Термините тъмна енергия и тъмна материя не са напълно успешни и представляват буквален, но не и семантичен превод от английски. Във физическия смисъл тези термини означават само, че тези вещества не взаимодействат с фотоните и те също толкова добре биха могли да се нарекат невидима или прозрачна материя и енергия.
Тъмната материя в астрономията и космологията, както и в теоретичната физика, е хипотетична форма на материята, която не излъчва и не взаимодейства с електромагнитно излъчване. Това свойство на тази форма на материята прави прякото й наблюдение невъзможно.
Изводът за съществуването на тъмна материя е направен на базата на множество, съгласувани помежду си, но косвени признаци на поведението на астрофизичните обекти и гравитационните ефекти, които те създават. Откриването на природата на тъмната материя ще помогне за решаването на проблема със скритата маса, която по-специално се крие в необичайно високата скорост на въртене на външните области на галактиките.
Нека разберем повече за всичко това …
Тъмната материя и тъмната енергия не са видими за окото, но тяхното присъствие е доказано чрез наблюдения на Вселената. Преди милиарди години нашата Вселена се роди след катастрофален Голям взрив. Докато ранната Вселена бавно се охлаждаше, животът започва да се развива в нея. В резултат на това са се образували звезди, галактики и други видими части от нея. Размерът на нашата Вселена е просто потресаващ. Например, едно Слънце е достатъчно за осветяване и загряване на милион планети като Земята. В този случай Слънцето е средно голяма звезда, а нашата галактика сама се състои от 100 милиарда звезди. Това число надвишава броя на пясъчните зърна на малък плаж. Това обаче не е всичко.
Както знаете, Вселената се състои от няколко милиарда галактики, където има разнообразие от материя. Възможно ли е някой от тези въпроси да е невидим за окото. Най-вероятно, тъй като резултатите от последните изследвания показват, че можем да видим само една десета част от Вселената. Това означава, че повече от 90% от материята просто не е в състояние да бъде изследвана от човек, дори при използването на специално оборудване. Астрономите наричат този въпрос тъмен.
Известно е, че тъмната материя взаимодейства с "светеща" (барионна), поне по гравитационен начин, и е среда със средна космологична плътност, няколко пъти по-висока от плътността на барионите. Последните се улавят в гравитационните ями с концентрация на тъмна материя. Следователно, въпреки че частиците на тъмната материя не взаимодействат със светлината, светлината се излъчва от мястото, където има тъмна материя. Това забележително свойство на гравитационната нестабилност дава възможност да се изследва количеството, състоянието и разпределението на тъмната материя от данни за наблюдение от радиочестота до рентгенови лъчи.
Промоционално видео:
Публикувано през 2012 г., изследване на движението на повече от 400 звезди, разположени на разстояния до 13 000 светлинни години от Слънцето, не намери данни за наличието на тъмна материя в голям обем пространство около Слънцето. Според прогнозите на теориите, средното количество тъмна материя в околностите на Слънцето трябвало да е около 0,5 кг в обема на Земята. Измерванията обаче дават стойност от 0,00 ± 0,06 kg тъмна материя в този обем. Това означава, че опитите за регистриране на тъмна материя на Земята, например, с редки взаимодействия на частици от тъмна материя с "обикновена" материя, едва ли могат да бъдат успешни.
Според наблюденията на космическата обсерватория Планк, публикувани през март 2013 г., тълкувани като вземат предвид стандартния космологичен модел Ламбда-CDM, общата масова енергия на наблюдаваната Вселена е 4,9% от обикновената (барионова) материя, 26,8% от тъмната материя и 68,3% от тъмната енергия. Така Вселената е 95,1% съставена от тъмна материя и тъмна енергия.
Доказателството за съществуването на тъмна материя е нейната тежест - силата на гравитацията, която подобно на лепилото поддържа целостта на Вселената. Всички части на Вселената взаимно се привличат една към друга. Благодарение на това учените успяха да изчислят общата маса на видимата Вселена, както и показатели на гравитационните сили. По време на изчисленията беше разкрит значителен дисбаланс в тези параметри, което даде основание да се смята, че има някаква невидима материя, която има определена маса и също подлежи на гравитация.
Изследването на тъмната материя Освен това доказателство за съществуването на тъмна материя е нейното гравитационно влияние върху други обекти, включително траекторията на движение на звезди и галактики. Установено е, че много галактики се въртят по-бързо от очакваното. Според теорията на А. Айнщайн за гравитацията те трябва да летят в различни посоки. Обаче нещо невидимо изглежда ги държи заедно.
Също така тъмната материя може да повлияе на пътя на разпространението на светлината. Беше изследван феноменът на гравитационните лещи, който се състои в това, че плътните предмети са в състояние да отразяват светлината на отдалечени обекти, променяйки траекторията на светлинните потоци. Това води до изкривяване на изображението и поява на миражи на звезди и галактики. Учените записват тези светлинни завои, но не могат да назоват естеството на това явление.
Тъмната материя в нашата Вселена може да съществува под формата на масивни астрономически ореоли (MAGOs). Те включват планети, луни, кафяви и бели джуджета, прашни облаци, неутронни звезди и черни дупки. По правило те са твърде малки, за да може светлината им да бъде открита от хората, обаче тяхното съществуване може да се изчисли чрез гравитационния ефект върху светлинните потоци. През последните години астрономите откриха няколко вида обекти на MAGO. Те могат да се състоят както от обикновени барионни частици, така и от аксини, неутрини, wimpils и свръхсиметрична тъмна материя.
Изследване на тъмната материя и тъмната енергия
Тъй като интересът към тъмната материя продължава да нараства, се появяват нови инструменти, които да помогнат за по-широка представа за това мистериозно явление. Например космическият телескоп Хъбъл предостави много ценна информация за размера и масата на видимата Вселена. Тези данни бяха първата и много важна стъпка към изследването на истинското количество тъмна материя във Вселената.
Важно е да разберете, че структурата на Вселената не е случайна и с помощта на Хъбъл можете да представите подробно нейната структура. Сигурно е известно, че галактиките са разположени в клъстери, а тези клъстери са в супер клъстери. Суперклъстерите на космическите тела са разположени в гъбеста структура с обширни празнини. Очевидно формирането на такава структура се дължи на много конкретни причини. Рентгеновите телескопи в обсерваторията Чандра помагат за изследване на огромните облаци горещ газ в тези групи. Учените откриха, че в тези области трябва да присъства и тъмна материя, в противен случай газът ще излезе от клъстера. Освен това в момента се разработват нови инструменти, които в крайна сметка ще помогнат да се разбере тази тъмна страна на Вселената.
Подходи и методи за изучаване на частици от тъмна материя
В момента учени по целия свят се опитват по всякакъв начин да открият или изкуствено да получат частици от тъмна материя в земни условия, използвайки специално проектирано супертехнологично оборудване и много различни методи на научно изследване, но досега всички работи не са увенчани с успех.
От какво е изградена Вселената
Един от методите включва провеждане на експерименти върху ускорители с висока енергия, известни като колиери. Учените, вярвайки, че частиците от тъмната материя са 100-1000 пъти по-тежки от протона, предполагат, че те ще трябва да бъдат генерирани, когато обикновените частици се сблъскат, ускорявайки се до високи енергии от коллайдер. Същността на друг метод е да регистрира частици от тъмна материя, които са навсякъде около нас. Основната трудност при регистрирането на тези частици е, че те проявяват много слабо взаимодействие с обикновени частици, които по своята същност са прозрачни за тях. И все пак частиците от тъмна материя много рядко, но се сблъскват с атомни ядра и има известна надежда, рано или късно, да се регистрира това явление.
Има и други подходи и методи за изучаване на частици от тъмна материя и кой от тях първо ще доведе до успех, само времето ще покаже, но при всички случаи откриването на тези нови частици ще бъде голямо научно постижение.
Антигравитационно вещество
Тъмната енергия е още по-необичайна субстанция от същата тъмна материя. Той няма способността да се събира в бучки, в резултат на което е равномерно разпределен абсолютно в цялата Вселена. Но най-необичайното му свойство в момента е антигравитацията.
Благодарение на съвременните астрономически методи е възможно да се определи скоростта на разширяване на Вселената понастоящем и да се симулира процеса на нейната промяна по-рано във времето. В резултат на това беше получена информация, че в момента, както и в близкото минало, нашата Вселена се разширява, докато темпът на този процес непрекъснато се увеличава. Ето защо се появи хипотезата за антигравитацията на тъмната енергия, тъй като обичайното гравитационно привличане би имало забавящ ефект върху процеса на "рецесия на галактиките", ограничавайки скоростта на разширяване на Вселената. Това явление не противоречи на общата теория на относителността, но в същото време тъмната енергия трябва да има отрицателно налягане - свойство, което никоя от известните в момента вещества не притежава.
Кандидати за ролята на „Тъмната енергия“
Масата на галактиките в клъстера Abel 2744 е по-малко от 5 процента от общата му маса. Този газ е толкова горещ, че свети само в рентгеновия диапазон (червен на това изображение). Разпределението на невидимата тъмна материя (съставляващо около 75 процента от масата на този клъстер) е оцветено в синьо.
Един от предполагаемите кандидати за ролята на тъмната енергия е вакуумът, енергийната плътност на който остава непроменена по време на разширяването на Вселената и по този начин потвърждава отрицателното налягане на вакуума. Друг предполагаем кандидат е "квинтесенцията" - неизследвано дотогава свръхслабено поле, което уж минава през цялата Вселена. Има и други възможни кандидати, но нито един от тях в момента не е допринесъл за получаването на точен отговор на въпроса: какво е тъмна енергия? Но вече е ясно, че тъмната енергия е нещо напълно свръхестествено, което остава основната загадка на фундаменталната физика на 21 век.