24 августа 2012 г.

исследования тёмной материи


        В своём сознании мы неоднократно представляли строение галактики в виде многочисленных спиралей из звёзд, которые вращаются в пустоте космоса. Имея мощнейший телескоп мы конечно же могли бы рассмотреть как отдельные звёзды, составляющие спиральные галактики, так как они излучают достаточное количество световой энергии, а так же тёмные области, расположенные внутри галактик, так называемые ”Облака межзвёздной пыли и газа”, поглощающие и не испускающие световые волны. Однако в течение 20 столетия прошлого века учёные сделали вывод, что в видимых галактиках содержится не более десяти процентов от реально содержащейся во Вселенной материи, а оставшиеся девяносто процентов материи приходится на материю, которая до настоящего времени остаётся для нашего разума тайной, так как наблюдать её не представляется возможным и по своей совокупности данная материя получила название ”тёмной материи”.( Так же в некоторых случаях могут говорить о недостающей массе, такое название нельзя назвать удачным, поскольку в данной терминологии её было бы лучше назвать избыточной) В далёком 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвики указал, что скопление галактик в созвездии Волосы Вероники удерживается более сильным   гравитационным полем , это можно было бы предположить исходя из расчёта массы видимого вещества, которая содержится  в указанной области Вселенной и остаётся для нас незримой.

Имеющуюся в настоящее время общую проблему скрытой массы можно разделить на две существующие проблемы :

1. Астрофизическая проблема, то есть расхождения между наблюдаемой массой      гравитационно связанных космических объектов и систем объектов (галактики и их скопления) с наблюдаемыми параметрами , определяющиеся гравитационными эффектами.
2. Космологическая проблема, то есть расхождения наблюдаемых космологических параметров, полученных по астрофизическим данным средней плотности Вселенной. 


 Тёмную материю можно сравнить с обычным веществом, она способна собираться в определённые сгустки размерами с галактику или их скопления и участвовать в гравитационных взаимодействиях аналогично обычному веществу. Предположительно тёмная материя состоит из новых, не открытых в земных условиях частиц. Так же помимо космологических данных в пользу существования тёмной материи можно отнести измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в самих галактиках. Одним из нескольких способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик является гравитационное линзирование. 

Итак, что же такое гравитационное линзирование ?

Гравитационное поле скопления искривляет световые лучи, исходящие от галактики, которые  находятся за скоплением, т.е. гравитационное поле воздействует, как линза. При этом иногда могут появляться несколько образцов указанной удалённой галактики. Искривление света полностью зависит от распределения массы в скоплении вне зависимости от того, какие именно частицы создали данную массу. Проведённые измерения подобным образом масс скоплений галактик согласуются с тем, что тёмная материя вкладывает примерно около 25%  в полную плотность всей энергии во Вселенной. Так же аналогичное число  можно получить из сравнения теории образования структур (галактик и скоплений) с наблюдениями. Чем дальше от центра галактики, скорости обращения не уменьшаются, в связи с чем можно судить, что в отдалении от светящейся части имеется несветящаяся тёмная материя. Она присутствует и в галактиках, это видно из измерений гравитационного поля в галактиках и окрестностях, при этом, чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вокруг галактики вращаются звёзды и газо – пылевые облака, поэтому измерения скоростей движения в зависимости от расстояния до центра галактики дают нам восстановить распределение массы в ней. По мере удаления от центра галактики скорость обращения не уменьшается, из чего следует, что в галактике, в том числе и в отдалении от светящейся части имеется несветящаяся тёмная материя. В нашей галактике, в окрестностях Солнца масса тёмной материи примерно равна массе обычного вещества.

А что же из себя представляют частицы тёмной материи ?


             Понятно, что данные частицы не должны распадаться на иные, более лёгкие, иначе они бы распались за всё время существования Вселенной, при этом сам факт может свидетельствовать, что в природе действует, до настоящего времени не открытый закон сохранения, который запрещает эти частицы распадаться на составляющие. Можно подвести аналогию с законом сохранения электрического заряда, где сказано, что электроном является легчайшая частица, имеющая электрический заряд, в связи с чем она не распадается на более лёгкие, такие, как нейтрино и фотоны. Указанные частицы тёмной материи  чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, в противном случае они давно бы уже попали под земные эксперименты наших учёных. А вот теперь начинается область гипотез, наиболее подходящей и правдоподобной, но конечно же не единственной представлена гипотеза о том, что указанные частицы тёмной материи в 100 – 1000 раз тяжелее протона, а так же взаимодействие частиц тёмной энергии с обычным веществом по интенсивности можно сравнить с взаимодействием нейтрино. В рамках рассмотрения гипотезы современная плотность тёмной материи подпадает под простое объяснение : частицы тёмной материи интенсивно рождались в ранней Вселенной при сверхвысоких температурах, сопоставимых с 1000 градусов, часть этих частиц дожила до наших дней. При указанных параметрах частиц их современное количество во Вселенной получается именно такое, какое нужно.
              Возможно – ли открытие частиц тёмной материи в недалёком будущем на Земле ? Поскольку сегодня природа этих частиц неизвестна, однозначного ответа на этот вопрос нет, но перспектива рассматривается вполне оптимистичной. Есть несколько путей поиска указанных частиц, один из которых связан с экспериментами на ускорителях высокой энергии, а именно коллайдерах. Если частицы тёмной энергии тяжелее протона в 100 – 1000 раз , то они должны рождаться при столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высокой энергии.
Вторым путём исследования является регистрация частиц тёмной материи, которыми мы окружены. Их отнюдь не так мало, ведь при массе, эквивалентной 1000 масс протона, этих частиц должно быть тысяча штук в кубическом метре. Однако проблема здесь в том, что частицы мало взаимодействуют с обычными частицами, так как вещество для них прозрачно. Тем не менее частицы тёмной материи иногда сталкиваются с атомными ядрами и эти столкновения необходимо регистрировать и проводить писк в этом направлении.
Ещё одним способом является регистрация продуктов аннигиляции частиц тёмной энергии между собой. Данные частицы должны скапливаться  в центре Земли и в центре Солнца, как было сказано ранее, вещество для них прозрачно и частицы тёмной материи способны проваливаться внутрь планет и Солнца, где они аннигилируют между собой, образовав нейтрино и другие частицы. Образовавшиеся нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца и их можно зарегистрировать созданными для этих целей специальной установкой – нейтринными телескопами. Один из подобных телескопов установлен в глубине озера Байкал, а второй под названием AMANDA на глубине во льдах Южного полюса. Нейтрино, которое пришло из центра Солнца с малой вероятностью может испытать взаимодействие в воде, в результате которого образуется заряженная частица, мюон, а в свою очередь свет от мюона может быть зарегистрирован приборами. Однако поскольку взаимодействие нейтрино и вещества очень слабое, вероятность указанного события мала и требуются детекторы очень большого объёма, в связи с чем в Южном полюсе сооружают детектор объёмом один кубический   километр.
Имеются и множество других подходов к поиску частиц тёмной энергии, какой из перечисленных или иных путей первым приведёт к успеху покажет время, а открытие новых частиц и изучение их свойств будет наиболее важным научным достижением, поскольку они расскажут нам о свойствах Вселенной через одну миллиардную секунды после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1000 градусов и частицы тёмной материи интенсивно взаимодействовали с плазмой космоса.

Комментариев нет: