Temná hmota a temná energia vo vesmíre. 5. Tmavá hmota

Temná hmota a temná energia vo vesmíre

Valery Anatolyevich Rubakov,
Inštitút pre jadrový výskum, RAS, Moskva, Rusko

Prezentácia prednášky (pdf, 2 MB)

Stiahnuť video (avi): Časť 1 (180 MB), Časť 2 (210 MB), Časť 3 (250 MB)

  • 1. Úvod
  • 2. Rozšírenie vesmíru
  • 3. Vesmír v minulosti
  • 4. Rovnováha energií v modernom vesmíre
  • 5. Tmavá hmota
  • 6. Tmavá energia
  • 7. Záver

5. Tmavá hmota

Tmavá hmota je podobná obyčajnej hmoty v tom zmysle, že je schopná zhromažďovať sa do zrazenín (približne galaxií alebo galaxií) a podieľa sa na gravitačných interakciách rovnakým spôsobom ako bežná hmota. S najväčšou pravdepodobnosťou pozostáva z nových častíc, ktoré nie sú otvorené v podmienkach zeme.

Obr. 6. Gravity lensing

Okrem kozmologických údajov merania gravitačného poľa v zhlukoch galaxií a galaxií uprednostňujú existenciu temnej hmoty. Existuje niekoľko spôsobov, ako merať gravitačné pole v zhlukoch galaxií, z ktorých jedna je gravitačná šošovka, ilustrovaná v Obr. 6.

Gravitačné pole clusteru ohýba lúče svetla emitované galaxií za hviezdou, t.j. gravitačné pole pôsobí ako šošovka.Niekedy však existuje niekoľko obrazov tejto vzdialenej galaxie; na ľavej polovici obr. 6 sú modré. Zakrivenie svetla závisí od rozloženia hmotnosti v klastri bez ohľadu na to, ktoré častice vytvárajú túto hmotnosť. Takto získaná distribúcia hmotnosti je uvedená v pravom polčase na obr. 6 modrá; možno vidieť, že je veľmi odlišný od distribúcie svetelnej látky. Takto merané hmoty zhlukov galaxií sú v súlade so skutočnosťou, že tmavá hmota dáva okolo 25% celkovej energetickej hustoty vo vesmíre. Pripomeňme si, že toto číslo sa získa porovnaním teórie tvorby štruktúr (galaxií, zhlukov) s pozorovaním.

Obr. 7

Temná hmota existuje v galaxiách. To zase vyplýva z meraní gravitačného poľa, teraz v galaxiách a ich okolí. Čím silnejšie je gravitačné pole, tým rýchlejšie sa hviezdy a plynové mraky otáčajú okolo galaxie, takže meranie rýchlostí otáčania v závislosti od vzdialenosti od stredu galaxie umožňuje obnoviť rozloženie hmoty v tejto galaxii. Toto je ilustrované v Obr. 7: so vzdialenosťou od stredu galaxie sa rýchlosť obehu neznižuje,čo naznačuje, že v galaxii, ktorá je ďaleko od svojej svetelnej časti, je tmavá hmota bez svetiel. V našej Galaxii v blízkosti Slnka sa hmotnosť temnej hmoty približne rovná hmotnosti bežnej hmoty.

Čo sú častice temnej hmoty? Je zrejmé, že tieto častice by sa nemali rozkladať na iné, ľahšie častice, inak by sa počas života vesmíru rozpadli. Táto skutočnosť sama o sebe naznačuje, že v prírode pôsobí novýešte nie je otvorená zákon o ochrane prírodyzakazujúce rozpad týchto častíc. Analógia je tu s právom zachovania elektrického náboja: elektrón je najľahšia častica s elektrickým nábojom a preto sa nerozkladá do ľahších častíc (napríklad neutrín a fotónov). Ďalej častice tmavej hmoty interagujú veľmi slabo s našou substanciou, inak by už boli objavené v pozemských experimentoch. Potom začína oblasť hypotéz. Najpravdepodobnejšia (ale ďaleko od jediného!) Je hypotéza, že častice tmavej hmoty sú 100 až 1000 krát ťažšie ako protón a ich interakcia s bežnou hmotou je porovnateľná intenzitou s neutrínovými interakciami.Je to v rámci tejto hypotézy, že moderná hustota temnej hmoty nájde jednoduché vysvetlenie: častice temnej hmoty sa vo veľmi rannom vesmíre intenzívne narodili a zničili pri extrémne vysokých teplotách (asi 1015 stupňov) a časť z nich žila dodnes. So špecifikovanými parametrami týchto častíc sa ich moderné množstvo vo vesmíre získa tak, ako by malo byť.

Môžeme očakávať objavenie častíc tmavej hmoty v blízkej budúcnosti za suchozemských podmienok? Pretože dnes nepoznáme povahu týchto častíc, nie je možné jednoznačne odpovedať na túto otázku. Vyhliadky sa však zdajú byť veľmi optimistické.

Existuje niekoľko spôsobov, ako vyhľadávať častice temnej hmoty. Jeden z nich je spojený s experimentmi na budúcich vysokoenergetických urýchľovačoch – zrážadlách. Ak sú častice tmavej hmoty naozaj ťažšie ako proton 100-1000 krát, potom sa budú narodiť v kolíziách bežných častíc zrýchlených pri kolíkov k vysokým energiám (energia dosiahnutá na existujúcich zrážadlách nestačí na to). Bezprostredné vyhliadky tu súvisia s výstavbou Large Hadron Collider (LHC) v Medzinárodnom centre CERNu v Ženeve, kde budú prijaté prototypové lúče 7×7 Teraelectronvolts.Treba povedať, že podľa dnešných populárnych hypotéz sú častice temnej hmoty iba jedným predstaviteľom novej rodiny elementárnych častíc, takže spolu s objavením sa častíc tmavej hmoty možno dúfať, že sa objaví celá trieda nových častíc a nové interakcie s urýchľovačmi. Cosmológia naznačuje, že svet elementárnych častíc zďaleka nie je vyčerpaný "tehálmi", ktoré sú dnes známe!

Ďalším spôsobom je registrácia častíc tmavej hmoty, ktoré lietajú okolo nás. V žiadnom prípade nie sú malé: s hmotnosťou rovnajúcou sa 1000 protónovým hmotám, tieto častice by tu a teraz mali byť 1000 kusov na kubický meter. Problémom je, že veľmi slabo reagujú s bežnými časticami, látka je pre ne transparentná. Častice temnej hmoty sa však niekedy zrazia s atómovými jadrami a tieto zrážky sa dúfajú, že sa zaregistrujú. Vyhľadávanie v tomto smere sa uskutočňuje pomocou niekoľkých vysoko citlivých detektorov umiestnených hlboko pod zemou, kde je pozadie z kozmického žiarenia ostre redukované.

Obr. 8

Napokon, ešte jedna cesta súvisí s registráciou produktov ničenia čiernych častíc medzi sebou.Tieto častice by sa mali zhromažďovať v strede Zeme a uprostred Slnka (látka pre nich je takmer transparentná a môžu spadnúť do Zeme alebo do Slnka). Tam sa navzájom zničí a súčasne sa vytvárajú aj iné častice, vrátane neutrín. Tieto neutríny voľne prechádzajú cez hrúbku Zeme alebo Slnka a môžu byť registrované so špeciálnymi inštaláciami – neutrino teleskopy. Jeden z týchto neutrino teleskopov je umiestnený hlboko v jazere Baikal (NT-200, Obr. 8), ďalší (AMANDA) – hlboko v ľade na južnom póle.

Obr. 9

Ako je zobrazené v Obr. 9, neutrino, prichádzajúce napríklad zo stredu Slnka, môže s malou pravdepodobnosťou zažiť interakciu vo vode, v dôsledku čoho sa vytvorí nabitá častica (muón), z ktorej je registrované svetlo. Keďže interakcia neutrín s hmotou je veľmi slabá, pravdepodobnosť takejto udalosti je malá a vyžadujú sa veľmi veľké detektory. Teraz bola na južnom póle zahájená výstavba detektora 1 kubický kilometer.

Existujú ďalšie prístupy k hľadaniu častíc tmavej hmoty, napríklad hľadanie produktov ich vyhladzovania v centrálnej oblasti našej galaxie.Ktorý z týchto spôsobov povedie k úspechu ako prvý, čas to povie, ale v každom prípade objavenie týchto nových častíc a štúdium ich vlastností bude najdôležitejším vedeckým úspechom. Tieto častice nám povedia o vlastnostiach vesmíru v 10-9 s (jedna miliardtina sekundy!) po Veľkom tresku, keď bola teplota Vesmíru 1015 stupňov a častíc tmavej hmoty intenzívne interagovali s kozmickou plazmou.


Like this post? Please share to your friends:
Temná hmota a temná energia vo vesmíre ">
Pridaj komentár

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: