Tamsioji materija — apibrėžimas, įrodymai ir reikšmė kosmologijoje

Tamsioji materija: apibrėžimas, pagrindiniai įrodymai ir jos reikšmė kosmologijoje. Sužinokite, kaip ji formuoja Visatą ir kokie atradimai ją patvirtina.

Tamsioji medžiaga – tai hipotezinė medžiagos forma, kuri, kaip manoma, sudaro didžiąją dalį visatos masės. Ji neskleidžia ir neatspindi šviesos, rentgeno spindulių ar kitos spinduliuotės, todėl ją galime aptikti tik pagal jos gravitacinį poveikį toms struktūroms, kurias galime stebėti.

Kas paskatino idėją apie tamsiąją materiją?

Mintis, kad Visata gali turėti „nerodomą“ masę, kilo stebint neatitikimus tarp matomos medžiagos ir stebimo gravitacinio poveikio. Pirmą kartą 1932 m. Janas Oortas pasiūlė tamsiąją medžiagą kaip priežastį, kodėl žvaigždės Pieno kelyje sukasi didesniu greičiu, nei būtų galima paaiškinti vien iš matomos medžiagos. 1933 m. Fricas Cvikis (Fritz Zwicky) taip pat naudojosi šia idėja, aiškindamas „trūkstamą masę“ galaktikų spiečių sukimosi greičiui.

Stebėjimo įrodymai

Per pastaruosius kelis dešimtmečius surinkta daug skirtingų įrodymų, rodančių, kad Visatoje egzistuoja papildoma, „nematoma“ masė:

• Galaktikų sukimosi kreivės: matomi žvaigždžių orbitų greičiai galaktikų išorinėse dalyse yra pernelyg dideli, lyg būtų daugiau masės nei sudaro žvaigždės, dujos ir dulkės, kurios skleidžia šviesą.
• Gravitacinis lęšis: masyvūs objektai lenkia šviesą taip, kad jos poslinkis rodo daugiau masės, negu matoma – pavyzdžiui, žvaigždžių fono iškraipymai ir gravitacinis lęšis, stebimi galaktikų telkiniuose.
• Galaktikų spiečių dujų pasiskirstymas: karštų dujų temperatūra ir jų išsidėstymas spiečiuose rodo gilesnį gravitacinį potencialą, negu suteikia matoma materija.
• Ankstyvosios Visatos atspindys: kosminio mikro bangų foninio spinduliavimo (CMB) ypatybės – juntamos, pavyzdžiui, analizėse, kurias atliko Planck" misijos komandos mokslininkai – leidžia apskaičiuoti visatos komponentų dalis ir rodo didelį tamsiosios materijos kiekį.
• Didelio masto struktūros formavimasis: tamsioji materija paaiškina, kaip susiformavo ir išsivystė galaktikų tinklas per milijardus metų.
• Bullet Cluster (2006 m.) ir panašūs atvejai: 2006 m. tyrimai stebėjo du galaktikų telkinius, kurie smarkiai susidūrė vienas į kitą; po susidūrimo matoma karštų dujų medžiaga (bariarinė) liko tarp telkinių, o didžiausioji masė (nustatyta pagal gravitacinį lauko paskirstymą) buvo išskaidyta taip, kad atitiko tamsiosios materijos koncentracijas. Tai tapo vienu stipriausių argumentų, kad tam tikra masė niekaip neasocijuojasi su šviesą skleidžiančia materija.

Kiek tamsiosios materijos yra Visatoje?

Pagal standartinį kosmologijos modelį ir Planck" misijos komandos duomenis, bendrą žinomos visatos masę ir energiją sudaro apytiksliai: 4,9 % paprastosios materijos, 26,8 % tamsiosios materijos ir 68,3 % tamsiosios energijos. Kitaip tariant, apie 84,5 % visos visatos „medžiagos“ yra tamsioji materija, o kartu su tamsiąja energija tai sudaro apie 95,1 % visos visatos energijos ir masės turinio pagal šiandienines hipotezes.

Galimi tamsiosios materijos kandidatai

Nors jos egzistavimas – stipriai palaikomas daugeliu stebėjimų, tamsiosios materijos prigimtis lieka nežinoma. Tarp pagrindinių teorinių kandidatų yra:

• WIMP'ai (Weakly Interacting Massive Particles): sunkios dalelės, kurios sąveikauja (jei sąveikauja) tik per silpnąją jėgą ir gravitaciją.
• Aksonai: itin lengvos hipotetinės dalelės, kurios gali būti labai gausios ir ramiai egzistuoti kosmologiniu mastu.
• Steriliosios neutrinos: papildomos neutrino rūšys, kurios beveik nesąveikauja su įprastine materija.
• Makromolekulinės arba egzotiškos sankaupos: retai aptariami modeliai, kuriuose tamsioji materija gali būti „ne dalelė“, o kita forma, tačiau dauguma tokių idėjų susiduria su stebėjimų apribojimais.

Kaip ieškoma tamsiosios materijos?

Pagrindinės paieškos kryptys apima:

• Tiesioginė detekcija: požymių paieška, kai tamsiosios materijos dalelė sąveikauja su detektoriaus branduoliais (vienas iš būdų – registruoti nedidelius energijos nusileidimus giliuose požeminiuose detektoriuose).
• Netiesioginė detekcija: ieškoma kosminėje spinduliuotėje ar dalelių srautuose (pvz., gama spindulių, antiprotonų, positronų), kurie galėtų būti susiję su tamsiosios materijos dalelių anihiliacija ar skilimu.
• Akceleratorių paieškos: bandymai sukelti naujų dalelių susidarymą didžiųjų hadronų akceleratorių duomenyse, pavyzdžiui, LHC.
• Astronominiai stebėjimai: detalios gravitacinio lęšio, galaktikų dinaminių ir CMB analizės, kurios riboja ir formuoja tamsiosios materijos modelius.

Alternatyvos ir atviros problemos

Nors tamsioji materija yra plačiai priimta paaiškinimas, egzistuoja alternatyvūs požiūriai, pavyzdžiui, modifikuotos gravitacijos teorijos (pvz., MOND ir jos išvediniai), kurios bando paaiškinti kai kurias stebimas anomalijas be papildomos masės. Tačiau daugeliu atvejų šios alternatyvos sunkiai paaiškina visus stebėjimus kartu (pvz., CMB, didelio masto struktūrą ir Bullet Cluster tipų atvejus).

Reikšmė kosmologijoje

Tamsioji materija yra esminė mūsų supratimui apie Visatos raidą ir struktūrą. Ji daro įtaką galaktikų formavimuisi, jų pasiskirstymui dideliame mąste ir visatos dinamikai nuo ankstyvųjų laikų iki šiandienos. Išsiaiškinus tamsiosios materijos prigimtį būtų ne tik užbaigtas svarbus fizikos puslapis, bet ir atvertos naujos žinios apie fundamentines dalelių sąveikas ir Visatos evoliuciją.

Apibendrinant: nors tamsioji materija nerodoma šviesoje, jos poveikis gravitaciniu požiūriu yra gerai pastebimas, o daugybė nepriklausomų stebėjimų leidžia tvirtai manyti, kad ji yra realus ir svarbus Visatos komponentas. Tyrimai tęsiasi – tiek astronominiai stebėjimai, tiek laboratorinės paieškos ir teoriniai modeliai bandys atskleisti jos paslaptį.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra tamsioji medžiaga?

K: Kaip mokslininkai mano, kad tamsioji medžiaga egzistuoja?

K: Kokią dalį Visatoje sudaro tamsioji medžiaga?

K: Kaip galime aptikti tamsiąją medžiagą?

Klausimas: Ką 2006 m. mokslininkų grupė teigė radusi būdą aptikti?

Klausimas: Kokie pavyzdžiai rodo, kad mūsų visatoje yra tamsiosios medžiagos?

Paieška pagal raidę