Lielāko daļu Visuma veido “matērija”, kuru nevar saskatīt, iespējams, nebūtiska, un mijiedarbojas ar citām lietām tikai ar gravitācijas spēka palīdzību. Ak, jā, un fiziķi nezina, kas tas ir vai kāpēc Visumā to ir tik daudz - apmēram četras piektdaļas no tā masas.
Zinātnieki to sauc par tumšo vielu.
Tātad, kur ir šī noslēpumainā lieta, kas veido tik milzīgu mūsu Visuma gabalu, un kad zinātnieki to atklās?
Kā mēs zinām, ka šī lieta pastāv
Tumšās matērijas hipotēzi pirmo reizi izvirzīja Šveices astronoms Fritz Zwicky pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados, kad viņš saprata, ka viņa veiktie galaktiku kopu masu mērījumi parāda, ka daļa no Visuma masām ir “pazudusi”. Neatkarīgi no tā, kas padara galaktikas par smagākām, tas neizstaro gaismu, kā arī ne mijiedarbojas ar neko citu kā tikai caur gravitācijas spēku.
Astronome Vera Rubina septiņdesmitajos gados atklāja, ka galaktiku rotācija neseko Ņūtona kustības likumam; Zvaigznes galaktikās (it īpaši Andromeda) likās, ka rotē ap centru ar tādu pašu ātrumu, bet tās, kas atrodas tālāk no zvaigznes, pārvietojas lēnāk. It kā kaut kas palielina galaktikas ārējo daļu masu, ko neviens nevarēja redzēt.
Pārējie pierādījumi nāk no gravitācijas objektīva, kas rodas, kad liela objekta smagums liek objektam gaismas viļņus. Saskaņā ar Alberta Einšteina vispārējās relativitātes teoriju, gravitācija saliek telpu (piemēram, sumo cīkstonis var deformēt paklāju, uz kura atrodas), lai gaismas stari saliektos ap lieliem objektiem, kaut arī gaisma pati par sevi ir bezsvara. Novērojumi parādīja, ka nebija pietiekami daudz redzamas masas, lai saliektu gaismu, kā tas notika ap atsevišķām galaktiku kopām - citiem vārdiem sakot, galaktikas bija masīvākas, nekā tām vajadzētu būt.
Reklāmas video:
Tad seko relikvijas starojums (CMB), Lielā sprādziena un supernovu “atbalss”. "CMB mums saka, ka Visums ir telpiski līdzens," sacīja Havaju Universitātes fizikas profesors Džeisons Kumars. “Telpiski plakana” nozīmē, ka, ja caur Visumu novelk divas līnijas, tās nekad nekrustojas, pat ja līnijas būtu miljardiem gaismas gadu šķērsām. Strauji izliektā Visumā šīs līnijas kādā kosmosa vietā tiksies.
Tagad kosmologu un astronomu vidū ir nelielas diskusijas par to, vai tumšā matērija pastāv. Tas neietekmē gaismu, un tas nav uzlādēts tāpat kā elektroni vai protoni. Līdz šim tā ir izvairījusies no tiešas atklāšanas.
"Tas ir noslēpums," sacīja Kumars. Var būt veidi, kā zinātnieki ir mēģinājuši "redzēt" tumšo matēriju - vai nu caur tās mijiedarbību ar parasto matēriju, vai arī meklējot daļiņas, kas varētu būt tumšā matērija.
Kas nav tumšā matērija
Ir nākušas un gājušas daudzas teorijas par to, kas ir tumšā matērija. Viens no pirmajiem bija diezgan loģisks: jautājums tika paslēpts masīvos astrofiziskos kompaktajos halo objektos (MACHO), piemēram, neitronu zvaigznēs, melnajos caurumos, brūnajos punduros un negodīgajās planētās. Tie neizstaro gaismu (vai arī izstaro ļoti maz), tāpēc teleskopiem tie ir praktiski neredzami.
Tomēr, izpētot MACHO radītās galaktikas, kas meklē nelielus zvaigžņu gaismas izkropļojumus, dodoties garām - to sauc par mikrolēcienu -, nevarēja izskaidrot tumšās vielas daudzumu ap galaktikām vai pat to daudz. "Šķiet, ka MACHO ir tikpat izslēgti kā jebkad," sacīja Dan Hooper, asociētais pētnieks Fermi Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā Ilinoisā.
Tumšā matērija nešķiet kā gāzes mākonis, ko nevar redzēt caur teleskopiem. Difūzā gāze absorbēs gaismu no tālākajām galaktikām, un tās augšpusē parastā gāze atkārtoti izstaros starojumu ar lielāku viļņu garumu - debesīs būs milzīgs infrasarkanās gaismas izstarojums. Tā kā tas nenotiek, mēs to varam izslēgt.
Kas tas varētu būt
Vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas (WIMP) ir vieni no spēcīgākajiem pretendentiem tumšās matērijas skaidrošanā. Wimps ir smagas daļiņas - apmēram 10 līdz 100 reizes smagākas par protonu, kas tika izveidotas Lielā sprādziena laikā un mūsdienās paliek nelielā skaitā. Šīs daļiņas mijiedarbojas ar normālu vielu caur gravitācijas spēku un vājiem kodolieročiem. Masīvāki WIMP pārvietojas lēnāk caur kosmosu, un tāpēc tie var būt “aukstas” tumšās vielas kandidāti, savukārt vieglāki pārvietojas ātrāk un ir “siltas” tumšās vielas kandidāti.
Viens veids, kā tos atrast, ir, izmantojot “tiešu atklāšanu”, piemēram, eksperimentu ar lielu pazemes ksenonu (LUX), kas ir šķidrā ksenona trauks Dienviddakotas raktuvēs.
Vēl viens veids, kā redzēt vītnes, varētu būt ar daļiņu paātrinātāju. Paātrinātāju iekšienē atomu kodoli tiek sadalīti ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, un procesā šī sadursmes enerģija tiek pārveidota citās daļiņās, dažas no tām zinātnei ir jaunas. Līdz šim daļiņu paātrinātājos nekas nav atrasts, kas izskatās pēc domājamās tumšās vielas.
Vēl viena iespēja: aksiāļi. Šīs subatomiskās daļiņas var netieši noteikt ar izstarojuma veidiem, kā tās iznīcina vai kā tās sadalās cita veida daļiņās vai parādās daļiņu paātrinātājos. Tomēr arī tiešu pierādījumu par aksiācijām nav.
Tā kā smago, lēno "auksto" daļiņu, piemēram, vītņu vai aksiāciju, atklāšana vēl nav devusi rezultātus, daži zinātnieki izskata iespēju, ka gaismas, ātrāk pārvietojas daļiņas, kuras rada "siltu" tumšo vielu. Ir atjaunota interese par šādu tumšās matērijas modeli pēc tam, kad zinātnieki atrada pierādījumus par nezināmām daļiņām, izmantojot Čandras rentgenstaru observatoriju Persijas klasterī - galaktiku grupā, kas atrodas aptuveni 250 miljonu gaismas gadu attālumā no Zemes. Šajā klasterī zināmie joni rada noteiktas rentgena izstarošanas līnijas, un 2014. gadā zinātnieki ieraudzīja jaunu “līniju”, kas varētu atbilst nezināmai gaismas daļiņai.
Ja tumšās vielas daļiņas ir gaišas, zinātniekiem būs grūti tos tieši atrast, sacīja MIT fiziķis Traceijs Slaters. Viņa ierosināja jaunus daļiņu veidus, kas var veidot tumšo vielu.
"Tumšo vielu, kuras masa ir mazāka par 1 GeV, patiešām ir grūti noteikt ar standarta tiešās noteikšanas eksperimentiem, jo tie darbojas, meklējot neizskaidrojamas atomu kodolu atkārtotas parādības … bet, kad tumšā viela ir daudz vieglāka nekā atoma kodols, atsitiena enerģija ir ļoti maza," sacīja Tracy. Slaters.
Tumšās vielas meklējumos ir veikts daudz pētījumu, un, ja pašreizējās metodes neizdodas, tiks veiktas jaunas. “Šķidra” šķidra hēlija izmantošana, pusvadītāji un pat ķīmisko saišu pārraušana kristālos ir dažas no jaunajām idejām tumšās vielas noteikšanai.