Mørk materie og mørk energi i universet. 5. Mørk stof

Mørk stof og mørk energi i universet

Valery Anatolyevich Rubakov,
Institut for Kerneforskning, RAS, Moskva, Rusland

Præsentation af forelæsningen (pdf, 2 Mb)

Download video (AVI): Del 1 (180 MB), Del 2 (210 MB), Del 3 (250 MB)

  • 1. Introduktion
  • 2. Udvidende univers
  • 3. Universet i fortiden
  • 4. Energibalance i det moderne univers
  • 5. Mørk stof
  • 6. Mørk energi
  • 7. Konklusion

5. Mørk stof

Mørk materiel er beslægtet med almindeligt materiale i den forstand, at det er i stand til at samle sig i blodpropper (omkring størrelsen af ​​en galakse eller en klynge af galakser) og deltager i gravitationsinteraktioner på samme måde som almindeligt materiale. Mest sandsynligt består den af ​​nye partikler, der ikke er åbne i jordens forhold.

Fig. 6. Gravity lensing

Foruden kosmologiske data favoriserer målinger af gravitationsfeltet i klynger af galakser og i galakser forekomsten af ​​mørkt stof. Der er flere måder at måle gravitationsfeltet i klynger af galakser, hvoraf den ene er gravitationslinser, illustreret i Fig. 6.

Klyngens gravitationsfelt bøjer lysstrålerne, der udledes af galaksen bag klyngen, dvs. gravitationsfeltet fungerer som en linse.Men nogle gange er der flere billeder af denne fjerne galakse; på venstre halvdel af fig. 6 de er blå. Lysets krumning afhænger af massedistributionen i klyngen, uanset hvilke partikler der skaber denne masse. Massedistributionen, der således er udvundet, er vist i højre halvdel af fig. 6 blå; det kan ses, at det er meget forskelligt fra fordelingen af ​​det lysende stof. Målt på en lignende måde er masserne af galakser i overensstemmelse med det faktum, at mørkt stof investerer omkring 25% af den samlede energitæthed i universet. Husk at dette samme tal opnås ved at sammenligne teorien om dannelse af strukturer (galakser, klynger) med observationer.

Fig. 7

Mørk materiel findes i galakser. Dette følger igen af ​​målinger af gravitationsfeltet, nu i galakser og deres omgivelser. Jo stærkere gravitationsfeltet, jo hurtigere stjerner og gasskyer drejer rundt om galaksen, så måling af rotationshastigheder afhængigt af afstanden til galaksens centrum gør det muligt for os at genoprette massedistributionen i den. Dette er illustreret i Fig. 7: med afstanden fra galaksens centrum falder cirkulationens hastighed ikke,hvilket tyder på, at i galaksen, herunder langt fra dets lysende del, er der et ikke-lysende, mørkt stof. I vores galakse i nærheden af ​​solen er massen af ​​mørk materie omtrent lig med massen af ​​almindeligt materiale.

Hvad er partikler af mørkt stof? Det er klart, at disse partikler ikke bør forfalde i andre, lettere partikler, ellers ville de have forfaldne under universets liv. Denne kendsgerning i sig selv tyder på, at i naturen virker nyikke åben endnu bevaringslovforbud mod at disse partikler opløses. Analogien her er med loven om bevarelse af elektrisk ladning: en elektron er den letteste partikel med en elektrisk ladning, og det er derfor, at det ikke forfalder til lettere partikler (for eksempel neutrinoer og fotoner). Endvidere interagerer mørke stofpartikler ekstremt svagt med vores stof, ellers ville de allerede være blevet opdaget i terrestriske eksperimenter. Så begynder feltet af hypoteser. Den mest plausible (men langt fra den eneste!) Er hypotesen om, at partikler af mørk materiel er 100-1000 gange tyngre end proton, og at deres interaktion med almindelig materiale er sammenlignelig i intensitet for neutrino-interaktioner.Det er inden for rammerne af denne hypotese, at den moderne tæthed af mørkt stof finder en simpel forklaring: Partikler af mørk materie blev intensivt født og udslettet i det meget tidlige Universe ved ekstremt høje temperaturer (ca. 1015 grader), og en del af dem levede til denne dag. Med de angivne parametre for disse partikler opnås deres moderne mængde i universet, ligesom det skal være.

Kan vi forvente at opdagelse af mørke partikler i den nærmeste fremtid under terrestriske forhold? Siden vi i dag ikke kender arten af ​​disse partikler, er det helt umuligt at besvare dette spørgsmål utvetydigt. Udsigterne ser imidlertid ud til at være meget optimistiske.

Der er flere måder at søge efter mørke stofpartikler. En af dem er forbundet med eksperimenter på fremtidige high-energy acceleratorer – colliders. Hvis partikler af mørk materie er tungere end en proton 100-1000 gange, vil de blive født i kollisioner af almindelige partikler accelereret ved kollider til høje energier (energierne opnået ved eksisterende collider er ikke nok til dette). De umiddelbare udsigter her er forbundet med Large Hadron Collider (LHC) under opførelse på CERN International Center nær Genève, hvor modtagende bjælker af 7×7 Teraelectronvolts vil blive modtaget.Det må siges, at i henhold til nutidens populære hypoteser er partikler af mørk materiel kun en repræsentant for en ny familie af elementære partikler, så sammen med opdagelsen af ​​partikler i mørke partikler kan man håbe på opdagelsen af ​​nye partikler og nye vekselvirkninger på acceleratorer. Kosmologi tyder på, at verden af ​​elementære partikler er langt fra at blive opbrugt af de "mursten", der er kendt i dag!

En anden måde er at registrere partikler af mørkt stof, der flyver rundt om os. De er på ingen måde små: med en masse svarende til 1000 protonmasser, skal disse partikler her og nu være 1000 stk. Pr. Kubikmeter. Problemet er, at de meget svagt interagerer med almindelige partikler, stoffet er gennemsigtigt for dem. Imidlertid kolliderer mørke stofpartikler lejlighedsvis med atomkerner, og disse kollisioner kan håb om at registrere. En søgning i denne retning udføres ved hjælp af en række meget følsomme detektorer placeret dybt under jorden, hvor baggrunden fra kosmiske stråler reduceres kraftigt.

Fig. 8

Endelig er der endnu en forbindelse forbundet med registreringen af ​​produkterne af mørk materielpartikeludslettelse indbyrdes.Disse partikler bør akkumulere i midten af ​​jorden og i midten af ​​solen (stoffet for dem er næsten gennemsigtigt, og de kan falde i jorden eller solen). Der udslett de hinanden, og samtidig dannes andre partikler, herunder neutriner. Disse neutriner passerer frit gennem jordens eller solens tykkelse og kan registreres med specielle installationer – neutrino teleskoper. En af disse neutrino teleskoper er placeret dybt i Baikal-søen (NT-200, Fig. 8), en anden (AMANDA) – dybt i isen ved Sydpolen.

Fig. 9

Som vist i Fig. 9, en neutrino, der for eksempel kommer fra Solens centrum, kan med lidt sandsynlighed opleve en vekselvirkning i vand, hvoraf der dannes en ladet partikel (muon), hvor lyset er registreret. Da interaktionen mellem neutriner med stof er meget svag, er sandsynligheden for en sådan begivenhed lille, og meget store detektorer er påkrævet. Nu er opførelsen af ​​en 1 kubik kilometer detektor begyndt ved Sydpolen.

Der er andre tilgange til søgen efter mørke stofpartikler, for eksempel søgen efter produkter af deres udslettelse i den centrale del af vores galakse.Hvilke af disse måder vil føre til succes først, tiden vil fortælle, men i hvert fald vil opdagelsen af ​​disse nye partikler og undersøgelsen af ​​deres egenskaber være den vigtigste videnskabelige præstation. Disse partikler vil fortælle os om universets egenskaber i 10 år-9 med (en milliardtedel af et sekund!) efter big bang, da universets temperatur var 1015 grader og partikler af mørk materiel interagerer intensivt med det kosmiske plasma.


Like this post? Please share to your friends:
Mørk stof og mørk energi i universet ">
Skriv et svar

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