Apa itu materi hitam? teori materi gelap

2024 Pengarang: Henry Conors | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-02-12 08:58

Mana yang lebih dulu: telur atau ayam? Para ilmuwan di seluruh dunia telah berjuang dengan pertanyaan sederhana ini selama beberapa dekade. Pertanyaan serupa muncul tentang apa yang ada di awal, pada saat penciptaan Alam Semesta. Tetapi apakah itu, ciptaan ini, atau apakah alam semesta bersiklus atau tidak terbatas? Apa itu materi hitam di luar angkasa dan apa bedanya dengan materi putih? Mengesampingkan berbagai macam agama, mari kita coba mendekati jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dari sudut pandang ilmiah. Selama beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah berhasil melakukan hal yang tak terpikirkan. Mungkin untuk pertama kalinya dalam sejarah, perhitungan fisikawan teoretis setuju dengan perhitungan fisikawan eksperimental. Beberapa teori yang berbeda telah disajikan kepada komunitas ilmiah selama bertahun-tahun. Kurang lebih akurat, dalam cara empiris, kadang-kadang semi-ilmiah, namun, data yang dihitung secara teoretis tetap dikonfirmasi oleh eksperimen, beberapa bahkan dengan penundaan lebih dari selusin tahun (Higgs boson, misalnya).

Materi gelap - energi hitam

Ada banyak teori seperti itu, misalnya: Teori String, Teori Big Bang, Teori Alam Semesta Siklik, Teori Alam Semesta Paralel, Dinamika Newton Termodifikasi (MOND), F. Hoyle dan lain-lain. Namun, saat ini, teori Alam Semesta yang terus berkembang dan berkembang dianggap diterima secara umum, tesis yang sangat cocok dengan kerangka konsep Big Bang. Pada saat yang sama, secara quasi-empiris (yaitu, secara empiris, tetapi dengan toleransi yang besar dan berdasarkan teori modern yang ada tentang struktur mikrokosmos), diperoleh data bahwa semua mikropartikel yang kita kenal hanya membentuk 4,02% dari total volume seluruh komposisi alam semesta. Inilah yang disebut "koktail baryon", atau materi baryon. Namun, sebagian besar Alam Semesta kita (lebih dari 95%) adalah zat dari rencana yang berbeda, komposisi dan sifat yang berbeda. Inilah yang disebut materi hitam dan energi hitam. Mereka berperilaku berbeda: mereka bereaksi secara berbeda terhadap berbagai jenis reaksi, tidak diperbaiki dengan cara teknis yang ada, dan menunjukkan sifat yang sebelumnya belum dijelajahi. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa zat-zat ini mematuhi hukum fisika lainnya (fisika Non-Newtonian, analog verbal geometri Non-Euclidean), atau tingkat perkembangan sains dan teknologi kita hanya pada tahap awal pembentukannya.

Apa itu baryon?

Menurut model interaksi kuat quark-gluon saat ini, hanya ada enam belas partikel elementer (dan penemuan Higgs boson baru-baru ini menegaskan hal ini): enam jenis (rasa) quark, delapan gluon, dan dua boson. Baryon adalah partikel elementer berat dengan interaksi yang kuat. Yang paling terkenal adalah quark, proton dan neutron. Keluarga zat tersebut, berbeda dalamputaran, massa, "warna" mereka, serta jumlah "pesona", "keanehan", justru merupakan blok bangunan dari apa yang kita sebut materi barionik. Materi hitam (gelap), yang membentuk 21,8% dari total komposisi Semesta, terdiri dari partikel lain yang tidak memancarkan radiasi elektromagnetik dan tidak bereaksi dengannya dengan cara apa pun. Oleh karena itu, setidaknya untuk pengamatan langsung, dan terlebih lagi untuk pendaftaran zat-zat semacam itu, pertama-tama perlu dipahami fisika mereka dan menyetujui hukum yang mereka patuhi. Banyak ilmuwan modern saat ini melakukan ini di lembaga penelitian di seluruh dunia.

Opsi yang paling mungkin

Zat apa yang dianggap mungkin? Untuk memulainya, perlu dicatat bahwa hanya ada dua opsi yang mungkin. Menurut GR dan SRT (Relativitas Umum dan Khusus), dari segi komposisi, zat ini dapat berupa materi gelap baryon dan non-baryon (hitam). Menurut teori utama Big Bang, setiap materi yang ada direpresentasikan dalam bentuk baryon. Tesis ini telah dibuktikan dengan akurasi yang sangat tinggi. Saat ini, para ilmuwan telah belajar untuk menangkap partikel yang terbentuk satu menit setelah ledakan singularitas, yaitu, setelah ledakan keadaan materi yang sangat padat, dengan massa tubuh cenderung tak terhingga dan dimensi tubuh cenderung nol. Skenario dengan partikel baryon adalah yang paling mungkin, karena dari merekalah Semesta kita terbentuk dan melalui mereka melanjutkan ekspansinya. materi hitam,menurut asumsi ini, ia terdiri dari partikel-partikel dasar yang secara umum diterima oleh fisika Newton, tetapi untuk beberapa alasan berinteraksi secara lemah secara elektromagnetik. Itu sebabnya detektor tidak mendeteksinya.

Ini tidak berjalan mulus

Skenario ini cocok untuk banyak ilmuwan, tetapi masih ada lebih banyak pertanyaan daripada jawaban. Jika materi hitam dan putih hanya diwakili oleh baryon, maka konsentrasi baryon ringan sebagai persentase dari yang berat, sebagai hasil dari nukleosintesis primer, harus berbeda dalam objek astronomi awal Semesta. Dan secara eksperimental, keberadaan di galaksi kita dari keseimbangan jumlah objek gravitasi besar yang cukup, seperti lubang hitam atau bintang neutron, belum terungkap untuk menyeimbangkan massa halo Bima Sakti kita. Namun, bintang-bintang neutron yang sama, lingkaran cahaya galaksi gelap, lubang hitam, katai putih, hitam dan coklat (bintang-bintang di berbagai tahap siklus hidupnya), kemungkinan besar, adalah bagian dari materi gelap yang terbuat dari materi gelap. Energi hitam juga dapat melengkapi pengisiannya, termasuk prediksi objek hipotetis seperti bintang preon, quark, dan Q.

Kandidat non-baryonic

Skenario kedua menyiratkan asal non-baryonic. Di sini, beberapa jenis partikel dapat bertindak sebagai kandidat. Misalnya, neutrino ringan, yang keberadaannya telah dibuktikan oleh para ilmuwan. Namun, massa mereka, dalam urutan seperseratus banding satusepuluh ribu eV (elektron-Volt), praktis mengecualikan mereka dari partikel yang mungkin karena tidak dapat dicapainya kepadatan kritis yang diperlukan. Tapi neutrino berat, dipasangkan dengan lepton berat, praktis tidak memanifestasikan dirinya dalam interaksi yang lemah dalam kondisi normal. Neutrino semacam itu disebut steril; dengan massa maksimum hingga sepersepuluh eV, mereka lebih mungkin menjadi kandidat partikel materi gelap. Axion dan kosmion telah diperkenalkan secara artifisial ke dalam persamaan fisika untuk memecahkan masalah dalam kromodinamika kuantum dan dalam model standar. Bersama dengan partikel supersimetris stabil lainnya (SUSY-LSP), mereka mungkin memenuhi syarat sebagai kandidat, karena mereka tidak berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik dan kuat. Namun, tidak seperti neutrino, mereka masih hipotetis, keberadaannya masih perlu dibuktikan.

Teori materi hitam

Kurangnya massa di Alam Semesta memunculkan berbagai teori tentang skor ini, beberapa di antaranya cukup konsisten. Misalnya, teori bahwa gravitasi biasa tidak mampu menjelaskan rotasi bintang yang aneh dan sangat cepat di galaksi spiral. Pada kecepatan seperti itu, mereka hanya akan terbang keluar darinya, jika bukan karena semacam kekuatan penahan, yang belum mungkin untuk dicatat. Tesis teori lainnya menjelaskan ketidakmungkinan memperoleh WIMPs (partikel-partikel yang berinteraksi sangat lemah secara elektro dari subpartikel elementer, supersimetris dan superberat - yaitu, kandidat ideal) dalam kondisi terestrial, karena mereka hidup dalam dimensi-n, yang berbeda dari tiga- satu dimensi. Menurut teori Kaluza-Klein, pengukuran seperti itu tidak tersedia bagi kita.

Mengganti Bintang

Teori lain menjelaskan bagaimana bintang variabel dan materi hitam berinteraksi satu sama lain. Kecerahan bintang seperti itu dapat berubah tidak hanya karena proses metafisika yang terjadi di dalamnya (denyut, aktivitas kromosfer, ejeksi penonjolan, limpahan dan gerhana dalam sistem bintang biner, ledakan supernova), tetapi juga karena sifat anomali materi gelap.

WARP drive

Menurut satu teori, materi gelap dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin subruang pesawat ruang angkasa yang beroperasi dengan teknologi WARP hipotetis (WRP Engine). Secara potensial, mesin seperti itu memungkinkan kapal bergerak dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Secara teoritis, mereka mampu membengkokkan ruang di depan dan di belakang kapal dan memindahkannya lebih cepat daripada yang dipercepat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Kapal itu sendiri tidak berakselerasi secara lokal - hanya bidang spasial di depannya yang bengkok. Banyak cerita fantasi menggunakan teknologi ini, seperti kisah Star Trek.

Pertumbuhan dalam kondisi terestrial

Upaya untuk menghasilkan dan memperoleh materi hitam di bumi belum berhasil. Saat ini, percobaan sedang dilakukan di LHC (Large Andron Collider), persis di mana boson Higgs pertama kali direkam, serta di tempat lain yang kurang kuat, termasuk penumbuk linier untuk mencaristabil, tetapi pasangan partikel elementer yang berinteraksi secara elektromagnetik lemah. Namun, baik photino, maupun gravitino, atau higsino, atau sneutrino (neutralino), maupun WIMP lainnya belum diperoleh. Menurut perkiraan awal para ilmuwan, untuk mendapatkan satu miligram materi gelap dalam kondisi terestrial, diperlukan energi yang setara dengan yang dikonsumsi di Amerika Serikat selama setahun.