Темна матерія

Размещено на http://www.allbest.ru

Темна матерія

Робота виконана ученицею 10 класу, Софією Антків

1. Поняття темної матерії. Вивчення темної матерії. Класифікація та відомості про темну матерію і енергію

ТЕМНА МАТЕРІЯ - це один із компонентів Всесвіту, існування якого виявлено лише за гравітаційним впливом на видиму матерію і на фонове випромінювання, оскільки вона не випромінює і не розсіює електромагнітне випромінювання, а також не бере участі у ядерній взаємодії.

У 30-х роках ХХ ст. швейцарець Ф. Цвіккі спостерігав за одним з найбільших галактичних скупчень в сузір'ї Волосся Вероніки і з його спостережень з'ясувалося, що видима маса скупчення набагато менше існуючої. Ці дані підтвердилися через 40 років Вірою Рубін та стало зрозуміло, що певна темна, невідома ще нам матерія і енергія наповнюють основну масу всього галактичного простору. Тим не менше, темну матерію називають темною не тому, що вона чорного кольору, а тому що вона уособлює собою “темну конячку” в прямому сенсі цього слова: сьогодні ніхто з впевненістю не може сказати, що це таке.

Наявність темної матерії почали припускати виходячи з цих спостережень:

1) Швидкість обертання галактик не зменшується від центру до країв. Зменшення швидкості повинно відбуватися, якщо галактична маса відповідає видимій;

2) Дослідження супутників галактик і кульових скупчень показували, що вся маса галактики більше загальної маси її зірок і інших складових;

3)Подвійні галактичні системи і скупчення володіли більшою часткою темної матерії;

4) В еліптичних галактиках зоряної маси не вистачить, щоб утримувати гарячий газ;

З усіх спостережень було виявлено певні властивості таємничої речовини: вона може взаємодіяти із звичайною речовиною. Темна матерія в кілька разів щільніше баріонів, і захоплює його частки за допомогою гравітаційних ям. Внаслідок цього і відбувається світіння.

Навколо нашого світила, на відстанях до 13 тис. св. років, великих обсягів темної матерії не виявлено, хоча, за розрахунками, концентрація її повинна бути близько 0,5 кг на обсяг Землі.

Обсерваторія «Планк» в 2013 році опублікувала дані про склад спостережуваному Всесвіті. Звичайна (баріонна) матерія складає 4,9%, темна - 26,8%, а темна енергія - 68,3%. З цього очевидно, що темна матерія і темна енергія - основа нашого Всесвіту.

Щоб зрозуміти як вчені прийшли до ідеї темної матерії та яку роль вона виконує, давайте уявимо, що галактика - це гігантська карусель, на якій катаються зірки. Щоб не впасти, зірка повинна міцно триматися, інакше вона полетить в космос. В цей процес і підключається гравітація. Але проблема в тому, що сили гравітації від зірок, які ми спостерігаємо, недостатньо для того щоб скріпити цілі галактики. Якщо міркувати логічно, зорі повинні розлітатися з каруселі! Але вони не розлітаються, їх наче тримає якась невидима мотузка. Фізики вважають, що цією мотузкою служить гравітація від чогось невидимого - звідси і назва “темна матерія”.

темний матерія скупчення галактик

Що входить в темну матерію

Цілком логічним є припущення, що темна матерія по суті є звичайною матерією, але погано взаємодіє електромагнітним чином, тому і виявити її не вдається. Склад цієї речовини може бути таким: зірки-карлики, темні гало, нейтронні зірки, чорні діри. Можлива присутність зірок кваркових і преонів, але вони мають статус об'єктів гіпотетичних. Такий варіант пояснення темної матерії випливає з космології Великого вибуху. Виходячи з цієї теорії з'ясовується, що концентрація легких елементів повинна бути різко відмінною від спостережуваної.

Видимий нами матеріал називають баріонною матерією. Вона представлена протонами, нейтронами і електронами. Небаріонна матерія може включати в себе такі елементи теоретичних моделей: легкі та важкі нейтрино, аксіони, косміони, суперсиметричні частинки тощо. Існує думка, що темна матерія може поєднувати в собі баріонну і небаріонну матерію. Але вчені все ж таки схиляються до думки, що до складу темної матерії входять частинки саме небаріонної матерії, адже якби темна матерія реагувала з баріонами, то ми могли б її безпосередньо спостерігати. Класифікувати темну матерію можливо за температурою, при якій взаємодія з баріонними речовинами припинилася на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Згідно з цим, виділяють гарячу, теплу та холодну темну матерію. Щоб Всесвіт залишався в звичній цілісності, темна матерія має бути присутня в кількості не менше 80%.

Класифікація

Початкові стадії розвитку Всесвіту характерні термодинамічною рівновагою між частинками темної матерії і космічної плазми. У якийсь момент почалося зниження температури, через що змінилися параметри прольоту частинок в плазмі. Всі взаємодії з баріонів частинками припинилися. Виходячи зі значень температури, при яких це сталося, темна матерія розділяється на три типи:

1) Гаряча.

Такий параметр темної матерії спирається на багаторазове перевищення енергії частинок над їх масою, що сталося в точці виходу з рівноваги.

2) Холодна.

Це частки, що вилетіли з плазми в нерелятивістському стані, тобто, не мають близькосвітлових швидкостей. На роль таких частинок претендує клас вімпів - це масивні, але слабо взаємодіючі частинки.

Вони мають пристойну масу - більше десятків ГеВ (електровольт) - і залишкову концентрацію, яка здатна збалансувати енергі в сучасному Всесвіті. Сила їх взаємодії з баріонним речовиною дозволяє сподіватися на виявлення їх в прямому вигляді. З теоретичних розробок слід, що темна матерія в будь-який галактиці повинна особливо концентруватися в її центрі. Але астрономічні спостереження спростовують це, показуючи, що вона збирається в гало навколо галактик і наповнює міжгалактичні порожнечі.

3) Тепла.

Такий тип матерії складають частинки, що мають масу, яка не менше 1 еВ. На виході з рівноважного стану такі частинки були релятивістськіми. Вони могли утворитися під час переходу з однієї стадії розширення Всесвіту в іншу. Можливими кандидатами на роль такого типу матерії стали нейтрино і LSP-гравітіно.

Фактичне виявлення частинок:

Всі частинки темної матерії не мають електричного заряду. Це є головною скрадністю в їх пошуку, існуючому в двох варіантах:

1) Прямий. Використовуючи наземну апаратуру, проводяться вивчення наслідків, що випливають із взаємодії темних частинок з електронами і ядрами атомів.

2) Непрямий. Відшукуються можливі потоки вторинних частинок, що виникли в результаті різних дій, наприклад анігіляції матерії.

Ще ні разу вчені не змогли в буквальному сенсі побачити темну матерію, тому що вона не контактує з баріонами, а значить, залишається невловимою для світла та інших різновидів електромагнітного випромінювання. Але дослідники впевнені в її присутності, так як спостерігають за її впливом на галактики та скупчення. Темна матерія бере на себе більше 80% невидимої матерії від усієї її кількості у Всесвіті. Проблема в тому, що вона слабко взаємодіє з реальним світом, тільки на рівні гравітації, тому зловити, зафіксувати або створити її неможливо на даний момент.

У будь-якому разі спостереження вчених за нашим космічним світом, дозволяють зробити висновок, що більша частина його нам невідома. 95% всього наповнення Всесвіту - цікава загадка, яку нам тільки належить вирішити у майбутньому.

Размещено на Allbest.ru