Čo je čierna hmota? teória temnej hmoty

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-02-12 12:26

Čo bolo skôr: vajce alebo kura? S touto jednoduchou otázkou bojujú vedci na celom svete už desaťročia. Vynára sa podobná otázka, čo bolo na samom začiatku, v momente stvorenia Vesmíru. Ale bolo to toto stvorenie, alebo sú vesmíry cyklické alebo nekonečné? Čo je čierna hmota vo vesmíre a ako sa líši od bielej hmoty? Nechajme bokom rôzne druhy náboženstiev, skúsme sa k odpovediam na tieto otázky priblížiť z vedeckého hľadiska. Za posledných pár rokov sa vedcom podarilo niečo nemysliteľné. Pravdepodobne po prvý raz v histórii sa výpočty teoretických fyzikov zhodovali s výpočtami experimentálnych fyzikov. V priebehu rokov bolo vedeckej komunite prezentovaných niekoľko rôznych teórií. Viac-menej presne, empiricky, niekedy kvázi vedecky, však boli teoretické vypočítané údaje napriek tomu potvrdené experimentmi, niektoré dokonca s oneskorením viac ako tucet rokov (napríklad Higgsov bozón).

Temná hmota – čierna energia

Takýchto teórií je mnoho, napríklad: teória strún, teória veľkého tresku, teória cyklického vesmíru, teória paralelného vesmíru, modifikovaná newtonovská dynamika (MOND), F. Hoyle a ďalší. V súčasnosti sa však za všeobecne uznávanú považuje teória neustále sa rozpínajúceho a vyvíjajúceho sa Vesmíru, ktorej tézy dobre zapadajú do rámca konceptu Veľkého tresku. Zároveň sa kváziempiricky (t.j. empiricky, ale s veľkými toleranciami a na základe existujúcich moderných teórií štruktúry mikrokozmu) získali údaje, že všetky nám známe mikročastice tvoria len 4,02 % z celkového objemu celé zloženie vesmíru. Ide o takzvaný „baryonový kokteil“, alebo baryonickú hmotu. Väčšinu nášho Vesmíru (viac ako 95 %) však tvoria látky iného plánu, iného zloženia a vlastností. Ide o takzvanú čiernu hmotu a čiernu energiu. Správajú sa odlišne: reagujú odlišne na rôzne druhy reakcií, nie sú fixované existujúcimi technickými prostriedkami a vykazujú predtým nepreskúmané vlastnosti. Z toho môžeme usúdiť, že buď sa tieto látky riadia inými fyzikálnymi zákonmi (nenewtonovská fyzika, slovná analógia neeuklidovskej geometrie), alebo je naša úroveň rozvoja vedy a techniky len v počiatočnom štádiu svojho formovania.

Čo sú baryóny?

Podľa súčasného kvark-gluónového modelu silných interakcií existuje iba šestnásť elementárnych častíc (a nedávny objav Higgsovho bozónu to potvrdzuje): šesť typov (príchutí) kvarkov, osem gluónov a dva bozóny. Baryóny sú ťažké elementárne častice so silnou interakciou. Najznámejšie z nich sú kvarky, protón a neutrón. Rodiny takýchto látok, líšiacich sa vrotácia, hmotnosti, ich „farba“, ako aj čísla „očarovania“, „zvláštnosti“, sú presne stavebnými kameňmi toho, čomu hovoríme baryonová hmota. Čierna (tmavá) hmota, ktorá tvorí 21,8 % celkového zloženia Vesmíru, pozostáva z ďalších častíc, ktoré nevyžarujú elektromagnetické žiarenie a nijako s ním nereagujú. Prinajmenšom pre priame pozorovanie a ešte viac pre registráciu takýchto látok je preto potrebné najprv pochopiť ich fyziku a dohodnúť sa na zákonoch, ktorým sa riadia. Mnoho moderných vedcov to v súčasnosti robí vo výskumných ústavoch po celom svete.

Najpravdepodobnejšia možnosť

Aké látky sa považujú za možné? Na začiatok treba poznamenať, že sú len dve možnosti. Podľa GR a SRT (všeobecná a špeciálna relativita) z hľadiska zloženia môže byť touto látkou baryónová aj nebaryónová tmavá hmota (čierna). Podľa hlavnej teórie Veľkého tresku je akákoľvek existujúca hmota reprezentovaná vo forme baryónov. Táto téza bola preukázaná s mimoriadne vysokou presnosťou. V súčasnosti sa vedci naučili zachytávať častice vzniknuté minútu po výbuchu singularity, teda po výbuchu superhustého stavu hmoty, pričom telesná hmotnosť má tendenciu k nekonečnu a telesné rozmery majú tendenciu k nule. Scenár s baryónovými časticami je najpravdepodobnejší, keďže práve z nich sa skladá náš vesmír a cez ne pokračuje v expanzii. čierna hmota,podľa tohto predpokladu pozostáva zo základných častíc všeobecne akceptovaných newtonovskou fyzikou, ale z nejakého dôvodu slabo interagujúcich elektromagnetickým spôsobom. Preto ich detektory nezaznamenajú.

Nejde to tak hladko

Tento scenár vyhovuje mnohým vedcom, ale stále existuje viac otázok ako odpovedí. Ak je čierna aj biela hmota reprezentovaná iba baryónmi, potom by koncentrácia ľahkých baryónov ako percento ťažkých v dôsledku primárnej nukleosyntézy mala byť v počiatočných astronomických objektoch vesmíru odlišná. A experimentálne nebola v našej galaxii odhalená prítomnosť dostatočného počtu veľkých gravitačných objektov, ako sú čierne diery alebo neutrónové hviezdy, aby vyvážila hmotnosť halo našej Mliečnej dráhy. Tie isté neutrónové hviezdy, tmavé galaktické halo, čierne diery, bieli, čierni a hnedí trpaslíci (hviezdy v rôznych štádiách svojho životného cyklu) sú však s najväčšou pravdepodobnosťou súčasťou temnej hmoty, z ktorej je tvorená temná hmota. Čierna energia môže tiež dopĺňať ich výplň, vrátane predpovedaných hypotetických objektov, ako sú hviezdy preón, kvark a Q.

Nebaryonskí kandidáti

Druhý scenár predpokladá nebaryonický pôvod. Tu môže ako kandidáti pôsobiť niekoľko typov častíc. Napríklad svetelné neutrína, ktorých existenciu už vedci dokázali. Ich hmotnosť však rádovo stotina ku jednejdesaťtisícina eV (elektrón-volt), ich prakticky vylučuje z možných častíc kvôli nedosiahnuteľnosti potrebnej kritickej hustoty. Ale ťažké neutrína spárované s ťažkými leptónmi sa za normálnych podmienok prakticky neprejavujú slabými interakciami. Takéto neutrína sa nazývajú sterilné; so svojou maximálnou hmotnosťou do jednej desatiny eV sú pravdepodobnejšie kandidátmi na častice tmavej hmoty. Axióny a kozmióny boli umelo zavedené do fyzikálnych rovníc na riešenie problémov v kvantovej chromodynamike a v štandardnom modeli. Spolu s ďalšou stabilnou supersymetrickou časticou (SUSY-LSP) sa môžu kvalifikovať ako kandidáti, pretože sa nezúčastňujú na elektromagnetických a silných interakciách. Na rozdiel od neutrín sú však stále hypotetické, ich existenciu treba ešte dokázať.

Teória čiernej hmoty

Nedostatok hmoty vo vesmíre vedie k rôznym teóriám o tomto skóre, z ktorých niektoré sú celkom konzistentné. Napríklad teória, že obyčajná gravitácia nie je schopná vysvetliť zvláštnu a prehnane rýchlu rotáciu hviezd v špirálových galaxiách. Pri takýchto rýchlostiach by z neho jednoducho vyleteli, nebyť akejsi prídržnej sily, ktorú zatiaľ nie je možné zaregistrovať. Iné tézy teórií vysvetľujú nemožnosť získať WIMP (masívne elektroslabo interagujúce častice-partneri elementárnych subčastíc, supersymetrických a superťažkých - teda ideálnych kandidátov) v pozemských podmienkach, keďže žijú v n-dimenzii, ktorá je odlišná od našich troj- rozmerový. Podľa Kaluza-Kleinovej teórie takéto merania nemáme k dispozícii.

Changing Stars

Ďalšia teória popisuje, ako premenné hviezdy a čierna hmota na seba vzájomne pôsobia. Jasnosť takejto hviezdy sa môže meniť nielen v dôsledku metafyzických procesov prebiehajúcich vo vnútri (pulzácia, chromosférická aktivita, vyvrhnutie výbežkov, preliatia a zatmenia v binárnych hviezdnych systémoch, výbuch supernovy), ale aj v dôsledku anomálnych vlastností tmavej hmoty.

WARP drive

Podľa jednej teórie môže byť temná hmota použitá ako palivo pre podpriestorové motory kozmických lodí pracujúcich na hypotetickej technológii WARP (WARP Engine). Takéto motory potenciálne umožňujú lodi pohybovať sa rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla. Teoreticky sú schopné ohýbať priestor pred a za loďou a posúvať ju v ňom ešte rýchlejšie, ako zrýchľuje elektromagnetická vlna vo vákuu. Loď samotná lokálne nezrýchľuje - len priestorové pole pred ňou je ohnuté. Mnoho fantasy príbehov používa túto technológiu, ako napríklad sága Star Trek.

Rast v pozemských podmienkach

Pokusy o vytvorenie a získanie čiernej hmoty na Zemi zatiaľ neboli úspešné. V súčasnosti prebiehajú experimenty na LHC (Large Andron Collider), presne tam, kde bol prvýkrát zaznamenaný Higgsov bozón, ako aj na iných, menej výkonných, vrátane lineárnych urýchľovačov pri hľadanístabilných, ale elektromagneticky slabo interagujúcich partnerov elementárnych častíc. Avšak ani photino, ani gravitino, ani higsino, ani sneutrino (neutralino), ani iné WIMP sa ešte nezískali. Podľa predbežného opatrného odhadu vedcov je na získanie jedného miligramu tmavej hmoty v pozemských podmienkach potrebný ekvivalent energie spotrebovanej v Spojených štátoch počas roka.