Çfarë ka ndodhur materia e errët dhe energjia e errët Universi: struktura e hapësirës me foto, vëllimi në përqindje, ndikimi në objekte, hulumtimi, zgjerimi i universit.
Rreth 80% e hapësirës përfaqësohet nga materiali që fshihet nga vëzhgimi i drejtpërdrejtë. Bëhet fjalë për materie e errët– një substancë që nuk prodhon energji ose dritë. Si e kuptuan studiuesit se ishte dominuese?
Në vitet 1950, shkencëtarët filluan të studiojnë në mënyrë aktive galaktika të tjera. Gjatë analizave, ata vunë re se Universi është i mbushur me më shumë materiale sesa mund të kapet nga "syri i dukshëm". Përkrahësit e materies së errët shfaqeshin çdo ditë. Edhe pse nuk kishte prova të drejtpërdrejta të ekzistencës së saj, teoritë u rritën, ashtu si edhe zgjidhjet për vëzhgim.
Materiali që shohim quhet lëndë barionike. Ai përfaqësohet nga protone, neutrone dhe elektrone. Besohet se materia e errët është e aftë të kombinojë lëndën barionike dhe jo-barionike. Që Universi të mbetet në integritetin e tij të zakonshëm, materia e errët duhet të jetë e pranishme në një sasi prej 80%.
Substanca e pakapshme mund të jetë tepër e vështirë për t'u gjetur nëse përmban lëndë barionike. Ndër kandidatët janë xhuxhët kafe dhe të bardhë, si dhe yjet neutron. Vrimat e zeza supermasive gjithashtu mund të shtojnë ndryshimin. Por ata duhet të kenë kontribuar më shumë ndikim sesa çfarë panë shkencëtarët. Ka edhe nga ata që mendojnë se materia e errët duhet të përbëhet nga diçka më e pazakontë dhe e rrallë.
Imazhi i përbërë nga teleskopi Hubble që tregon një unazë fantazmë të materies së errët në grumbullimin e galaktikave Cl 0024+17
Shumica e botës shkencore beson se substanca e panjohur përfaqësohet kryesisht nga lënda jo-barionike. Kandidati më popullor është WIMPS (grimcat masive me ndërveprim të dobët), masa e të cilit është 10-100 herë më e madhe se ajo e një protoni. Por ndërveprimi i tyre me materien e zakonshme është shumë i dobët, duke e bërë më të vështirë gjetjen e tij.
Neutrinot, grimcat hipotetike masive që kanë masë më të madhe se neutrinot, por që karakterizohen nga ngadalësia e tyre, tani po shqyrtohen me shumë kujdes. Nuk janë gjetur ende. Një aksiomë më e vogël neutrale dhe fotone të pacenuar konsiderohen gjithashtu si opsione të mundshme.
Një mundësi tjetër është që njohuritë për gravitetin janë të vjetruara dhe duhet të përditësohen.
Materie e errët e padukshme dhe energji e errët
Por nëse nuk shohim diçka, si mund të vërtetojmë se ekziston? Dhe pse vendosëm që materia e errët dhe energjia e errët janë diçka reale?
Masa e objekteve të mëdha llogaritet nga lëvizja e tyre hapësinore. Në vitet 1950, studiuesit që shikonin galaktikat spirale supozuan se materiali afër qendrës do të lëvizte shumë më shpejt sesa materiali më larg. Por doli se yjet po lëviznin me të njëjtën shpejtësi, që do të thoshte se kishte shumë më tepër masë sesa mendohej më parë. Gazi i studiuar në llojet eliptike tregoi të njëjtat rezultate. I njëjti përfundim sugjeroi vetë: nëse do të udhëhiqeshim vetëm nga masa e dukshme, atëherë grupimet e galaktikave do të ishin shembur shumë kohë më parë.
Albert Einstein ishte në gjendje të provonte se objektet e mëdha universale janë të afta të përkulin dhe shtrembërojnë rrezet e dritës. Kjo i lejoi ato të përdoren si një lente zmadhuese natyrale. Duke studiuar këtë proces, shkencëtarët ishin në gjendje të krijonin një hartë të materies së errët.
Rezulton se pjesa më e madhe e botës sonë përfaqësohet nga një substancë ende e pakapshme. Do të mësoni më shumë gjëra interesante për lëndën e errët nëse shikoni videon.
Materie e errët
Fizikani Dmitry Kazakov në lidhje me bilancin e përgjithshëm të energjisë së Universit, teorinë e masës së fshehur dhe grimcave të materies së errët:
Nëse flasim për materien, atëherë materia e errët sigurisht që kryeson në përqindje. Por në përgjithësi ajo merr vetëm një të katërtën e gjithçkaje. Universi është me bollëk energji e errët.
Që nga Big Bengu, hapësira ka filluar një proces zgjerimi që vazhdon edhe sot. Studiuesit besonin se përfundimisht energjia fillestare do të mbaronte dhe do të ngadalësohej. Por supernovat e largëta demonstrojnë se hapësira nuk ndalet, por rrit shpejtësinë. E gjithë kjo është e mundur vetëm nëse sasia e energjisë është aq e madhe sa të kapërcejë ndikimin gravitacional.
Materia e errët dhe energjia e errët: shpjegohet një mister
Ne e dimë se Universi është kryesisht energji e errët. Kjo është një forcë misterioze që bën që hapësira të rrisë shkallën e zgjerimit të Universit. Një komponent tjetër misterioz është materia e errët, e cila mban kontaktin me objektet vetëm nëpërmjet gravitetit.
Shkencëtarët nuk mund ta shohin lëndën e errët përmes vëzhgimit të drejtpërdrejtë, por efektet mund të studiohen. Ata arrijnë të kapin dritën që përkulet nga forca gravitacionale e objekteve të padukshme (thjerrëza gravitacionale). Ata gjithashtu vërejnë momente kur ylli rrotullohet rreth galaktikës shumë më shpejt se sa duhet.
E gjithë kjo shpjegohet me praninë e një sasie të madhe të substancës së pakapshme që ndikon në masë dhe shpejtësi. Në fakt, kjo substancë është e mbuluar me mister. Rezulton se studiuesit mund të thonë më mirë jo atë që është para tyre, por çfarë "ajo" nuk është.
Ky kolazh tregon imazhet e gjashtë grupimeve të ndryshme galaktikash të marra nga teleskopi Hapësinor Hubble i NASA-s. Grupet u zbuluan gjatë përpjekjeve për të studiuar sjelljen e materies së errët në grupimet e galaktikave gjatë përplasjes së tyre
Materie e errët... e errët. Ai nuk prodhon dritë dhe nuk është i vëzhgueshëm në pamje të drejtpërdrejtë. Prandaj, ne përjashtojmë yjet dhe planetët.
Nuk vepron si një re e materies së zakonshme (grimca të tilla quhen barione). Nëse barionet do të ishin të pranishëm në lëndën e errët, ajo do të shfaqej në vëzhgim të drejtpërdrejtë.
Ne gjithashtu përjashtojmë vrimat e zeza, sepse ato veprojnë si lente gravitacionale që lëshojnë dritë. Shkencëtarët nuk vëzhgojnë mjaft ngjarje të thjerrëzave për të llogaritur sasinë e materies së errët që duhet të jetë e pranishme.
Megjithëse Universi është një vend i madh, gjithçka filloi me strukturat më të vogla. Besohet se materia e errët filloi të kondensohej për të krijuar "blloqe ndërtimi" me lëndë normale, duke prodhuar galaktikat dhe grupimet e para.
Për të gjetur lëndën e errët, shkencëtarët përdorin metoda të ndryshme:
- Përplasësi i madh i Hadronit.
- instrumente si WNAP dhe observatori hapësinor Planck.
- Eksperimente me pamje direkte: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP dhe ArDM.
- zbulimi indirekt: detektorë me rreze gama (Fermi), teleskopë neutrino (IceCube), detektorë antimateries (PAMELA), sensorë të rrezeve X dhe radio.
Metodat për kërkimin e lëndës së errët
Fizikani Anton Baushev mbi ndërveprimet e dobëta midis grimcave, radioaktivitetit dhe kërkimit të gjurmëve të asgjësimit:
Duke u thelluar në misterin e materies së errët dhe energjisë së errët
Shkencëtarët nuk kanë qenë kurrë në gjendje të shohin fjalë për fjalë lëndën e errët, sepse ajo nuk kontakton lëndën barionike, që do të thotë se mbetet e pakapshme ndaj dritës dhe llojeve të tjera të rrezatimit elektromagnetik. Por studiuesit janë të sigurt për praninë e tij teksa monitorojnë ndikimin në galaktika dhe grupime.
Fizika standarde thotë se yjet e vendosur në skajet e një galaktike spirale duhet të ngadalësohen. Por rezulton se shfaqen yje, shpejtësia e të cilëve nuk i bindet parimit të vendndodhjes në raport me qendrën. Kjo mund të shpjegohet vetëm me faktin se yjet ndjejnë ndikimin e materies së errët të padukshme në aureolën rreth galaktikës.
Prania e materies së errët gjithashtu mund të deshifrojë disa nga iluzionet e vërejtura në thellësitë e universit. Për shembull, prania e unazave të çuditshme dhe harqeve të dritës në galaktika. Kjo do të thotë, drita nga galaktikat e largëta kalon përmes shtrembërimit dhe përforcohet nga një shtresë e padukshme e materies së errët (thjerrëza gravitacionale).
Deri më tani kemi disa ide se çfarë është materia e errët. Ideja kryesore është grimcat ekzotike që nuk bien në kontakt me lëndën dhe dritën e zakonshme, por kanë fuqi në kuptimin gravitacional. Tani disa grupe (disa duke përdorur Large Hadron Collider) po punojnë në krijimin e grimcave të materies së errët për t'i studiuar në laborator.
Të tjerë mendojnë se ndikimi mund të shpjegohet nga një modifikim themelor i teorisë gravitacionale. Pastaj marrim disa forma të gravitetit, e cila ndryshon ndjeshëm nga fotografia e zakonshme dhe ligjet e vendosura nga fizika.
Universi në zgjerim dhe energjia e errët
Situata me energjinë e errët është edhe më konfuze dhe vetë zbulimi u bë i paparashikueshëm në vitet 1990. Fizikanët kanë menduar gjithmonë se forca e gravitetit punon për të ngadalësuar dhe një ditë mund të ndalojë procesin e zgjerimit universal. Dy skuadra morën detyrën për të matur shpejtësinë dhe të dyja, për habinë e tyre, zbuluan përshpejtimin. Është njësoj sikur të hedhësh një mollë në ajër dhe ta dish se me siguri do të bjerë, por ajo largohet gjithnjë e më shumë prej teje.
U bë e qartë se nxitimi ishte i ndikuar nga një forcë e caktuar. Për më tepër, duket se sa më i gjerë të jetë Universi, aq më shumë "fuqi" fiton kjo forcë. Shkencëtarët vendosën ta quajnë atë energji të errët.
Teoria e re thotë se materia e errët nuk ekziston më 26 nëntor 2016
Dhe pastaj del se mund të mos ekzistojë fare! Këto janë kohët!
Ne mund të jemi në prag të një revolucioni shkencor që do të ndryshojë rrënjësisht kuptimin tonë për hapësirën, kohën dhe gravitetin”, thotë fizikani Erik Verlinde. Teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit nuk mund të zbatohet në një shkallë mikroskopike dhe, me sa duket, nuk mund të shpjegojë fenomene të tilla si një vrimë e zezë dhe Big Bang. Ideja e materies së errët të padukshme dhe energjisë së errët nuk mund të shpjegojë vëzhgimet që kundërshtojnë teorinë e Ajnshtajnit.
Fizikani holandez Erik Verlinde propozon një teori krejtësisht të re që mund të shpjegojë lëvizjen në Univers pa ndikimin e materies së errët.
Verlinde e mohon gravitetin si një nga forcat themelore dhe beson se është një fenomen që lind si pasojë e lëvizjeve të tjera më të vogla. Ai e quan atë graviteti emergjent.
Në vitin 2011, çmimi Nobel në Fizikë iu dha tre astrofizikanëve: Saul Perlmutter, Adam Riess dhe Brian Schmidt.
Shkencëtarët kanë zbuluar atë që konsiderohet si një nga përparimet e para në astrofizikën teorike - domethënë, se Universi po përshpejton zgjerimin e tij dhe nuk po ngadalësohet, siç mendohej më parë.
Saul Perlmutter e filloi këtë punë kur filloi të studionte dritën nga supernova në 1988. Gjashtë vjet më vonë, Adam Riess dhe Brian Schmidt morën stafetën dhe dy ekipet thuhet se kishin pasur mosmarrëveshje për zbulimet.
Të dy ekipet prisnin që zgjerimi i universit po ngadalësohej për shkak të gravitetit midis galaktikave, një nga pasojat e teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. Ndërkohë, të dyja skuadrat arritën në të njëjtin përfundim: supozimi ishte i gabuar, Universi po zgjerohet gjithnjë e më shpejt.
Bazuar në teorinë e Ajnshtajnit të vitit 1915, supozohej se e vetmja forcë e qëndrueshme natyrore e aftë për të ndikuar në zgjerimin e Universit ishte graviteti. Besohej gjithashtu se galaktikat do të tërhiqnin njëra-tjetrën dhe për këtë arsye do të ngadalësonin shkallën e zgjerimit të Universit pas Big Bengut.
Ne ende nuk e dimë saktësisht se cili është gabimi. Ne nuk e kemi absolutisht asnjë ide se çfarë është kjo forcë refuzuese dhe thjesht e quajmë atë energji të errët. Shkencëtarët kanë sugjeruar se 96% e Universit përbëhet nga materia e errët dhe energjia e errët.
Termi "materies e errët" përdoret gjithashtu për të shpjeguar pse yjet mbeten në një galaktikë të përdredhur në vend që të fluturojnë në univers.
Por: jo vetëm njeriu i zakonshëm beson se ideja e një force të padukshme në Univers nuk është plotësisht e saktë.
Fizikani i famshëm holandez Erik Verlinde publikoi një artikull shkencor në të cilin pretendon se mund të shpjegojë lëvizjen pa ndikimin e materies së errët në të, shkruan faqja e internetit phys.org.
Thelbi i shpjegimit të Verlinde është ideja e diskutueshme e gravitetit entropik. Në vitin 2010, ai befasoi komunitetin shkencor me këtë teori, e cila hodhi poshtë mënyrën se si njerëzit kanë menduar për 300 vitet e fundit.
Sipas teorisë së Verlinde, graviteti nuk është një nga katër forcat themelore, është diçka që lind. Verlinde argumenton se graviteti është një fenomen emergjent.
Ashtu si nxehtësia gjenerohet kur grimcat mikroskopike lëvizin, graviteti gjenerohet gjithashtu - përmes ndryshimeve në pozicionin e trupave qiellorë të mbledhur në strukturën e vetë hapësirë-kohës.
“Ne kemi prova që kjo mënyrë e shikimit të gravitetit përputhet me atë që vëzhgojmë. Në një shkallë të madhe, graviteti sillet krejtësisht ndryshe nga sa parashikon teoria e Ajnshtajnit”, thotë ai në Phys.org.
Në prag të një revolucioni shkencor
Shkenca e ka ditur prej kohësh se ka diçka të pakuptueshme në teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit dhe në teoritë e mekanikës kuantike.
E para shpjegon gjërat në një shkallë të gjerë, se si objektet në Univers ndikojnë njëri-tjetrin. Mekanika kuantike përdoret për të shpjeguar gjërat në nivel mikroskopik. Por të dyja teoritë nuk mund të përdoren njëkohësisht me njëra-tjetrën, gjë që është vërtet një mister i madh i fizikës moderne.
Të dyja teoritë nuk mund të jenë të vërteta në të njëjtën kohë. Problemet fillojnë në situatat më intensive, të tilla si afërsia e një vrime të zezë dhe Big Bang.
Verlinde beson se po i afrohemi një zgjidhjeje të misterit, e cila do të kërkojë rishkrimin e shumë gjërave në tekstet shkollore.
“Shumë fizikanë teorikë si unë po punojnë për të rishikuar teorinë dhe tashmë janë bërë hapa të mëdhenj. Ne mund të jemi në prag të një revolucioni shkencor që do të ndryshojë rrënjësisht kuptimin tonë për hapësirën, kohën dhe gravitetin”, thotë Verlinde në Phys.org.
Në përgjithësi, ekziston një mendim se " Nuk ka mbetur asgjë për t'u hequr nga teoria e vjetër ... kockat janë gërryer ... dhe fëmijët, dhe gruaja? Ne kemi nevojë urgjente për një teori të re, dhe për të grante, çmime, nderime...."
burimet
Hyrje
Ka argumente të forta se pjesa më e madhe e materies në Univers as nuk lëshon dhe as nuk thith asgjë dhe për këtë arsye është e padukshme. Prania e një lënde të tillë të padukshme mund të njihet nga ndërveprimi i saj gravitacional me lëndën rrezatuese. Studimet e grupimeve të galaktikave dhe kthesave të rrotullimit galaktik ofrojnë dëshmi të ekzistencës së kësaj të ashtuquajture materie të errët. Pra, sipas përkufizimit, materia e errët është materia që nuk ndërvepron me rrezatimin elektromagnetik, domethënë nuk e lëshon ose nuk e thith atë.
Zbulimi i parë i lëndës së padukshme daton në shekullin e kaluar. Në 1844, Friedrich Bessel shkroi në një letër drejtuar Karl Gausit se parregullsia e pashpjegueshme në lëvizjen e Sirius mund të jetë rezultat i ndërveprimit të tij gravitacional me ndonjë trup fqinj, dhe ky i fundit në këtë rast duhet të ketë një masë mjaft të madhe. Në kohën e Besselit, një shok i tillë i errët i Siriusit ishte i padukshëm, ai u zbulua optikisht vetëm në 1862. Doli të ishte një xhuxh i bardhë, i quajtur Sirius-B, ndërsa vetë Sirius quhej Sirius-A.
Dendësia e materies në Univers, ρ, mund të vlerësohet nga vëzhgimet e lëvizjes së galaktikave individuale. Zakonisht ρ jepet në njësi të të ashtuquajturës densitet kritik ρ c:
Në këtë formulë, G është konstanta gravitacionale, H është konstanta e Hubble, e cila njihet me saktësi të ulët (0.4< H < 1), к тому же, вероятно, зависит от времени:
V = HR - formula e Hubble për shkallën e zgjerimit të Universit,
H = 100 h km∙s -1 ∙Mpc -1 .
Për ρ > ρ σ Universi është i mbyllur, d.m.th. Ndërveprimi gravitacional është mjaft i fortë që zgjerimi i universit t'i japë vendin ngjeshjes.
Kështu, dendësia kritike jepet nga:
ρ с = 2∙1 –29 h 2 g∙cm -3 .
Dendësia kozmologjike Ω = ρ/ρ σ, e përcaktuar në bazë të dinamikës së grupimeve dhe supergrupeve galaktikash, është e barabartë me 0,1< Ω < 0.3.
Nga vëzhgimi i natyrës së heqjes së rajoneve në shkallë të gjerë të Universit duke përdorur satelitin astronomik infra të kuqe IRAS, u zbulua se 0.25< Ω < 2.
Nga ana tjetër, vlerësimi i densitetit të barionit Ω b nga ndriçimi i galaktikave jep një vlerë dukshëm më të vogël: Ω b< 0.02.
Kjo mospërputhje zakonisht merret si një tregues i ekzistencës së materies së padukshme.
Kohët e fundit, shumë vëmendje i është kushtuar problemit të kërkimit të lëndës së errët. Nëse marrim parasysh të gjitha format e materies barionike, si pluhuri ndërplanetar, xhuxhët kafe dhe të bardhë, yjet neutron dhe vrimat e zeza, rezulton se një pjesë e konsiderueshme e materies jobarionike nevojitet për të shpjeguar të gjitha fenomenet e vëzhguara. Kjo deklaratë mbetet e vlefshme edhe pasi të merren parasysh të dhënat moderne mbi të ashtuquajturat objekte MACHO ( M.A. ssive C kompakte H alo O objektet janë objekte masive kompakte galaktike) të zbuluara duke përdorur efektin e lenteve gravitacionale.
. Dëshmi për materien e errët
2.1. Kurbat e rrotullimit galaktik
Në rastin e galaktikave spirale, shpejtësia e rrotullimit të yjeve individuale rreth qendrës së galaktikës përcaktohet nga kushti i qëndrueshmërisë së orbitave. Barazimi i forcave centrifugale dhe gravitacionale:
për shpejtësinë e rrotullimit kemi:
ku M r është e gjithë masa e materies brenda një sfere me rreze r. Në rastin e simetrisë ideale sferike ose cilindrike, ndikimi i masës që ndodhet jashtë kësaj sfere kompensohet reciprokisht. Në një përafrim të parë, rajoni qendror i galaktikës mund të konsiderohet sferik, d.m.th.
ku ρ është dendësia mesatare.
Në pjesën e brendshme të galaktikës, pritet një rritje lineare e shpejtësisë së rrotullimit me rritjen e distancës nga qendra. Në rajonin e jashtëm të galaktikës, masa Mr është pothuajse konstante dhe varësia e shpejtësisë nga distanca korrespondon me rastin me një masë pikë në qendër të galaktikës:
Shpejtësia e rrotullimit v(r) përcaktohet, për shembull, duke matur zhvendosjen Doppler në spektrin e emetimit të rajoneve He-II rreth yjeve O. Sjellja e kurbave të rrotullimit të matur eksperimentalisht të galaktikave spirale nuk korrespondon me një ulje të v(r) me rreze në rritje. Një studim i linjës 21-cm (tranzicioni i strukturës hiperfine në atomin e hidrogjenit) të emetuar nga materia ndëryjore çoi në një rezultat të ngjashëm. Qëndrueshmëria e v(r) në vlera të mëdha të rrezes do të thotë që masa Mr gjithashtu rritet me rritjen e rrezes: Mr ~ r. Kjo tregon praninë e lëndës së padukshme. Yjet lëvizin më shpejt nga sa pritej bazuar në sasinë e dukshme të materies.
Bazuar në këtë vëzhgim, u postulua ekzistenca e një haloje sferike të materies së errët që rrethon galaktikën dhe përgjegjëse për sjelljen jo-zvogëluese të kthesave të rrotullimit. Për më tepër, një halo sferike mund të kontribuojë në stabilitetin e formës së diskut të galaktikave dhe të konfirmojë hipotezën e formimit të galaktikave nga një protogalaktikë sferike. Llogaritjet e modelit të kryera për Rrugën e Qumështit, të cilat ishin në gjendje të riprodhonin kthesat e rrotullimit duke marrë parasysh praninë e një halo, tregojnë se një pjesë e konsiderueshme e masës duhet të jetë në këtë halo. Dëshmi në favor të ekzistencës së halove sferike jepen edhe nga grupimet globulare - grupimet sferike të yjeve, të cilat janë objektet më të lashta në galaktikë dhe të cilat janë të shpërndara në mënyrë sferike.
Megjithatë, hulumtimet e fundit mbi transparencën e galaktikave kanë hedhur dyshime mbi këtë pamje. Duke marrë në konsideratë shkallën e errësirës së galaktikave spirale si funksion të këndit të prirjes, mund të konkludohet transparenca e objekteve të tilla. Nëse galaktika do të ishte plotësisht transparente, atëherë shkëlqimi i saj total nuk do të varej nga këndi në të cilin vërehet kjo galaktikë, pasi të gjithë yjet do të shiheshin njësoj mirë (duke injoruar madhësinë e yjeve). Nga ana tjetër, një shkëlqim konstant i sipërfaqes do të thotë që galaktika nuk është transparente. Në këtë rast, vëzhguesi sheh gjithmonë vetëm yjet e jashtëm, d.m.th. gjithmonë i njëjti numër për njësi sipërfaqe, pavarësisht nga këndi i shikimit. U vërtetua eksperimentalisht se shkëlqimi i sipërfaqes mbetet mesatarisht konstant, gjë që mund të tregojë errësirën pothuajse të plotë të galaktikave spirale. Në këtë rast, përdorimi i metodave optike për të përcaktuar densitetin e masës së Universit nuk është plotësisht i saktë. Një analizë më e plotë e rezultateve të matjes çoi në përfundimin se retë molekulare janë një material thithës (diametri i tyre është afërsisht 50 ps dhe temperatura është rreth 20 K). Sipas ligjit të zhvendosjes së Wien-it, re të tilla duhet të lëshojnë në rajonin nënmilimetrik. Ky rezultat mund të ofrojë një shpjegim për sjelljen e kthesave të rrotullimit pa supozimin e materies së errët ekzotike shtesë.
Dëshmi për ekzistencën e materies së errët janë gjetur edhe në galaktikat eliptike. Aureolët e gaztë me temperatura rreth 10 7 K janë regjistruar nga thithja e tyre e rrezeve X. Shpejtësitë e këtyre molekulave të gazit janë më të mëdha se shpejtësia e zgjerimit:
v r = (2GM/r) 1/2,
duke supozuar se masat e tyre korrespondojnë me shkëlqimin e tyre. Për galaktikat eliptike, raporti i masës ndaj shkëlqimit është rreth dy rend magnitudë më i madh se ai i Diellit, që është një shembull tipik i një ylli mesatar. Një vlerë kaq e madhe zakonisht lidhet me ekzistencën e materies së errët.
2.2. Dinamika e grupimeve të galaktikave
Dinamika e grupimeve të galaktikave ofron dëshmi për ekzistencën e materies së errët. Kur lëvizja e një sistemi, energjia potenciale e të cilit është një funksion homogjen i koordinatave, ndodh në një rajon hapësinor të kufizuar, atëherë vlerat mesatare në kohë të energjisë kinetike dhe potenciale lidhen me njëra-tjetrën nga teorema virale. Mund të përdoret për të vlerësuar densitetin e materies në grupimet e një numri të madh galaktikash.
Nëse energjia potenciale U është një funksion homogjen i vektorëve të rrezes r i i shkallës k, atëherë U dhe energjia kinetike T lidhen si 2T = kU. Meqenëse T + U = E = E, rrjedh se
U = 2E/(k + 2), T = kE/(k + 2),
ku E është energjia totale. Për bashkëveprimin gravitacional (U ~ 1/r) k = -1, pra 2T = -U. Energjia mesatare kinetike e një grupi N galaktikash jepet nga:
T=N
Këto galaktika N mund të ndërveprojnë me njëra-tjetrën në çifte. Prandaj, ekzistojnë N(N–1)/2 çifte të pavarura galaktikash, energjia totale mesatare potenciale e të cilave ka formën
U = GN(N − 1)m 2 /2r.
Me Nm = M dhe (N − 1) ≈ N për masën dinamike rezulton M ≈ 2
Matjet mesatare të distancës
Ky argument ka edhe dobësitë e veta. Ekuacioni virial është i vlefshëm vetëm kur bëhet mesatarja për një periudhë të gjatë kohore, kur sistemet e mbyllura janë në një gjendje ekuilibri. Megjithatë, matjet e grupimeve të galaktikave janë diçka si fotografi. Për më tepër, grupimet e galaktikave nuk janë sisteme të mbyllura, ato janë të lidhura me njëra-tjetrën. Së fundi, nuk është e qartë nëse ata kanë arritur një gjendje ekuilibri apo jo.
2.3. Dëshmi kozmologjike
Përkufizimi i densitetit kritik ρc u dha më sipër. Formalisht, mund të merret në bazë të dinamikës së Njutonit duke llogaritur shkallën kritike të zgjerimit të një galaktike sferike:
Marrëdhënia për ρc rrjedh nga shprehja për E, nëse supozojmë se H = r"/r = ·v/r.
Përshkrimi i dinamikës së Universit bazohet në ekuacionet e fushës së Ajnshtajnit (Teoria e Përgjithshme e Relativitetit - GTR). Ato thjeshtohen disi nën supozimin e homogjenitetit dhe izotropisë së hapësirës. Në metrikën Robertson-Walker, elementi linear pafundësisht i vogël jepet nga:
ku r, θ, φ janë koordinatat sferike të pikës. Shkallët e lirisë së kësaj metrike përfshihen në parametrin k dhe faktorin e shkallës R. Vlera e k merr vetëm vlera diskrete (nëse nuk merret parasysh gjeometria fraktale) dhe nuk varet nga koha. Vlera k është një karakteristikë e modelit të Universit (k = -1 - metrikë hiperbolike (universi i hapur), k = 0 - metrikë euklidiane (universi i sheshtë), k = +1 - metrikë sferike (universi i mbyllur)).
Dinamika e Universit specifikohet plotësisht nga funksioni i shkallës R(t) (distanca midis dy pikave fqinje në hapësirë me koordinatat r, θ, φ ndryshon me kalimin e kohës si R(t)). Në rastin e metrikës sferike, R(t) përfaqëson rrezen e Universit. Ky funksion i shkallës plotëson ekuacionet Einstein-Friedmann-Lemaitre:
ku p(t) është presioni total dhe Λ është konstanta kozmologjike, e cila, në kuadrin e teorive moderne të fushës kuantike, interpretohet si dendësia e energjisë vakum. Le të supozojmë më tej se Λ = 0, siç bëhet shpesh për të shpjeguar faktet eksperimentale pa futur lëndën e errët. Koeficienti R 0 "/R 0 përcakton konstanten Hubble H 0, ku indeksi "0" shënon vlerat moderne të sasive përkatëse. Nga formulat e mësipërme rezulton se për parametrin e lakimit k = 0, kritike moderne dendësia e universit jepet nga shprehja vlera e së cilës përfaqëson kufirin midis universit të hapur dhe atij të mbyllur (kjo vlerë ndan skenarin në të cilin Universi po zgjerohet përjetësisht nga skenari në të cilin Universi pret kolaps në fund të zgjerimit të përkohshëm faza):
Shpesh përdoret parametri i densitetit
ku q 0 është parametri i frenimit: q(t) = –R(t)R""(t)/(R"(t)) 2. Kështu, tre raste janë të mundshme:
Ω 0 < 1 − открытая Вселенная,
Ω 0 = 1 - univers i sheshtë,
Ω 0 > 1 – Univers i mbyllur.
Matjet e parametrit të densitetit dhanë një vlerësim: Ω 0 ≈ 0,2, në bazë të të cilit mund të pritej natyra e hapur e Universit. Sidoqoftë, një numër konceptesh teorike janë të vështira për t'u pajtuar me hapjen e Universit, për shembull, i ashtuquajturi problem i "rrafshitësisë" dhe gjeneza e galaktikave.
Problemi i rrafshimit
Siç mund ta shihni, dendësia e Universit është shumë afër kritikës. Nga ekuacionet Einstein-Friedmann-Lemaitre rrjedh (në Λ = 0) që
Meqenëse dendësia ρ(t) është proporcionale me 1/R(t) 3, atëherë duke përdorur shprehjen për Ω 0 (k nuk është e barabartë me 0) kemi:
Kështu, vlera Ω ≈ 1 është shumë e paqëndrueshme. Çdo devijim nga kutia krejtësisht e sheshtë rritet shumë ndërsa Universi zgjerohet. Kjo do të thotë se gjatë shkrirjes bërthamore origjinale, Universi duhet të ketë qenë dukshëm më i sheshtë se sa është tani.
Një zgjidhje e mundshme për këtë problem ofrohet nga modelet e inflacionit. Supozohet se zgjerimi i Universit të hershëm (në intervalin midis 10 -34 s dhe 10 -31 s pas Big Bengut) ndodhi në mënyrë eksponenciale në fazën e inflacionit. Në këto modele, parametri i densitetit zakonisht është i pavarur nga koha (Ω = 1). Megjithatë, ka indikacione teorike që vlera e parametrit të densitetit në intervalin 0.01< Ω 0 < 2 также согласуется с
моделью инфляции.
Zanafilla e galaktikave
Për gjenezën e galaktikave, inhomogjenitetet e densitetit janë të nevojshme. Galaktikat duhej të lindnin në rajone të tilla hapësinore ku dendësia ishte më e madhe se rreth tyre, kështu që si rezultat i ndërveprimit gravitacional këto rajone arritën të grumbulloheshin më shpejt sesa ndodhi rrallimi i tyre për shkak të zgjerimit të përgjithshëm.Megjithatë, ky lloj akumulimi i materies mund të fillojë vetëm pas formimit të atomeve nga bërthamat dhe elektronet, d.m.th. afërsisht 150,000 vjet pas Big Bengut në temperatura rreth 3000 K (pasi në fazat e hershme materia dhe rrezatimi ishin në një gjendje ekuilibri dinamik: çdo grumbull materies që rezultonte u shkatërrua menjëherë nën ndikimin e rrezatimit dhe në të njëjtën kohë rrezatimi mund të të mos shpëtojë përtej kufijve të materies). Luhatjet e dukshme në densitetin e lëndës së zakonshme në atë kohë u përjashtuan deri në nivele shumë të ulëta nga izotropia e rrezatimit të sfondit. Pas fazës së formimit të atomeve neutrale, rrezatimi pushon së qeni në një gjendje ekuilibri termik me lëndën, kështu që luhatjet e mëvonshme në densitetin e materies nuk reflektohen më në natyrën e rrezatimit.
Por nëse llogarisim evolucionin me kalimin e kohës të procesit të ngjeshjes së materies, i cili sapo filloi, rezulton se koha që ka kaluar që atëherë nuk është e mjaftueshme për të formuar struktura kaq të mëdha si galaktikat ose grupimet e tyre. Me sa duket, është e nevojshme të kërkohet ekzistenca e grimcave masive të çliruara nga një gjendje ekuilibri termik në një fazë më të hershme, në mënyrë që këto grimca të kenë mundësinë të shfaqen si disa fara për kondensimin e lëndës së zakonshme rreth tyre. Kandidatë të tillë mund të jenë të ashtuquajturat grimca WIMP. Në këtë rast, është e nevojshme të merret parasysh kërkesa që rrezatimi kozmik i sfondit të jetë izotropik. Një anizotropi e vogël (10 -4) në rrezatimin e sfondit kozmik të mikrovalës (temperatura rreth 2.7 K) u zbulua vetëm kohët e fundit duke përdorur satelitin COBE.
III. Kandidatët e lëndës së errët
3.1. Materie e errët barionike
Kandidati më i dukshëm për materien e errët do të ishte lënda e zakonshme barionike, e cila nuk lëshon dhe ka një bollëk përkatës. Një mundësi mund të realizohet nga gazi ndëryjor ose ndërgalaktik. Megjithatë, në këtë rast, duhet të shfaqen linja karakteristike të emetimit ose thithjes që nuk zbulohen.Një tjetër kandidat mund të jenë xhuxhët kafe - trupat kozmikë me masa dukshëm më të vogla se masa e Diellit (M< 0.08M солнца). Гравитационного давления внутри этих объектов оказывается недостаточно для создания температур, при которых начинает процесс слияния протонов в гелий. Из-за отсутствия ядерного синтеза излучение коричневых карликов очень слабо, если не считать излучения тех из них, которые находятся на ранней стадии своего развития. Планеты также могли бы входить в эту группу. Однако из-за отсутствия знания о происхождении звезд и планет, а также из-за ограниченности фотометрической детектируемости небесных тел расстоянием в несколько световых лет особенно сложно оценить число таких объектов.
Objekte shumë kompakte në fazat e fundit të zhvillimit yjor (xhuxhët e bardhë, yjet neutron dhe vrimat e zeza) mund të jenë gjithashtu pjesë e materies së errët. Meqenëse pothuajse çdo yll arrin një nga këto tre faza përfundimtare gjatë jetës së tij, një pjesë e konsiderueshme e masës së yjeve të hershëm dhe më të rëndë duhet të jetë e pranishme në formë jo-rrezatuese si xhuxhë të bardhë, yje neutron ose vrima të zeza. Një pjesë e kësaj lënde kthehet në hapësirën ndëryjore përmes shpërthimeve të supernovës ose mënyrave të tjera dhe merr pjesë në formimin e yjeve të rinj. Në këtë rast, yjet me masë M nuk duhet të merren parasysh< 0.9M солнца, так как их время жизни больше, чем возраст Вселенной, и они еще не достигли конечных стадий в своем развитии.
Kufijtë e sipërm të densitetit të mundshëm të materies barionike në Univers mund të merren nga të dhënat mbi bashkimin fillestar bërthamor, i cili filloi afërsisht 3 minuta pas Big Bengut. Matjet e bollëkut aktual të deuteriumit janë veçanërisht të rëndësishme -
(D/H) 0 ≈ 10 -5, pasi gjatë shkrirjes fillestare bërthamore u formua kryesisht deuteriumi. Megjithëse deuteriumi gjithashtu u shfaq më vonë si një produkt i ndërmjetëm i reaksioneve të shkrirjes bërthamore, sasia totale e deuteriumit nuk u rrit ndjeshëm për shkak të kësaj. Analiza e proceseve që ndodhin në fazën e shkrirjes së hershme bërthamore jep një kufi të sipërm - Ω o,b< 0.1–0.2 для плотности возможной барионной материи во Вселенной. При этом учтена вся материя, которая была сформирована во время ядерного синтеза в ранней Вселенной. Данное значение хорошо согласуется с оценками, полученными из рассмотрения характера вращения галактик.
Nga ana tjetër, tashmë është plotësisht e qartë se lënda barionike në vetvete nuk është në gjendje të plotësojë kërkesën Ω = 1, e cila rrjedh nga modelet inflacioniste. Përveç kësaj, problemi i formimit të galaktikave mbetet i pazgjidhur. E gjithë kjo çon në nevojën për ekzistencën e materies së errët jobarionike, veçanërisht në rastin kur kërkohet kushti Ω = 1 në konstante kozmologjike zero.
3.2. Materie e errët jobarionike
Modelet teorike ofrojnë një përzgjedhje të madhe të kandidatëve të mundshëm për rolin e materies së errët jobarionike, duke përfshirë: neutrinot e lehta dhe të rënda, grimcat supersimetrike të modeleve SUSY, aksione, kozmionet, monopolet magnetike, grimcat Higgs - ato janë të përmbledhura në tabelë. Tabela përmban gjithashtu teori që shpjegojnë të dhënat eksperimentale pa futur lëndën e errët (konstanta gravitacionale e varur nga koha në gravitetin jo-njutonian dhe konstanta kozmologjike). Emërtimet: DM - materie e errët, GUT - Teoria e Madhe e Unifikuar, SUSY - teori supersimetrike, SUGRA - supergravitet, QCD - kromodinamikë kuantike, QED - elektrodinamikë kuantike, GTR - relativiteti i përgjithshëm. Koncepti WIMP (grimca masive me ndërveprim të dobët) përdoret për të treguar grimcat me masë më të madhe se disa GeV/c 2 që marrin pjesë vetëm në ndërveprime të dobëta. Duke marrë parasysh matjet e reja të rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës nga sateliti COBE dhe zhvendosjen e kuqe nga sateliti IRAS, shpërndarja e galaktikave në distanca të mëdha dhe formimi i strukturave në shkallë të gjerë në galaktikën tonë janë riekzaminuar së fundmi. Bazuar në analizën e modeleve të ndryshme të formimit të strukturës, u arrit në përfundimin se vetëm një model i kënaqshëm i Universit është i mundur me Ω = 1, në të cilin materia e errët është e një natyre të përzier: 70% ekziston në formën e materies së errët të ftohtë dhe 30% në formën e materies së errët të nxehtë, ku kjo e fundit përbëhet nga dy neutrino pa masë dhe një neutrino me masë 7,2 ± 2 eV. Kjo do të thotë një ringjallje e modelit të materies së errët të përzier më parë të hedhur poshtë.Neutrinot e lehta
Ndryshe nga të gjithë kandidatët e tjerë të lëndës së errët, neutrinot kanë avantazhin e dallueshëm të ekzistencës së tyre. Përhapja e tyre në Univers dihet afërsisht. Në mënyrë që neutrinot të jenë kandidatë për materien e errët, ato me siguri duhet të kenë masë. Për të arritur densitetin kritik të Universit, masat e neutrinos duhet të shtrihen në rajonin e disa GeV/c 2 ose në rajonin nga 10 në 100 eV/c 2 .Neutrinot e rënda janë gjithashtu të mundshme si kandidatë të tillë, pasi produkti kozmologjikisht i rëndësishëm m ν exp(-m ν /kT f) bëhet i vogël edhe për masa të mëdha. Këtu Tf është temperatura në të cilën neutrinot e rënda pushojnë së qeni në një gjendje ekuilibri termik. Ky faktor Boltzmann jep bollëkun e neutrinoteve me masë m ν në raport me bollëkun e neutrinot pa masë.
Për çdo lloj neutrine në Univers, dendësia e neutrinës lidhet me densitetin e fotonit nga relacioni n ν = (3/11)n γ. Në mënyrë të rreptë, kjo shprehje është e vlefshme vetëm për neutrinot e lehta Majorana (për neutrinot Dirac, në rrethana të caktuara, është e nevojshme të futet një faktor tjetër statistikor i barabartë me dy). Dendësia e fotonit mund të përcaktohet bazuar në sfondin e rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës 3 K dhe arrin n γ ≈ 400 cm -3.
| Grimca | Pesha | Teoria | Manifestimi |
|---|---|---|---|
| G(R) | - | Graviteti jo-njutonian | DM transparente në shkallë |
| Λ (konstante hapësinore) | - | GTO | Ω=1 pa DM |
| Axion, marjoram, gur ari. bozon | 10 -5 eV | QCD; shkelje e SIM. | Pechei-Quina |
| DM i ftohtë | Neutrino e zakonshme | 10-100 eV | GUT |
| DM e nxehtë | Neutrino e zakonshme | Higgsino e lehtë, photino, gravitino, axino, sneutrino | |
| SUSY/DM | Parafoton | 20-400 eV | Modifikues QED |
| Nxehte, e ngrohte DM | Neutrinot e duhura | 500 eV | Ndërveprim super i dobët |
| DM e ngrohte | Neutrinot e duhura | Gravitino, etj. | Ndërveprim super i dobët |
| SUSY/SUGRA | Fotino, gravitino, aksion, pasqyra. grimcat, neutrino Simpson | Gravitino, etj. | keV |
| DM i ngrohtë/i ftohtë | Fotino, sneutrino, higgsino, gluino, neutrino e rëndë | Gravitino, etj. | Pechei-Quina |
| MeV | Fotino, sneutrino, higgsino, gluino, neutrino e rëndë | Gravitino, etj. | Materia e hijes Nxehte/ftohte |
| (si barionet) DM | Preon | 20-200 TeV | Pechei-Quina |
| Modele të përbëra | Monopol | 10-100 eV | Pechei-Quina |
| 10 16 GeV | Pyrgon, maximon, pole Perry, newtorite, Schwarzschild | 10 19 GeV | Pechei-Quina |
| Teoritë e dimensioneve më të larta | Pyrgon, maximon, pole Perry, newtorite, Schwarzschild | Gravitino, etj. | Pechei-Quina |
| Superstrings | "Butat" e kuarkut | 10 15 g | Pechei-Quina |
| QCD, GUT | Hapësirë vargjet, muret e domenit | 10-100 eV | (10 8 -10 10)M diell |
| Formimi i galaktikave mund të mos kontribuojë shumë në | Kozmion | 4-11 GeV | Problemi i neutrinos |
| Formimi i një fluksi neutrinoje në Diell | Vrimat e zeza | GTO | Pechei-Quina |
10 15 -10 30 g
Primak J.R., Seckel D., Sadoulet B., 1988, Ann. Rev. Nukl. Part.Sci., 38, 751 Rezulton se dendësia e masës së neutrinës është afër kritike nëse plotësohet kushti
Meqenëse densiteti i neutrinos është i të njëjtit rend të madhësisë si dendësia e fotonit, ka rreth 10 9 herë më shumë neutrino se barionet, kështu që edhe një masë e vogël neutrinoje mund të përcaktojë dinamikën e Universit. Për të arritur Ω = ρ ν /ρ σ = 1, kërkohen masa neutrino m ν c 2 ≈ 15–65 eV/N ν, ku N ν është numri i llojeve të neutrinoteve të lehta. Kufijtë e sipërm eksperimental për masat e tre llojeve të njohura të neutrinos janë: m(ν e)< 7.2 эВ/c 2 , m(ν μ) < 250 кэВ/c 2 ,
m(ν τ) < 31 МэВ/c 2 .
Таким образом, электронное нейтрино практически исключается в качестве кандидата
на доминирующую фракцию темной материи. Экспериментальные данные для остальных
двух типов нейтрино не столь критичны, так что мюонные и тау-нейтрино остаются
среди возможных кандидатов. Нейтрино вышли из состояния термического равновесия
примерно через 1 с после Большого Взрыва при температуре 10 10 К (что
отвечает энергии 1 МэВ). В это время они обладают релятивистскими энергиями и
тем самым считаются частицами горячей темной материи. Нейтрино также могут
давать вклад в процесс формирования галактик. В расширяющейся Вселенной, в
которой доминируют частицы массой m i ,
согласно критерию Джинса, та масса, которая может коллапсировать за счет
гравитационных сил, равна
Në një univers të dominuar nga neutrinot, shkalla e kërkuar e ngjeshjes mund të vendoset në një fazë relativisht të vonë, strukturat e para do të korrespondonin me supergrupet e galaktikave. Kështu, grupimet dhe galaktikat e galaktikave mund të zhvillohen përmes fragmentimit të këtyre strukturave parësore (modeli nga lart-poshtë). Megjithatë, kjo qasje përballet me probleme kur merret parasysh formimi i strukturave shumë të vogla si galaktikat xhuxh. Për të shpjeguar formimin e ngjeshjeve mjaft masive, duhet të merret parasysh edhe parimi Pauli për fermionet.
Neutrinot e rënda
Sipas të dhënave të LEP dhe SLAC në lidhje me matjet e sakta të gjerësisë së zbërthimit të bozonit Z 0, ekzistojnë vetëm tre lloje neutrinosh të lehta dhe ekzistenca e neutrinove të rënda deri në vlerat e masës 45 GeV/c 2 përjashtohet.Kur neutrinot me masa kaq të mëdha u larguan nga gjendja e ekuilibrit termik, ato tashmë kishin shpejtësi jo relativiste, për këtë arsye quhen grimca të materies së errët të ftohtë. Prania e neutrinos së rëndë mund të çojë në kompresimin e hershëm gravitacional të materies. Në këtë rast, së pari do të formoheshin struktura më të vogla. Grumbujt dhe supergrupet e galaktikave do të ishin formuar më vonë nga akumulimi i grupeve individuale të galaktikave (modeli nga poshtë-lart).
Aksione
Aksione janë grimca hipotetike që lindin në lidhje me problemin e shkeljes së CP në ndërveprim të fortë (problem θ). Ekzistenca e një grimce të tillë pseudoskalare është për shkak të thyerjes së simetrisë kirale Pechey-Quin. Masa e aksionit jepet nga
Ndërveprimi me fermionet dhe bozonet matës përshkruhet nga konstantat e mëposhtme të bashkimit, përkatësisht:
Konstante e zbërthimit të aksionit f a përcaktohet nga mesatarja e vakumit të fushës Higgs. Sepse f a është një konstante e lirë që mund të marrë çdo vlerë midis shkallës së elektrodobët dhe plankut, atëherë vlerat e mundshme të masave të aksioneve ndryshojnë me 18 rend të madhësisë. Bëhet dallimi midis aksioneve DFSZ, të cilat ndërveprojnë drejtpërdrejt me elektronet, dhe të ashtuquajturave aksione hadronike, të cilat ndërveprojnë me elektronet vetëm në rendin e parë të teorisë së perturbimit. Në përgjithësi mendohet se aksione përbëjnë lëndën e errët të ftohtë. Në mënyrë që dendësia e tyre të mos kalojë vlerën kritike, është e nevojshme të ketë f a< 10 12 ГэВ. Стандартный аксион Печеи-Куина с f Një ≈ 250 GeV është përjashtuar tashmë eksperimentalisht opsionet e tjera me masa më të ulëta dhe, në përputhje me rrethanat, parametrat më të mëdhenj të bashkimit janë gjithashtu të kufizuara ndjeshëm nga të dhëna të ndryshme, kryesisht astrofizike;
Grimcat supersimetrike
Shumica e teorive supersimetrike përmbajnë një grimcë të qëndrueshme, e cila është një kandidat i ri për materien e errët. Ekzistenca e një grimce supersimetrike të qëndrueshme rrjedh nga ruajtja e numrit kuantik shumëzues, i ashtuquajturi barazi R, i cili merr vlerën +1 për grimcat e zakonshme dhe –1 për superpartnerët e tyre. Është aty Ligji i ruajtjes së barazisë R. Sipas këtij ligji të ruajtjes, grimcat SUSY mund të formohen vetëm në çifte. Grimcat SUSY mund të zbërthehen vetëm në një numër tek i grimcave SUSY. Prandaj, grimca më e lehtë supersimetrike duhet të jetë e qëndrueshme.Është e mundur të shkelet ligji i ruajtjes së barazisë R. Numri kuantik R lidhet me numrin e barionit B dhe numrin e leptonit L nga relacioni R = (–1) 3B+L+2S, ku S është rrotullimi i grimcës. Me fjalë të tjera, shkelja e B dhe/ose L mund të çojë në dështimin e paritetit R. Megjithatë, ka kufij shumë të ngushtë në mundësinë e shkeljes së barazisë R.
Supozohet se grimca më e lehtë supersimetrike (LSP) nuk merr pjesë as në ndërveprime elektromagnetike dhe as në ndërveprime të forta. Përndryshe, ajo do të kombinohej me materien e zakonshme dhe do të shfaqej aktualisht si një grimcë e rëndë e pazakontë. Atëherë bollëku i një LSP të tillë, i normalizuar në bollëkun e protonit, do të ishte i barabartë me 10 -10 për ndërveprimin e fortë dhe 10 -6 për atë elektromagnetik. Këto vlera nuk janë në përputhje me kufijtë e sipërm eksperimental: n(LSP)/n(p)< 10 -15 - 10 -30 . Приведенные оценки зависят от масс и в данном случае отвечают области масс 1 ГэВ < m LSP c 2 < 10 7 ГэВ. Поэтому был сделан вывод о том, что легчайшая SUSY-частица, помимо гравитационного взаимодействия, принимает участие только в слабом.
Ndër kandidatët e mundshëm për rolin e grimcës supersimetrike më të lehtë neutrale janë photino (S = 1/2) dhe zino (S = 1/2), të cilat zakonisht quhen gaijino, si dhe higgsino (S = 1/2), sneutrino (S = 0) dhe gravitino (S = 3/2). Në shumicën e teorive, një grimcë LSP është një kombinim linear i grimcave të mësipërme SUSY me rrotullim 1/2. Masa e kësaj të ashtuquajture neutralino duhet të jetë më e madhe se 10 GeV/c2. Konsiderimi i grimcave SUSY si lëndë e errët është me interes të veçantë, pasi ato u shfaqën në një kontekst krejtësisht të ndryshëm dhe nuk u prezantuan në mënyrë specifike për të zgjidhur problemin e materies së errët (jobarionike). Kozmionet Kozmionet fillimisht u prezantuan për të zgjidhur problemin e neutrinos diellore. Për shkak të shpejtësisë së tyre të madhe, këto grimca kalojnë nëpër sipërfaqen e yllit pothuajse të papenguara. Në rajonin qendror të yllit ato përplasen me bërthamat. Nëse humbja e energjisë është mjaft e madhe, atëherë ata nuk mund ta lënë këtë yll përsëri dhe të grumbullohen në të me kalimin e kohës. Brenda Diellit, kozmionet e kapur ndikojnë në natyrën e transferimit të energjisë dhe në këtë mënyrë kontribuojnë në ftohjen e rajonit qendror të Diellit. Kjo do të rezultonte në një probabilitet më të ulët të prodhimit të neutrinos nga 8 V dhe do të shpjegonte pse fluksi i neutrinos i matur në Tokë është më i vogël se sa pritej. Për të zgjidhur këtë problem të neutrinos, masa e kozmionit duhet të shtrihet në intervalin nga 4 në 11 GeV/c 2 dhe seksioni kryq për bashkëveprimin e kozmioneve me lëndën duhet të ketë një vlerë prej 10 -36 cm 2. Megjithatë, të dhënat eksperimentale duket se përjashtojnë një zgjidhje të tillë për problemin e neutrinos diellore.
Defektet topologjike të hapësirë-kohës
Përveç grimcave të mësipërme, defektet topologjike mund të kontribuojnë gjithashtu në materien e errët. Supozohet se në Universin e hershëm në t ≈ 10 –36 s, E ≈ 10 15 GeV, T ≈ 10 28 K, ka ndodhur një shkelje e simetrisë GUT, e cila çoi në ndarjen e ndërveprimeve të përshkruara nga grupet SU(3) dhe SU(2)×U (1). Fusha Higgs e dimensionit 24 fitoi një shtrirje të caktuar, dhe orientimi i këndeve fazore të thyerjes spontane të simetrisë mbeti arbitrar. Si pasojë e këtij kalimi fazor, duhet të ishin formuar rajone hapësinore me orientime të ndryshme. Këto zona u rritën me kalimin e kohës dhe përfundimisht ranë në kontakt me njëra-tjetrën.Sipas koncepteve moderne, pikat e defektit topologjikisht të qëndrueshme u formuan në sipërfaqet kufitare ku takoheshin zonat me orientime të ndryshme. Ato mund të kenë dimensione nga zero në tre dhe përbëhen nga një vakum simetrie të pandërprerë. Pas thyerjes së simetrisë, ky vakum fillestar ka një energji dhe densitet shumë të lartë të materies.
Më të rëndësishmet janë defektet si pika. Ata duhet të mbajnë një ngarkesë magnetike të izoluar, d.m.th. të jenë monopole magnetike. Masa e tyre lidhet me temperaturën e tranzicionit fazor dhe është rreth 10 16 GeV/c 2. Deri më tani, me gjithë kërkimet intensive, nuk është regjistruar ekzistenca e objekteve të tilla.
Ngjashëm me monopolet magnetike, mund të formohen edhe defekte lineare - vargjet kozmike. Këto objekte të ngjashme me fijet kanë një densitet karakteristik të masës lineare të rendit prej 10 22 g∙cm –1 dhe mund të jenë ose të mbyllura ose të hapura. Për shkak të tërheqjes gravitacionale, ato mund të shërbenin si fara për kondensimin e materies, si rezultat i së cilës u formuan galaktikat.
Masat e mëdha do të bënin të mundur zbulimin e vargjeve të tilla nëpërmjet efektit të lenteve gravitacionale. Vargjet do të përkulnin hapësirën përreth në atë mënyrë që të krijohej një imazh i dyfishtë i objekteve pas tyre. Drita nga galaktikat shumë të largëta mund të devijohet nga ky varg sipas ligjeve të teorisë së përgjithshme të gravitetit. Një vëzhgues në Tokë do të shihte dy imazhe pasqyre ngjitur të galaktikave me përbërje të njëjtë spektrale. Ky efekt i lenteve gravitacionale është zbuluar tashmë për kuazarët e largët, ku një galaktikë e vendosur midis kuazarit dhe Tokës shërben si një lente gravitacionale.
Diskutohet gjithashtu mundësia e një gjendje superpërcjellëse në vargjet kozmike. Grimcat e ngarkuara elektrike si elektronet në vakum simetrik të një vargu do të ishin pa masë sepse ato fitojnë masat e tyre vetëm përmes simetrisë duke thyer mekanizmin Higgs. Kështu, çiftet grimcë-antigrimcë që lëvizin me shpejtësinë e dritës mund të krijohen këtu me shumë pak shpenzime energjie. Rezultati është një rrymë superpërçuese. Vargjet superpërcjellëse mund të ngacmohen duke ndërvepruar me grimcat e ngarkuara dhe ky ngacmim do të hiqej duke emetuar valë radio.
Gjithashtu merren parasysh defekte me dimensione më të larta, duke përfshirë "muret e domenit" dydimensionale dhe, në veçanti, defektet ose "teksturat" tredimensionale. Kandidatë të tjerë ekzotikë
- Materie hije. Duke supozuar se vargjet janë objekte të zgjeruara njëdimensionale, teoritë e superstringave përpiqen të përsërisin suksesin e modeleve supersimetrike në eliminimin e divergjencave gjithashtu në gravitet dhe për të depërtuar në rajonet e energjisë përtej masës Planck. Nga pikëpamja matematikore, teoritë e superstringave pa anomali mund të merren vetëm për grupet e matësve SO(32) dhe E 8 *E 8". Ky i fundit ndahet në dy sektorë, njëri prej të cilëve përshkruan lëndën e zakonshme, ndërsa tjetri korrespondon në hijen e materies (E 8 "). Këta dy sektorë mund të ndërveprojnë me njëri-tjetrin vetëm në mënyrë gravitacionale.
- "Quark Nuggets" u propozuan në vitin 1984. Këto janë objekte makroskopike të qëndrueshme të lëndës kuarke, të përbërë nga u-, d- dhe s-kuarkë. Dendësia e këtyre objekteve shtrihet në zonën e densitetit bërthamor prej 10 15 g/cm 3, dhe masat mund të variojnë nga disa GeV/c 2 deri në masat e yjeve neutron. Ato formohen gjatë një tranzicioni hipotetik të fazës QCD, por përgjithësisht konsiderohen shumë të pamundur.
3.3. Teoritë e modifikuara (konstanta kozmologjike, teoria MOND, konstanta gravitacionale e varur nga koha)
Fillimisht, konstanta kozmologjike Λ u fut nga Ajnshtajni në ekuacionet e fushës të relativitetit të përgjithshëm për të siguruar, sipas pikëpamjeve të asaj kohe, stacionaritetin e Universit. Sidoqoftë, pasi Hubble zbuloi zgjerimin e Universit në fund të viteve 20 të shekullit tonë, ai doli të ishte i panevojshëm. Prandaj, ata filluan të besojnë se Λ = 0. Megjithatë, brenda kuadrit të teorive moderne të fushës, kjo konstante kozmologjike interpretohet si dendësia e energjisë së vakumit ρ v. Ekuacioni i mëposhtëm vlen:Rasti Λ = 0 korrespondon me supozimin se vakuumi nuk kontribuon në densitetin e energjisë. Kjo foto korrespondon me idetë e fizikës klasike. Në teorinë e fushës kuantike, vakuumi përmban fusha të ndryshme kuantike që janë në një gjendje me energjinë më të ulët, e cila nuk është domosdoshmërisht zero.
Duke marrë parasysh konstantën kozmologjike jozero, duke përdorur relacionet
ne marrim një densitet kritik më të ulët dhe një vlerë më të lartë të parametrit të densitetit nga sa pritej sipas formulave të dhëna më sipër. Vëzhgimet astronomike të bazuara në numërimin e galaktikave ofrojnë një kufi të sipërm për konstantën moderne kozmologjike
Λ < 3·10 -56 см –2 .
Поскольку критическая плотность ρ с0 не может быть отрицательной, легко оценить
верхнюю границу
ku për H 0,max përdoret vlera 100 km∙s –1 ∙Mpc –1. Ndërsa një konstante kozmologjike jo zero është dëshmuar e nevojshme për të interpretuar fazën e hershme të evolucionit, disa shkencëtarë kanë arritur në përfundimin se një Λ jo zero mund të luajë një rol në fazat e mëvonshme të zhvillimit të universit.
Konstante kozmologjike
mund të çojë në vlerën Ω(Λ = 0), edhe pse në fakt Ω(Λ ≠ 0). Parametri Ω(Λ = 0) i përcaktuar nga ρ 0 do të jepte Ω = 1, siç kërkohet në modelet inflacioniste, me kusht që konstanta kozmologjike të jetë
Duke përdorur vlerat numerike H 0 = 75 ± 25 km∙s −1 ∙Mpc −1 dhe Ω 0,obs = 0,2 ± 0,1 çon në
Λ= (1,6 ± 1,1)∙10 −56 cm −2. Një densitet i energjisë vakum që korrespondon me këtë vlerë mund të zgjidhë kontradiktën midis vlerës së vëzhguar të parametrit të densitetit dhe vlerës Ω = 1 të kërkuar nga teoritë moderne.
Përveç futjes së një konstante kozmologjike jozero, ka modele të tjera që heqin të paktën disa nga problemet pa përfshirë hipotezën e materies së errët.
Teoria MOND (Dinamika Njutoniane e Modifikuar)
Kjo teori supozon se ligji i gravitetit ndryshon nga forma e zakonshme Njutoniane dhe është si më poshtë:
Në këtë rast, forca tërheqëse do të jetë më e madhe dhe duhet të kompensohet nga një lëvizje periodike më e shpejtë, e cila mund të shpjegojë sjelljen e sheshtë të kthesave të rrotullimit.
Konstanta gravitacionale e varur nga koha
Varësia kohore e konstantës gravitacionale G(t) mund të ketë një rëndësi të madhe për procesin e formimit të galaktikave. Megjithatë, deri më tani matjet e sakta nuk kanë dhënë ndonjë tregues të ndryshimit të përkohshëm të G.Letërsia
- G.V. Clapdohr-Kleingrothaus, A. Staudt "Fizika e grimcave jo-përshpejtuese".
- C. Naranyan. "Astrofizika e përgjithshme dhe kozmologjia".
- Bottino A. et al., 1994, Astropart. Fiz., 2, 67, 77.
Gjithçka që shohim rreth nesh (yjet dhe galaktikat) nuk është më shumë se 4-5% e masës totale në Univers!
Sipas teorive moderne kozmologjike, Universi ynë përbëhet nga vetëm 5% e materies së zakonshme, të ashtuquajtur barionike, e cila formon të gjitha objektet e vëzhgueshme; 25% e materies së errët të zbuluar për shkak të gravitetit; dhe energjia e errët, që përbën deri në 70% të totalit.
Termat energji e errët dhe materie e errët nuk janë plotësisht të suksesshme dhe përfaqësojnë një përkthim të mirëfilltë, por jo semantik nga anglishtja.
Në një kuptim fizik, këto terma nënkuptojnë vetëm se këto substanca nuk ndërveprojnë me fotonet, dhe ato mund të quhen po aq lehtësisht materie dhe energji të padukshme ose transparente.
Shumë shkencëtarë modernë janë të bindur se kërkimi që synon studimin e energjisë dhe materies së errët ka të ngjarë të ndihmojë në përgjigjen e pyetjes globale: çfarë e pret Universin tonë në të ardhmen?
Grumbullon madhësinë e një galaktike
Lënda e errët është një substancë që ka shumë të ngjarë të përbëhet nga grimca të reja që janë ende të panjohura në kushtet tokësore dhe ka veti të qenësishme në vetë materien e zakonshme. Për shembull, ai është gjithashtu i aftë, si substancat e zakonshme, të grumbullohet në tufa dhe të marrë pjesë në ndërveprimet gravitacionale. Por madhësia e këtyre të ashtuquajturave tufa mund të tejkalojë një galaktikë të tërë apo edhe një grumbull galaktikash.
Qasje dhe metoda për studimin e grimcave të materies së errët
Për momentin, shkencëtarët në mbarë botën po përpiqen në çdo mënyrë të mundshme të zbulojnë ose të marrin artificialisht grimca të materies së errët në kushte tokësore, duke përdorur pajisje ultra-teknologjike të zhvilluara posaçërisht dhe shumë metoda të ndryshme kërkimi, por deri më tani të gjitha përpjekjet e tyre nuk janë kurorëzuar. me sukses.
Një metodë përfshin kryerjen e eksperimenteve në përshpejtuesit me energji të lartë, të njohur zakonisht si përplasës. Shkencëtarët, duke besuar se grimcat e materies së errët janë 100-1000 herë më të rënda se një proton, supozojnë se ato do të duhet të krijohen në përplasjen e grimcave të zakonshme të përshpejtuara në energji të larta përmes një përplasësi. Thelbi i një metode tjetër është regjistrimi i grimcave të lëndës së errët që gjenden rreth nesh. Vështirësia kryesore në regjistrimin e këtyre grimcave është se ato shfaqin ndërveprim shumë të dobët me grimcat e zakonshme, të cilat janë në thelb transparente për to. E megjithatë, grimcat e materies së errët përplasen shumë rrallë me bërthamat atomike dhe ka njëfarë shprese për ta regjistruar këtë fenomen herët a vonë.
Ka qasje dhe metoda të tjera për studimin e grimcave të materies së errët dhe vetëm koha do të tregojë se cila do të jetë e para që do të ketë sukses, por në çdo rast, zbulimi i këtyre grimcave të reja do të jetë një arritje e madhe shkencore.
Substanca me anti-gravitet
Energjia e errët është një substancë edhe më e pazakontë se materia e errët. Nuk ka aftësinë të grumbullohet në grumbuj, si rezultat i të cilave shpërndahet në mënyrë të barabartë në të gjithë Universin. Por vetia e tij më e pazakontë për momentin është antigraviteti.
Natyra e materies së errët dhe vrimave të zeza
Falë metodave moderne astronomike, është e mundur të përcaktohet shkalla e zgjerimit të Universit në kohën e tanishme dhe të simulohet procesi i ndryshimit të tij më herët në kohë. Si rezultat i kësaj, u mor informacion se për momentin, si dhe në të kaluarën e afërt, Universi ynë po zgjerohet, dhe ritmi i këtij procesi është vazhdimisht në rritje. Kjo është arsyeja pse u ngrit hipoteza për antigravitetin e energjisë së errët, pasi tërheqja e zakonshme gravitacionale do të kishte një efekt ngadalësues në procesin e "shpërndarjes së galaktikave", duke kufizuar shkallën e zgjerimit të Universit. Ky fenomen nuk bie ndesh me teorinë e përgjithshme të relativitetit, por energjia e errët duhet të ketë presion negativ - një veti që nuk e ka asnjë substancë e njohur aktualisht.
Kandidatët për rolin e "Energjisë së Errët"
Masa e galaktikave në grumbullimin Abel 2744 është më pak se 5 përqind e masës totale të saj. Ky gaz është aq i nxehtë sa që shkëlqen vetëm në rrezet X (e kuqe në këtë imazh). Shpërndarja e materies së errët të padukshme (e cila përbën rreth 75 për qind të masës së grupit) është me ngjyrë blu.
Një nga kandidatët e supozuar për rolin e energjisë së errët është vakuumi, dendësia e energjisë e të cilit mbetet e pandryshuar gjatë zgjerimit të Universit dhe në këtë mënyrë konfirmon presionin negativ të vakumit. Një tjetër kandidat i supozuar është "kuintesenca" - një fushë ultra e dobët e panjohur më parë që supozohet se kalon nëpër të gjithë Universin. Ka edhe kandidatë të tjerë të mundshëm, por asnjëri prej tyre deri më tani nuk ka kontribuar për të marrë një përgjigje të saktë në pyetjen: çfarë është energjia e errët? Por tashmë është e qartë se energjia e errët është diçka krejtësisht e mbinatyrshme, duke mbetur misteri kryesor i fizikës themelore të shekullit të 21-të.
MOSKË, 12 dhjetor - RIA Novosti. Sasia e materies së errët në Univers është ulur me rreth 2-5%, gjë që mund të shpjegojë mospërputhjet në vlerat e disa parametrave të rëndësishëm kozmologjikë gjatë Big Bengut dhe sot, thonë kozmologët rusë në një punim të botuar në revistën Physical Review. D.
“Le të imagjinojmë se materia e errët përbëhet nga disa përbërës, si materia e zakonshme dhe një komponent përbëhet nga grimca të paqëndrueshme, jetëgjatësia e të cilave është mjaft e gjatë: në epokën e formimit të hidrogjenit, qindra mijëra vjet pas Big Bengut, ato janë ende në. Universi, por sot ato tashmë janë zhdukur, duke u zbërthyer në neutrino ose grimca hipotetike relativiste, atëherë sasia e materies së errët në të kaluarën dhe sot do të jetë e ndryshme, "tha Dmitry Gorbunov nga Instituti i Fizikës dhe Teknologjisë në Moskë, fjalët e të cilit citohen. nga shërbimi i shtypit i universitetit.
Lënda e errët është një substancë hipotetike që manifestohet ekskluzivisht përmes ndërveprimit gravitacional me galaktikat, duke futur shtrembërime në lëvizjen e tyre. Grimcat e lëndës së errët nuk ndërveprojnë me asnjë lloj rrezatimi elektromagnetik, dhe për këtë arsye nuk mund të zbulohen gjatë vëzhgimeve të drejtpërdrejta. Lënda e errët përbën rreth 26% të masës së universit, ndërsa materia "e zakonshme" përbën vetëm rreth 4.8% të masës së saj - pjesa tjetër është energjia e errët po aq misterioze.
Vëzhgimet e shpërndarjes së materies së errët në qoshet më të afërta dhe më të largëta të universit, të kryera duke përdorur teleskopë me bazë në tokë dhe sondë Planck, zbuluan kohët e fundit një gjë të çuditshme - rezultoi se shkalla e zgjerimit të Universit dhe disa veti të “jehona” e Big Bengut në të kaluarën e largët dhe sot është dukshëm e ndryshme. Për shembull, sot galaktikat po fluturojnë larg njëra-tjetrës shumë më shpejt se sa del nga rezultatet e analizës së rrezatimit të sfondit të mikrovalës kozmike.
Gorbunov dhe kolegët e tij gjetën një arsye të mundshme për këtë.
Një vit më parë, një nga autorët e artikullit, akademiku Igor Tkachev nga Instituti i Fizikës Bërthamore të Akademisë së Shkencave Ruse në Moskë, formuloi një teori të të ashtuquajturës materies së errët në kalbje (DDM), në të cilën, ndryshe nga përgjithësisht. teoria e pranuar e "materies së errët të ftohtë" (CDM), një pjesë ose të gjitha grimcat e saj janë të paqëndrueshme. Këto grimca, siç sugjerohet nga Tkachev dhe bashkëpunëtorët e tij, duhet të prishen mjaft rrallë, por në sasi të dukshme, në mënyrë që të shkaktojnë devijime midis Universit të ri dhe atij modern.
Në punën e tyre të re, Tkachev, Gorbunov dhe kolegu i tyre Anton Chudaikin u përpoqën të llogarisin se sa materia e errët duhet të jetë kalbur, duke përdorur të dhënat e mbledhura nga Planck dhe observatorë të tjerë që studiuan rrezatimin kozmik të sfondit mikrovalor dhe galaktikat e para të Universit.
Siç treguan llogaritjet e tyre, prishja e materies së errët me të vërtetë mund të shpjegojë pse rezultatet e vëzhgimeve të kësaj substance duke përdorur Planck nuk korrespondojnë me vëzhgimet e grupimeve të galaktikave më të afërta me ne.
Është interesante se kjo kërkon prishjen e një sasie relativisht të vogël të materies së errët - nga 2.5 në 5% të masës së saj totale, sasia e së cilës është pothuajse e pavarur nga vetitë themelore që duhet të ketë Universi. Tani, siç shpjegojnë shkencëtarët, e gjithë kjo lëndë është kalbur dhe pjesa tjetër e materies së errët, e qëndrueshme në natyrë, sillet siç përshkruhet nga teoria CDM. Nga ana tjetër, është gjithashtu e mundur që ajo të vazhdojë të kalbet.
“Kjo do të thotë se në Universin e sotëm ka 5% më pak materie të errët se sa ishte në epokën e formimit të molekulave të para të hidrogjenit dhe heliumit pas lindjes së Universit, tani nuk mund të themi se sa shpejt u prish kjo pjesë e paqëndrueshme është e mundur që materia e errët të vazhdojë të kalbet dhe tani, megjithëse ky është një model tjetër, shumë më kompleks”, përfundon Tkachev.
