Най-странните неща във Вселената: тъмната материя

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на тъмната материя. За нея съм писал и преди в поста "Тъмна материя" и в "Пръстен от тъмна материя".

Обикновената материя, която излъчва и отразява светлина, е около 5% от цялата Вселена. Останалото се смята, че е изградено от невидима материя — една от най-големите загадки на космологията.

Смята се, че тъмната материя играе съществена роля в еволюцията на Вселената и теорията на Големия взрив. Според моделите, ако нея я нямаше, познатата ни материя не би могла да кондензира в компактни обекти като звезди и галактики, защото хаотично движещите се частици биха се разпръснали из младата Вселена.

Хипотези за това какво представлява невидимата материя има много. Според нови доказателства доста вероятно е тя да е съставена предимно от нов вид елементарни частици, известни като небарионни (барионите са клас частици, съставени от три кварка, напр. протони, неутрони). Учените вече разграничават два вида тъмна материя: студена и топла. Студената представлява тежки и бавни частици, а топлата са по-леки и бързи. Все още никой не знае кой модел е правилен.

Съществуват и алтернативни обяснения, които предполагат, че просто не разбираме достатъчно добре механизмите, по които работи гравитацията. Възможно е законите на Нютон да важат на малки разстояния, а на по-големи да се променят! Това обяснение обаче трудно се справя с т.нар. гравитационни лещи — ефект от самото присъствие на тъмната материя, която изкривява минаващата наблизо светлина.

Гравитационна леща, която изкривява светлината от галактическия куп Абел 1689. Това явление "издава" присъствието на невидима материя. Кликнете на снимката, за да видите изкривения и удължен образ на някои от галактиките.
Снимка: Hubble Space Telescope

Квантовата механика също предлага теории, които изключват нуждата от невидима материя. Опитите да се изведе теория, обединяваща гравитацията с чудния свят на субатомните частици може да промени представата ни за гравитацията и да получим по-ясна картина за същността на Вселената.

Все още обаче тъмната материя остава загадка! Загадка, която несъмнено трябва да разрешим.

Повече за тъмната материя: Wikipedia [en]; Тъмна материя online [bg]

Пръстен от тъмна материя

Чрез космическия телескоп Хъбъл астрономи са открили призрачен пръстен от тъмна материя, образуван много отдавна при титаничен сблъсък на два масивни галактически купа. Откритието на пръстена е сред най-силните доказателства до момента, че тъмната материя съществува. Астрономите отдавна подозират съществуването на тази невидима субстанция като източник на допълнителна гравитация, която държи галактическите купове цели. Ако тези купове разчитаха само на гравитацията от видимите звезди те щяха да се разлетят във всички посоки. Въпреки че астрономите не знаят от какво е изградена тъмната материя, хипотезата е, че е съставена от вид елементарни частици, които са просмукани навсякъде във вселената.

Този съставен образ показва пръстенът от тъмна материя в галактическия куп CI 0024+17. Пръстеновидната структура е ясно видима в синята карта на разпределение на тъмната материя в купа. Картата е получена от наблюдаваното от Хъбъл изкривяване на светлината от по-далечни галактики, причинено от гравитацията на невидимата тъмна материя в CI 0024+17. Тази оптическа илюзия се нарича гравитационна леща. Въпреки че астрономите не могат да видят тъмната материя, те могат индиректно да се убедят в съществуването й като картират изкривения образ на по-далечни галактики.

(Пълен текст: Hubblesite Newscenter)

Теория на струните — въведение

В Теорията на струните частиците не се разглеждат като точки, а като микроскопични струни — едномерни нишки, трептящи с различни честоти. Големината на тези струни е от порядъка на планковата дължина, което значи, че те не могат да бъдат наблюдавани със съвременни уреди и методи.

Както струна на една цигулка може да трепти по безброй начини и на това разнообразие да се дължат различните ноти, така всяка струна трепти по различни начини и това води до различни маси и заряди на частиците.

Свойствата на дадена частица се определят от резонансното трептене на съответната й струна.

Енергията на една струна зависи от начина на трептене:

• малка амплитуда и голяма дължина на вълната — трептенето ще има по-малка енергия;
• голяма амплитуда и малка дължина на вълната — трептенето ще има по-голяма енергия.

От E = mc² следва, че колкото по-голяма енергия притежава трептящата струна, толкова по-голяма маса ще има частицата. Установено е, че електрическият, слабият и силният заряд на частиците зависят също от характеристиките на трептенето. Същото важи и за частиците - вестоносци (взаимодействията) — фотони, междинни векторни бозони, глуони и гравитони (които засега съществуват само теоретично и не са открити експериментално).

"За читателя със склонност към математиката отбелязваме, че връзката между формите на трептение на струната и силовите заряди може да бъде описана по-точно по следния начин. Когато движението на струната се квантува, нейните възможни трептения се представят като вектори в хилбертово пространство, както за всяка квантовомеханична система. Тези вектори могат да бъдат обозначени с техните собствени стойности в множество от комутиращи хермитови оператори. Сред тези оператори са хамилтонианът, чиито собствени стойности дават енергията и оттам масата на трептенето, както и оператори, генериращи различни калибровъчни симетрии, които теорията спазва. Техните собствени стойности дават силовите заряди, носени от съответното трептене." — от "Елегантната вселена" на Брайън Грийн, изд. "Изток-Запад", 2004 г., стр. 486 (бележка №7)

Важен резултат от теорията на струните е фактът, че допреди нея всяка различна частица се считала за различен вид материя. Теорията на струните твърди, че всички частици (и взаимодействия) са от една и съща "материя" — струни, които трептят различно.

Фундаментални частици и взаимодействия

В природата съществува материя, която си взаимодейства по милиони различни начини. Физиците са успяли да сведат материята и взаимодействията до няколко основни вида, с които се обясняват всички останали. И материята, и взаимодействията се представят като квантови обекти, които имат дуална природа — хем са частици с маса, хем са вълни — фундаментални частици, за които не е известно да са съставени от други частици.

Материя

Материята е изградена от частици, които се свеждат до елементарни частици — фермиони. Фермионите се делят на кварки и лептони.

Кварките са шест:

• горен (up),
• долен (down),
• очарован (charm),
• странен (strange),
• b-кварк (bottom) и
• t-кварк (top).

Лептоните са също шест:

• електрон,
• мюон,
• таон,
• електронно неутрино,
• мюонно неутрино и
• таонно неутрино.

Гореизброените частици образуват три семейства и всичко, познато ни в природата, е комбинация от тези частици (или античастиците им).

Взаимодействия

Взаимодействията са четири и характеризират всички възможни сили, които крепят Вселената. За всяко взаимодействие се смята, че отговаря частица — бозон.

• гравитационно взаимодействие: отговаря за взаимното привличане, а предполагаемата (неоткрита все още) частица се нарича гравитон,
• електромагнитно взаимодействие: отговаря за електромагнитните сили, частицата му е фотон,
• силно взаимодействие: отговаря за привличането между кварките и между протони и неутрони в ядрата на атомите, частицата му е глуон,
• слабо взаимодействие: отговаря за радиоактивния разпад, частиците му са междинни векторни бозони.

Има и други бозони, някои от които не са елементарни частици, а други играят важна роля в Стандартния модел (теория, обединяваща три от четирите взаимодействия между елементарните частици) — като Higgs бозона, който теоретично е предсказан и физиците се надяват да бъде засечен с новия LHC ускорител на CERN.

Тъмна материя

Една от най-големите главоблъсканици в съвременната астрономия е фактът, че над 90% от Вселената е невидима. Това мистериозно липсващо нещо е наречено "тъмна материя".

Проблемът се появил когато астрономите се опитали да претеглят галактиките. За целта има два метода. Първо, можем да кажем колко тежи една галактика като я наблюдаваме и преценим колко е ярка, и от там да определим масата й.

Вторият начин е да видим как се движат звездите. Всичко във Вселената се върти. Земята се върти около оста си, цялата ни планета обикаля около Слънцето, а то от своя страна се върти заедно с милиардите други звезди около центъра на Млечния път в един огромен космически танц. Като изследваме колко бързо се движат звездите по периферията можем да изчислим колко тежи една галактика. Колкото по-бързо се върти, толкова по-масивна е тя.

Но когато астрономите направили калкулации и по двата метода през 30-те години на миналия век, те се сблъскали с голям проблем. За всяка галактика, която изследвали, двата резултата не съвпадали. Те били уверени, че и двата метода са научно обосновани, защото многократно преди това били тествани. Затова учените стигнали до изумителен извод — там някъде трябва да има нещо, което не можем да видим. Нарекли го "тъмна материя". Тази тъмна материя била наистина важна, защото ако я нямало то галактиките са щяли да се разлетят на части при въртенето си.

Този извод може да звучи странно, но не е чак толкова учудващ. Представи си висока сграда през нощта. Въпреки че се виждат само няколко светещи прозореца на стаи, това не значи, че други стаи няма. Точно като тези стаи с изгасено осветление тъмната материя не се вижда, защото не свети.

В момента астрономите търсят тази материя. Тя може да се състои от много странно звучащи неща като MACHO обекти, WIMP частици и неутрино. Или може би съществуват нови решения, като тъмна енергия и теория на суперструните. Но каквато и да е тази материя, откриването й ще помогне да се отговори на един от основните въпроси в астрономията — каква ще е съдбата на Вселената.

(превод от ВВС)

Неутрино

В началото на миналия век физикът Волфганг Паули си измислил частица, с която да изравни уравненията си. Тя била малка елементарна частица без заряд и маса. Това, което правила е да пренася енергия със скоростта на светлината. Проблемът бил, че дори да съществувала, откриването й щяло да бъде много сложно. Въпреки че частицата на Паули била просто измислена, хората я взели насериозно и я включили в новите теории на елементарните частици. Енрико Ферми я нарекъл неутрино (малък неутрон на италиански). След това кръщене неутриното било прието и търсенето му започнало. След повече от 20 години била засечена частица със същите свойства и неутриното било обявено за реално съществуващо.

Огромен брой неутрино били създадени в Големия взрив. Но те все още се раждат в най-горещите и енергични части на Вселената — свръхнови, избухвания на гама-лъчи, квазари и дори в звезди като нашето Слънце. Докато прочетеш това изречение приблизително 10 милиона неутрино от Слънцето ще са преминали през тялото ти. Когато свършиш с този абзац същите неутрино вече ще са по-далеч от Луната.

Какво е значението им за тъмната материя — липсващата маса на Вселената? Неутриното може да се смята за липсващо, защото то много трудно може да се засече, понеже почти не взаимодейства с обикновената материя. Но ако няма маса как така допринася за тъмната материя?

Мистерията за тъмната материя била открита по същото време, когато било измислено и неутриното и понеже то няма маса, било бързо зачеркнато от списъка с потенциални кандидати. Но през 1998 г. в една японска цинкова мина било направено разтърсващо откритие, което опровергало всички твърдения досега. Учените от проекта "Super-Kamiokande" обявили, че са намерили определен вид неутрино, което имало маса, макар и много малка. Това автоматично върнало тази частица в състезанието за тъмната материя.

Частиците неутрино са известни като "гореща тъмна материя", понеже се движат със скоростта на светлината. Те са в изобилие, но поради малката им маса се предполага, че отговарят за не повече от 25% от липсващата маса.

(превод от ВВС)

WIMP частици

Защо физиците гледат под земята, когато търсят липсващата маса във Вселената — тъмната материя?

Те търсят WIMP частици (Weakly Interacting Massive Particles). Това са вид екзотични частици — кандидати за липсващата тъмна материя във Вселената. Под "екзотични" се разбира различни от обикновените, които изграждат света около нас. WIMP частиците не са били откривани никога, но според физиците може купища от тях да минават незабелязани през нас.

Ако толкова много от тях летят наоколо, как така не сме ги усетили? Всъщност, нищо че са наречени "слаби" (weak), те са удивително силни и могат да минават през твърди тела без въобще да спират. Освен това те не са единствените неща, които ни бомбардират от космоса — има и космически лъчи. Поради тези две причини е изключително трудно да бъдат засечени.

Това, което прави WIMP частиците специални е способността им да минават през твърди тела. Един от най-добрите начини да ги открием е да слезем дълбоко под земята (над 1000 м надолу, в едни от най-дълбоките мини). Плътните скали около мините действат като естествен филтър, в който частиците от космическите лъчи се сблъскват в атомите на скалите и се спират. WIMP частиците от друга страна би трябвало да минат спокойно и да бъдат засечени в галериите дълбоко под скалите.

Екипи от цял свят се състезават да открият дали такива мистериозни частици наистина съществуват. Ако отговорът е да, те ще дадат едно ново парче от пъзела на тъмната материя. Предполага се, че те може да са отговорни за до 90% от тъмната материя във Вселената.

(превод от ВВС)

MACHO обекти

Част от невидимата тъмна материя, която липсва във Вселената, може да са масивни тъмни тела като планети, черни дупки, астероиди или провалили се звезди (кафяви джуджета). Всичките тези не излъчват собствена светлина и затова не могат да бъдат видяни от големи разстояния. Тези тежка категория кандидати са известни под общото име MACHO (Massive Compact Halo Objects), защото са големи тела, които живеят предимно в халото на галактиките (нещо като крайни предградия по периферията на галактиката).

Друга възможност е да съществуват тъмни галактики — мини галактики, които витаят незабелязани из междугалактическото пространство. С размери около хиляда пъти по-малки от Млечния път, светлината от тези галактики ще е прекалено слаба, за да се видят от Земята. Вместо да се състоят от милиарди звезди като нашата галактика, те са съставени от кафяви и черни джуджета.

Както при всички видове тъмна материя, тъмните галактики и МАСНО обектите трудно се откриват, защото са невидими. Изненадващо решение идва от удивителното влияние, което гравитацията оказва на тъканта на пространството — всичко с маса има гравитационно поле и изкривява пространството (според Общата теория на относителността на Айнщайн). Когато много масивен обект (като МАСНО) мине пред далечна звезда, гравитацията му огъва пространството и звездата изглежда все едно се премества и уголемява. Този феномен позволява да се претегли невидимия обект.

Няма съмнение, че МАСНО обектите са отговорни за част от тъмната материя във Вселената, но не и за всичката такава материя. Това е така, защото при Големия взрив са се образували определен брой атоми и има лимит на обикновената материя, която може да съществува. Смята се, че МАСНО обектите са едва до 20% от цялата тъмна материя, необходима да държи галактиките цели. За останалото е нужно да потърсим необикновена материя, като WIMP частиците и неутриното.

(превод от ВВС)

Частици - античастици

Ако превърнеш 1 кг ябълки в чиста енергия, ще можеш да караш колата си около 100 хиляди години без спиране. Защо?

През 1905 г. Алберт Айнщайн публикувал знаменитото уравнение E = mc². То ни казва, че масата е страшно много концентрирана форма на енергия. Енергията в природата е като парите. Има два вида парични единици, свързани с огромен курс — квадратът на скоростта на светлината. Един килограм отговаря на 25 милиарда квч.

Как енергията може да се трансформира в маса и обратно?

Възможно е, ползвайки ускорител като LHC на CERN, една частица да бъде ускорена до скорост почти колкото тази на светлината. Ако частица с такава скорост се удари в плътна стена, това ще генерира температури от порядъка на 10 000 милиарда °С. При тези екстремни условия освободената енергия се превръща в материя. Подобно на монетен двор, където се правят монети по стандарт, така и природата позволява на енергията да се превръща в точно определен вид материя, с определени свойства. Формите на материя са аналогични на частиците, от които най-значими в ежедневието ни са протоните, електроните и неутроните. Тяхните свойства като маса, заряд, начин на взаимодействие с други частици са точно дефинирани.

Представи си горещ метален лист в монетен двор и нека той е нашият аналог на енергията. Когато от него щамповат монети се получават две неща: монетите и дупките в листа. Тези дупки можем да наречем "антимонети". По подобен начин енергията се превръща в материя. Много опити са показали, че е възможно едновременно да се създадат само двойка частица и нейната античастица. Никой до сега не е наблюдавал сътворението само на частици или само на античастици. Този експеримент илюстрира още един факт: За създаването на частица и античастица се изисква енергия, а съберем ли ги отново заедно (анихилация) двете огледални частици изчезват и остава само чиста енергия. Това е все едно да вкараме изсечените монети обратно в дупките на металния лист и той да бъде отново цял.

(от Live from CERN)