершения модернизации БАК в 2026 году.
