ماده سیاه چیست؟ نظریه ماده تاریک

2024 نویسنده: Henry Conors | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-12 06:37

کدام اول آمد: تخم مرغ یا مرغ؟ دانشمندان در سراسر جهان چندین دهه است که با این سوال ساده دست و پنجه نرم می کنند. سؤال مشابهی در مورد آنچه در همان آغاز، در لحظه خلقت جهان وجود داشت، مطرح می شود. اما آیا این خلقت بوده است یا جهان‌ها چرخه‌ای هستند یا نامتناهی؟ ماده سیاه در فضا چیست و چه تفاوتی با ماده سفید دارد؟ با کنار گذاشتن انواع دین، سعی کنیم از منظر علمی به پاسخ این سؤالات بپردازیم. در چند سال گذشته، دانشمندان موفق به انجام کارهای غیرقابل تصور شده اند. احتمالاً برای اولین بار در تاریخ، محاسبات فیزیکدانان نظری با محاسبات فیزیکدانان تجربی مطابقت داشت. چندین نظریه مختلف در طول سال ها به جامعه علمی ارائه شده است. با کم و بیش دقیق، به روش‌های تجربی، گاهی شبه علمی، با این حال، داده‌های محاسبه‌شده نظری با آزمایش‌ها تأیید می‌شدند، برخی حتی با تأخیر بیش از ده سال (مثلاً بوزون هیگز)..

ماده تاریک - انرژی سیاه

تئوری های زیادی وجود دارد، به عنوان مثال: نظریه ریسمان، نظریه انفجار بزرگ، نظریه جهان چرخه ای، نظریه جهان موازی، دینامیک نیوتنی اصلاح شده (MOND)، F.هویل و دیگران. با این حال، در حال حاضر، نظریه جهان دائما در حال گسترش و تکامل به طور کلی پذیرفته شده تلقی می شود، که تزهای آن به خوبی در چارچوب مفهوم بیگ بنگ قرار می گیرند. در همان زمان، به طور شبه تجربی (یعنی تجربی، اما با تحمل های زیاد و بر اساس نظریه های مدرن موجود در مورد ساختار کیهان کوچک)، داده هایی به دست آمد که همه ریزذرات شناخته شده برای ما تنها 4.02٪ از حجم کل را تشکیل می دهند. کل ترکیب کیهان این به اصطلاح "کوکتل باریون" یا ماده باریونی است. با این حال، بخش عمده ای از جهان ما (بیش از 95٪) موادی با طرح متفاوت، ترکیب و خواص متفاوت هستند. این به اصطلاح ماده سیاه و انرژی سیاه است. آنها رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند: آنها به انواع مختلف واکنش ها واکنش متفاوتی نشان می دهند، با ابزارهای فنی موجود ثابت نمی شوند، و ویژگی های ناشناخته قبلی را نشان می دهند. از اینجا می‌توان نتیجه گرفت که یا این مواد از قوانین دیگر فیزیک (فیزیک غیر نیوتنی، شبیه هندسه نااقلیدسی) تبعیت می‌کنند یا سطح توسعه علم و فناوری ما فقط در مرحله اولیه شکل‌گیری آن است.

باریون ها چیست؟

طبق مدل فعلی برهمکنش‌های قوی کوارک-گلوئون، تنها شانزده ذره بنیادی وجود دارد (و کشف اخیر بوزون هیگز این را تأیید می‌کند): شش نوع (طعم) کوارک، هشت گلوون و دو بوزون. باریون ها ذرات بنیادی سنگین با برهمکنش قوی هستند. معروف ترین آنها کوارک ها، پروتون ها و نوترون ها هستند. خانواده های چنین موادی که در آنها متفاوت استچرخش، توده‌ها، «رنگ» آن‌ها و همچنین اعداد «افسون»، «عجیب» دقیقاً اجزای سازنده چیزی هستند که ما آن را ماده باریونی می‌نامیم. ماده سیاه (تاریک) که 21.8 درصد از ترکیب کل کیهان را تشکیل می دهد، از ذرات دیگری تشکیل شده است که تابش الکترومغناطیسی ساطع نمی کنند و به هیچ وجه با آن واکنش نمی دهند. بنابراین، حداقل برای مشاهده مستقیم و حتی بیشتر از آن برای ثبت چنین موادی، ابتدا باید فیزیک آنها را فهمید و در مورد قوانینی که آنها از آنها تبعیت می کنند توافق کرد. بسیاری از دانشمندان مدرن در حال حاضر این کار را در مؤسسات تحقیقاتی در سراسر جهان انجام می دهند.

محتمل ترین گزینه

چه موادی ممکن است در نظر گرفته شوند؟ برای شروع، باید توجه داشت که تنها دو گزینه ممکن وجود دارد. طبق نظر GR و SRT (نسبیت عام و خاص) این ماده از نظر ترکیب می تواند هم باریون و هم ماده تاریک غیر باریونی (سیاه) باشد. بر اساس نظریه اصلی بیگ بنگ، هر ماده موجود به شکل باریون ها نمایش داده می شود. این پایان نامه با دقت بسیار بالایی به اثبات رسیده است. در حال حاضر، دانشمندان یاد گرفته اند که ذرات تشکیل شده را یک دقیقه پس از انفجار تکینگی، یعنی پس از انفجار یک حالت فوق متراکم ماده، با توده بدنی که به سمت بی نهایت و ابعاد بدن به سمت صفر گرایش دارد، ضبط کنند. سناریو با ذرات باریون محتمل ترین است، زیرا از آنها است که جهان ما تشکیل شده و از طریق آنها به گسترش خود ادامه می دهد. ماده سیاه،بر اساس این فرض، از ذرات اساسی که عموماً توسط فیزیک نیوتنی پذیرفته شده است، تشکیل شده است، اما به دلایلی به طور ضعیفی به روش الکترومغناطیسی برهم کنش دارند. به همین دلیل است که آشکارسازها آنها را شناسایی نمی کنند.

آنقدرها هم آرام پیش نمی رود

این سناریو برای بسیاری از دانشمندان مناسب است، اما هنوز سوالات بیشتری نسبت به پاسخ وجود دارد. اگر هر دو ماده سیاه و سفید فقط با باریون ها نشان داده شوند، غلظت باریون های سبک به عنوان درصد باریون های سنگین، در نتیجه سنتز هسته اولیه، باید در اجرام نجومی اولیه کیهان متفاوت باشد. و به طور تجربی، وجود تعداد کافی از اجرام گرانشی بزرگ، مانند سیاهچاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی، در کهکشان ما تعادلی برای متعادل کردن جرم هاله راه شیری ما آشکار نشده است. با این حال، همان ستاره‌های نوترونی، هاله‌های کهکشانی تاریک، سیاه‌چاله‌ها، کوتوله‌های سفید، سیاه و قهوه‌ای (ستاره‌هایی که در مراحل مختلف چرخه زندگی خود هستند)، به احتمال زیاد بخشی از ماده تاریکی هستند که ماده تاریک از آن ساخته شده است. انرژی سیاه همچنین می تواند پر شدن آنها را تکمیل کند، از جمله اجرام فرضی پیش بینی شده مانند پریون، کوارک و ستاره های Q.

نامزدهای غیر باریونیک

سناریوی دوم حاکی از منشا غیر باریونی است. در اینجا، انواع مختلفی از ذرات می توانند به عنوان کاندید عمل کنند. به عنوان مثال، نوترینوهای سبک که وجود آنها قبلاً توسط دانشمندان ثابت شده است. با این حال، جرم آنها، به ترتیب از یک صدم به یکده هزارم eV (الکترون-ولت)، عملاً آنها را از ذرات احتمالی به دلیل دست نیافتنی بودن چگالی بحرانی لازم حذف می کند. اما نوترینوهای سنگین، همراه با لپتون‌های سنگین، عملاً در شرایط عادی خود را در برهمکنش‌های ضعیف نشان نمی‌دهند. چنین نوترینوهایی عقیم نامیده می شوند؛ با حداکثر جرم آنها تا یک دهم eV، احتمال بیشتری وجود دارد که کاندیدای ذرات ماده تاریک باشند. اکسیون ها و کیهان ها به طور مصنوعی در معادلات فیزیکی برای حل مسائل در کرومودینامیک کوانتومی و در مدل استاندارد وارد شده اند. همراه با یک ذره فوق متقارن پایدار دیگر (SUSY-LSP)، آنها ممکن است به عنوان نامزد واجد شرایط باشند، زیرا در برهمکنش های الکترومغناطیسی و قوی شرکت نمی کنند. با این حال، برخلاف نوترینوها، آنها هنوز فرضی هستند، وجود آنها هنوز نیاز به اثبات دارد.

نظریه ماده سیاه

فقدان جرم در کیهان نظریه های مختلفی را در این زمینه ایجاد می کند که برخی از آنها کاملاً سازگار هستند. به عنوان مثال، این نظریه که گرانش معمولی قادر به توضیح چرخش عجیب و فوق العاده سریع ستارگان در کهکشان های مارپیچی نیست. با چنین سرعتی، آنها به سادگی از آن خارج می شدند، اگر برای نوعی نیروی نگهدارنده نبود، که هنوز امکان ثبت نام وجود ندارد. سایر تزهای تئوری عدم امکان به دست آوردن WIMP ها (ذرات عظیم الکتریسیته ضعیف - شرکای زیر ذرات بنیادی، فوق متقارن و فوق سنگین - یعنی نامزدهای ایده آل) را در شرایط زمینی توضیح می دهند، زیرا آنها در بعد n زندگی می کنند که با سه بعدی ما متفاوت است. یک بعدیبر اساس نظریه کالوزا-کلین، چنین اندازه گیری هایی در دسترس ما نیست.

ستارگان در حال تغییر

نظریه دیگری چگونگی تعامل ستارگان متغیر و ماده سیاه با یکدیگر را توصیف می کند. روشنایی چنین ستاره‌ای نه تنها به دلیل فرآیندهای متافیزیکی که در داخل رخ می‌دهند (تپش، فعالیت کرومسفری، پرتاب برجستگی، سرریزها و کسوف در منظومه‌های ستاره‌ای دوتایی، انفجار ابرنواختر)، بلکه به دلیل ویژگی‌های غیرعادی ماده تاریک می‌تواند تغییر کند.

درایو WARP

طبق یک نظریه، ماده تاریک می تواند به عنوان سوخت برای موتورهای زیرفضایی فضاپیماهایی که بر اساس فناوری فرضی WARP (WARP Engine) کار می کنند، استفاده شود. به طور بالقوه، چنین موتورهایی به کشتی اجازه می دهند با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کند. از نظر تئوری، آنها قادرند فضای جلو و پشت کشتی را خم کرده و حتی سریعتر از شتاب موج الکترومغناطیسی در خلاء، آن را در آن حرکت دهند. خود کشتی به صورت محلی شتاب نمی گیرد - فقط میدان فضایی در مقابل آن خم شده است. بسیاری از داستان‌های فانتزی از این فناوری استفاده می‌کنند، مانند حماسه Star Trek.

رشد در شرایط زمینی

تلاش برای تولید و به دست آوردن ماده سیاه روی زمین هنوز موفقیت آمیز نبوده است. در حال حاضر، آزمایش‌هایی در LHC (برخوردکننده بزرگ آندرون)، دقیقاً جایی که بوزون هیگز برای اولین بار ثبت شد، و همچنین در دیگر برخورد‌دهنده‌های خطی، از جمله برخورد دهنده‌های خطی در جستجویشرکای پایدار، اما الکترومغناطیسی ضعیف ذرات بنیادی. با این حال، نه فتینو، نه گراویتینو، نه هیگزینو، نه اسنوترینو (نوترالینو)، و نه WIMP های دیگر هنوز به دست نیامده اند. طبق برآورد اولیه محتاطانه دانشمندان، برای بدست آوردن یک میلی گرم ماده تاریک در شرایط زمینی، معادل انرژی مصرف شده در ایالات متحده در طول سال مورد نیاز است.