Што такое матэрыя чорная? Тэорыя цёмнай матэрыі

Што было першым: яйка ці курыца? Над гэтым простым пытаннем навукоўцы ўсяго свету б'юцца не адзін дзясятак гадоў. Аналагічны пытанне ўзнікае пра тое, што было ў самым пачатку, у момант стварэння Сусвету. А ці было яно, гэта стварэнне, альбо Сусветы цыклічныя або бясконцыя? Што такое чорная матэрыя ў космасе і чым яна адрозніваецца ад белай? Адкідаючы ў бок рознага роду рэлігіі, паспрабуем падысці да адказаў на гэтыя пытанні з навуковай пункту гледжання. За мінулыя некалькі гадоў вучоным удалося здзейсніць неверагоднае. Напэўна, упершыню ў гісторыі выкладкі фізікаў-тэарэтыкаў сышліся з выкладкамі фізікаў-эксперыментатараў. Навуковаму супольнасці за гэтыя гады было прадстаўлена некалькі розных тэорый. Больш ці менш дакладна, эмпірычнымі шляхамі, часам квазинаучно, аднак тэарэтычныя разліковыя дадзеныя былі ж такі пацверджаны эксперыментамі, некаторыя нават з затрымкай на не адзін дзясятак гадоў (базон Хігса, напрыклад).

Цёмная матэрыя - чорная энергія

Такіх тэорый шмат, напрыклад: тэорыі струн, тэорыя Вялікага выбуху (Big Bang), тэорыя цыклічных сусветаў, тэорыя паралельных сусветаў, Мадыфікаваная ньютоновской дынаміка (MOND), тэорыя стацыянарнай Сусвету Ф. Хойла і іншыя. Аднак у цяперашні час агульнапрынятай лічыцца тэорыя пастаянна пашыраецца і эвалюцыяніруючага Сусвету, тэзісы якой цалкам ўкладваюцца ў рамках канцэпцыі Вялікага выбуху. Пры гэтым квазиэмпирически (т. Е. Дасведчаным шляхам, але з вялікімі допускамі і грунтуючыся на існуючых сучасных тэорыях будынкі мікрасвету) былі атрыманы дадзеныя аб тым, што ўсе вядомыя нам мікрачасціны складаюць толькі 4,02% ад агульнага аб'ёму ўсяго складу Сусвету. Гэта так званы "барионный кактэйль", альбо барионная матэрыя. Аднак асноўная частка нашай Сусвету (больш за 95%) - гэта рэчывы іншага плану, іншага складу і уласцівасцяў. Гэта так званая чорная матэрыя і чорная энергія. Яны паводзяць сябе інакш: па-іншаму рэагуюць на рознага роду рэакцыі, не фіксуюцца існуючымі тэхнічнымі сродкамі, выяўляюць не вывучаныя раней ўласцівасці. З гэтага можна зрабіць выснову, што альбо гэтыя рэчывы падпарадкоўваюцца іншых законах фізікі (Неньютонова фізіка, слоўны аналаг Неевклидовой геаметрыі), альбо наш ўзровень развіцця навукі і тэхнікі знаходзіцца толькі на пачатковым этапе яе станаўлення.

Што такое барионы?

Згодна з існуючай ў цяперашні час кварк-глюонной мадэлі моцных узаемадзеянняў, элементарных часціц ўсяго шаснаццаць (і нядаўняе адкрыццё базона Хігса гэта пацвярджае): шэсць тыпаў (флэйворов) кваркаў, восем глюёнаў і два базона. Барионы - гэта цяжкія элементарныя часціцы з моцным узаемадзеяннем. Самыя вядомыя з іх - гэта кварк, пратон і нейтрон. Сямейства такіх рэчываў, якія адрозніваюцца па спіну, масам, іх "колеры", а таксама чыслах "чароўнасць", "дзівацтвы", як раз і з'яўляюцца цаглінкамі таго, што мы называем барионная матэрыя. Чорная (цёмная) матэрыя, складнік 21,8% ад агульнага складу Сусвету, складаецца з іншых часціц, ня выпускалы электрамагнітнага выпраменьвання і ніяк з ім не рэагуюць. Таму для прамога назірання як мінімум, а ўжо тым больш для рэгістрацыі такіх рэчываў неабходна для пачатку зразумець іх фізіку і ўзгадніць законы, якім яны падпарадкоўваюцца. Многія сучасныя навукоўцы ў цяперашні час займаюцца гэтай справай у навукова-даследчых інстытутах розных краін.

Самы верагодны варыянт

Якія ж рэчывы разглядаюцца ў якасці магчымых? Для пачатку варта адзначыць, што існуе ўсяго два магчымыя варыянты. Згодна з АМАіК СТА (Агульнай і Спецыяльнай тэорыі адноснасці), па складзе гэтым рэчывам можа з'яўляцца як барионная, так і небарионная цёмная матэрыя (чорная). Паводле асноўнай тэорыі Вялікага выбуху, любая існуючая матэрыя прадстаўлена ў выглядзе барионов. Гэты тэзіс даказаны з высокай дакладнасцю. У цяперашні час навукоўцы навучыліся фіксаваць часціцы, якія ўтварыліся праз хвіліну пасля разрыву сінгулярнасці, гэта значыць пасля выбуху звышшчыльнай стану рэчывы, з масай цела, якая імкнецца да бясконцасці, і памерамі цела, якія імкнуцца да нуля. Сцэнар з барионными часціцамі найбольш верагодны, бо менавіта з іх складаецца і з дапамогай іх працягвае сваё пашырэнне наша Сусвет. Чорная матэрыя, згодна з гэтым здагадцы, складаецца з асноўных, агульнапрынятых ньютоновской фізікай часціц, але па нейкіх прычынах слабовзаимодействующих электрамагнітным чынам. Менавіта таму дэтэктары іх не фіксуюць.

Не ўсё так гладка

Такі сцэнар задавальняе многіх навукоўцаў, аднак ўсё ж застаецца больш пытанняў, чым адказаў. Калі і чорная, і белая матэрыя прадстаўлена толькі барионами, то канцэнтрацыя лёгкіх барионов у працэнтных суадносінах да цяжкіх, у выніку першаснага нуклеосинтеза, павінна быць іншы ў зыходных астранамічных аб'ектах Сусвету. Ды і эксперыментальна не выяўлена наяўнасць у нашай галактыцы раўнаважны дастатковай колькасці буйных аб'ектаў гравітацыі, такіх як чорныя дзіркі або нейтронных зорак, для ўраўнаважвання масы гало нашага Млечнага Шляху. Аднак тыя ж самыя нейтронных зорак, цёмныя галактычныя гало, чорныя дзіркі, белыя, чорныя і карычневыя карлікі (зоркі ў розных стадыях свайго жыццёвага цыклу), хутчэй за ўсё, уваходзяць у склад цёмнага рэчывы, з якога складаецца цёмная матэрыя. Чорная энергія таксама можа дапаўняць іх начынне, у тым ліку і ў прадказаны гіпатэтычных аб'ектах, такіх як преонные, кварковую і Q-зоркі.

Небарионные кандыдаты

Другі сцэнар мае на ўвазе сабой небарионное пачатак. Тут у якасці кандыдатаў могуць выступаць некалькі відаў часціц. Напрыклад, лёгкія нейтрына, існаванне якіх ужо даказана навукоўцамі. Аднак іх маса, парадку ад адной сотай да адной дзесяцітысячнай эв (электрон-Вольт), практычна выключае іх з магчымых часціц з-за недасяжнымі неабходнай крытычнай шчыльнасці. А вось цяжкія нейтрына, парныя цяжкім лептонов, практычна не праяўляюць сябе ў слабых узаемадзеяннях ў звычайных умовах. Такія нейтрына называюць стэрыльнымі, яны са сваёй максімальнай масай да адной дзесятай эв з большай верагоднасцю падыходзяць у якасці кандыдатаў часціц цёмнай матэрыі. Аксионы і космионы былі штучна ўведзеныя ў фізічныя ўраўненні для вырашэння праблем у квантавай хромодинамике і ў стандартнай мадэлі. Разам з іншай стабільнай суперсимметричной часціцай (SUSY-LSP) яны цалкам могуць прэтэндаваць у кандыдаты, так як не прымаюць удзелу ў электрамагнітным і моцным узаемадзеяннях. Аднак, у адрозненне ад нейтрына, яны ўсё ж гіпатэтычныя, іх існаванне яшчэ неабходна даказаць.

Тэорыя чорнай матэрыі

Недахоп масы ў Сусвеце спараджае на гэты конт розныя тэорыі, некаторыя з якіх цалкам заможных. Напрыклад, тэорыя пра тое, што звычайная гравітацыя не здольная растлумачыць дзіўнае і надмерна хуткае кручэнне зорак у спіральных галактыках. Пры такіх хуткасцях яны б проста вылецелі за яе межы, калі б не нейкая ўтрымлівальная сіла, зарэгістраваць якую пакуль не ўяўляецца магчымым. Іншыя тэзісы тэорый тлумачаць немагчымасць атрымання вимпов (масіўныя электрослабовзаимодействующие часціцы-партнёры элементарных субчастиц, суперсимметричные і звышцяжкія - гэта значыць ідэальныя кандыдаты) у зямных умовах, так яны жывуць у n-вымярэнні, выдатным ў большы бок ад нашага, трохмернага. Па тэорыі Калуцы-Клейна такія вымярэння для нас недаступныя.

зменлівыя зоркі

Іншая тэорыя апісвае, як зменныя зоркі і чорная матэрыя ўзаемадзейнічаюць паміж сабой. Бляск такой зоркі можа мяняцца не толькі дзякуючы метафізічным працэсаў, што адбываюцца ўнутры (пульсацыя, хромосферные актыўнасць, выкід пратуберанцы, перацяканне і зацьмення ў падвойных зорных сістэмах, выбух звышновай), але і дзякуючы анамальным уласцівасцях цёмнага рэчывы.

Варпом-рухавік

Па адной з тэорый, цёмная матэрыя можа выкарыстоўвацца ў якасці паліва для субпространственных рухавікоў касмічных караблёў, якія працуюць па гіпатэтычнай варпом-тэхналогіі (WARP Engine). Патэнцыйна такія рухавікі дазваляюць караблю рухацца са хуткасцямі, якія перавышаюць хуткасць святла. Тэарэтычна яны здольныя перакрыўляць прастору да і ззаду карабля і перамяшчаць яго ў ім нават хутчэй, чым электрамагнітная хваля разганяецца ў вакууме. Сам карабель лакальна ня паскараецца - перакрыўляецца толькі прасторавае поле перад ім. У многіх фантастычных апавяданнях прымяняецца такая тэхналогія, напрыклад у сазе Star Trek.

Выпрацоўка ў зямных умовах

Спробы згенераваць і атрымаць чорную матэрыю на зямлі ўсё яшчэ не прывялі да поспеху. У цяперашні час праводзяцца досведы на баку (Вялікім андронны калайдэр), менавіта там, дзе ўпершыню зафіксавалі базон Хігса, а таксама на іншых, менш магутных, у тым ліку і лінейнага калайдэра ў пошуках стабільных, але электрамагнітны слабовзаимодействующих партнёраў элементарных часціц. Аднак ні фотино, ні гравитино, ні хигсино, ні снейтрино (нейтралино), а таксама іншыя вимпы (WIMP) яшчэ не атрыманыя. Паводле папярэдняй асцярожна ацэньваць навукоўцаў, для атрымання аднаго міліграма цёмнай матэрыі ў зямных умовах неабходны эквівалент энергіі, што спажываецца ў ЗША на працягу года.