Kako je tamna materija oblikovala svemir

Sadržaj:

Kako je tamna materija oblikovala svemir
Kako je tamna materija oblikovala svemir
Anonim

Misteriozne čestice mogle bi indirektno otvoriti put čovječanstvu - i ubiti dinosauruse, piše autor članka u The New Republic. Naučnici su tek na početku razumijevanja šta je tamna materija. No, nema sumnje da je njegov gravitacijski utjecaj uvelike utjecao na razvoj svemira.

Mnogi su fascinirani idejom multiverzuma - drugi svemiri izvan našeg dosega. Ali mnogi skriveni svjetovi koje imamo priliku istražiti i razumjeti jednako su fascinantni. Sa modernim idejama i tehnologijama na raspolaganju, približavamo se trenutku kada će tamna materija biti posljednja granica - ili barem sljedeće uzbudljivo otkriće.

Tamna materija je neuhvatljiv entitet u univerzumu. Kao i obična materija, ona stupa u interakciju s okolnim svijetom putem gravitacije, a pritom ne emitira niti apsorbira svjetlost. Astronomi registriraju njegov gravitacijski utjecaj, ali ga izravno ne vide niti osjećaju. Tamna materija nosi pet puta više energije od obične materije, ali su njene interakcije sa materijom, koje se mogu direktno posmatrati, izuzetno slabe. Možda milijarde čestica tamne materije prolaze kroz svakog od nas svake sekunde. Međutim, niko ne primjećuje njihovo prisustvo. Čak i milijarde čestica tamne tvari imaju zanemariv učinak na nas.

To je zato što se tamna materija ne sastoji od istih tvari kao i obična materija - atoma ili drugih poznatih nam elementarnih čestica, čija je interakcija sa svjetlošću odgovorna za sve što vidimo. Tamna materija zapravo nije tamna - ona je prozirna. Tamne stvari upijaju svjetlost. Prozirna materija, uključujući onu koja je imala nesreću nazvati je "tamnom", za nas je neprimjetna. Nemoguće je sakupiti tamnu materiju u podrumu ili garaži.

Međutim, scenarist me nedavno pitao o mogućnostima korištenja moći tamne materije. Uprkos uzbuđenju koje nas mračne stvari obično izazivaju, dovoljno je pogledati mnoge knjige i filmove u naslovima u kojima se pojavljuje ova riječ! - tamna materija nije zlokoban niti raskošan izvor strateške moći. Ni vlastitim rukama, ni alatima od obične materije, ne možemo izraditi raketno oružje ili zamke od tamne materije. Pronalaženje više nije lak zadatak. Iskorištavanje njegovih potencijala potpuno je druga priča.

Pripisajmo želju pisca da prenese želju na nesretno odabrano ime, zbog kojeg se vjerovatno tamna materija čini prijetećom i moćnijom nego što zaista jest. Ali dok ljudi ne mogu ovladati moći tamne materije, svemir može. Prepoznali mi njegov doprinos ili ne, ali - poput nevidljivih radnika koji su gradili piramide ili autoceste ili su detaljno sastavljali elektronske mehanizme koji su odigrali odlučujuću ulogu u razvoju civilizacije - tamna materija je od velike važnosti za razvoj našeg kosmosa. Ako naše zajedničko istraživanje potvrdi postavljene hipoteze, možda bismo mogli dokazati da je tamna materija indirektno otvorila put za pojavu velikih sisavaca, a time i čovječanstva.

Crna rupa

Paleontolozi, geolozi i fizičari otkrili su da je prije 66 miliona godina iz svemira na Zemlju iz svemira pao objekt širok najmanje deset kilometara. Uništio je kopnene dinosauruse i zajedno s tri četvrtine drugih vrsta koje su postojale na planeti. Pretpostavljamo da je, dok Sunce prolazi kroz srednju ravninu Mliječnog puta - niz zvijezda i svijetle prašine koje se mogu vidjeti na vedrom noćnom nebu - Sunčev sistem susreo disk tamne materije, što je pokrenulo pomicanje udaljene udaljenosti objekat, čime se forsira ovaj katastrofalni uticaj - a možda i drugi sa intervalom od 30-35 miliona godina. Naša hipoteza je da se manje tradicionalna vrsta tamne materije srušila u debeli disk (čak i gušći od diska Mliječne staze), a gravitacijski učinak ovog diska promijenio je putanju kometa dok su prolazile kroz Sunčev sistem.

Koncept tamne materije koji smo predložili razlikuje se od raširenih pogleda na njenu prirodu. Dok vidljivi svijet ima mnogo različitih vrsta čestica - kvarkova i elektrona, fotona i gluona, na primjer - i te čestice međusobno djeluju kroz različite sile (elektromagnetske, jake i slabe), fizičari su obično mišljenja da se sva tamna tvar sastoji od čestice jednog tipa koje međusobno djeluju samo putem gravitacije. Zašto ne pretpostaviti da postoje i različite vrste tamne materije i da barem jedna od njih ima vlastite sile interakcije?

Ako pretpostavimo da čak i mali dio čestica tamne materije stupa u interakciju s drugim česticama tamne tvari putem tamne elektromagnetske sile, tada bi se te čestice tamne tvari trebale ponašati slično kao čestice obične tvari, koje se, kako znamo, hlade u galaksiji, sporo smanjiti svoju brzinu i formirati disk, sličan vidljivom disku našeg Mliječnog puta. Mjereći kretanje milijarde zvijezda u Mliječnom putu, satelit Gaia stvara 3D sliku oblika naše galaksije, koja je danas osjetljiva na gravitacijski utjecaj diska tamne tvari.

Bez obzira na rezultate pretraživanja ove dodatne vrste tamne materije, znamo da je tamna materija odigrala važnu ulogu u istoriji vidljivog univerzuma. Uprkos slabosti interakcija, gravitaciono privlačenje tamne materije formiralo je galaksije i galaktička jata raspršena po kosmosu. Bez tamne materije zvijezde ne bi dostigle svoju trenutnu veličinu i bile bi drugačije raspoređene.

Ne bismo bili ovdje da raspravljamo o svemu ovome, a kamoli da sakupimo cjelovitu sliku evolucije Univerzuma, ako ne i o tamnoj materiji, koja daje dovoljno vremena za formiranje strukture koju sada promatramo.

U jednom od najupečatljivijih otkrića 20. stoljeća, opažanja CMB -a iz Velikog praska pokazala su da su, dok je svemir bio veličine zrna pijeska, postojala sitna odstupanja u njegovoj gustoći. Ove male fluktuacije - sa manje od 0,001% - na kraju su postale izvor vas, mene, galaksija i svih struktura u svemiru. Tamna materija je imala odlučujuću ulogu u jačanju ovih malih odstupanja u gustoći i omogućila je formiranje ovih kozmičkih struktura.

Materija, za razliku od zračenja, u ranim fazama postojanja Univerzuma mogla bi se usporiti i držati zajedno. Gravitacijsko privlačenje na mjestima s većom gustoćom dovelo je do činjenice da su se neke oblasti materije urušile, čime se dodatno povećala gustoća materije i dovelo do stvaranja galaksija. Tako je svemir postajao sve heterogeniji, jer su regioni bogati materijom postajali sve bogatiji, a siromašni sve siromašniji. Agregacija materije se nastavila zbog stalnog kolapsa materije u procesu pozitivne povratne sprege koji je transformirao inicijalno homogen svemir u ono što će se na kraju razviti u diferencirane galaksije, jata i zvijezde koje danas vidimo. Pošto je količina tamne materije mnogo veća od količine obične materije, do ovog kolapsa je došlo ranije nego da je u svemiru postojala samo obična materija. To je važno jer je strukturi kakvu danas vidimo dalo dovoljno vremena za rast.

Aktivna crna rupa koju je vidio umjetnik

Ali tamna materija je odigrala važnu ulogu i iz drugog razloga. Čak i ako to nije glavni oblik energije u svemiru, zračenje ispire promjene u gustoći obične tvari, baš kao što vjetar izglađuje pješčani oteklina utisnuta na morskoj obali. Zračenje na početku evolucije svemira moglo bi spriječiti stvaranje objekata veličine galaksija iz čisto obične materije.

Tamna tvar bi mogla postojano stvarati takve strukture jer je imuna na elektromagnetsko zračenje. Shodno tome, tamna materija je prilično efikasno dala običnoj materiji dodatni početak, otvarajući put za formiranje galaksija i zvjezdanih sistema. Samo "stopiranjem" zajedno s tamnom materijom, objekti galaktičke razmjere i rudimenti zvijezda mogli su se formirati u našem svemiru. Kad se dovoljno velika regija urušila, tamna tvar je formirala približno sferni oreol, unutar kojeg se plin obične tvari mogao ohladiti, kondenzirati u središte i na kraju se raspasti u zvijezde.

Ovaj istovremeni kolaps tamne materije i obične materije također nam pomaže u potrazi za tamnom materijom. Iako vidimo zvijezde i galaksije zahvaljujući emitiranoj svjetlosti, bila je tamna tvar koja je prvobitno privukla vidljivu tvar da formira ove strukture. Dakle, iako izravno promatramo samo običnu materiju, možemo biti sigurni da su obje materije prisutne na istim mjestima i da tamna tvar ostaje u ovom sfernom oreolu oko vidljive tvari. Drugim riječima, u određenom smislu, ima smisla tražiti tamnu materiju ispod stupa svjetiljke.

Tamna materija nastavlja igrati važnu ulogu u svemiru. Ne samo da potiče gravitacijsko privlačenje, koje sprječava raspršivanje zvijezda, već i vraća dio materije koju supernove izbacuju natrag u galaksije. Tamna tvar tako pomaže u očuvanju teških elemenata koji su potrebni za daljnje formiranje zvijezda i na kraju za život.

Ne brinite previše o neizbježnim negativnim asocijacijama s pojmom "tamne" ili višim moćima tamne materije. Učinak čestice tamne materije - ili čak milijarde tih čestica - lako je zanemariti. Međutim, gravitacijski utjecaj dovoljno velike količine tamne tvari nakupljene na određenom području imao je značajan utjecaj na razvoj svemira. Kao i drugi entiteti u našem okruženju koje mi zanemarujemo, tamna materija je esencijalna za naš svijet i, prema našim nedavnim istraživanjima, možda je bila neophodna za nastanak ljudskog života.

Moje kolege i ja samo smo u izvoru našeg razumevanja šta je tamna materija. Tamna materija se ne razlikuje u svemiru, pa nas Enterprise brod neće moći prenijeti na nju - međutim, za razliku od ovog svemirskog broda, tamna materija je stvarna. Ipak, tekuća istraživanja obećavaju da će prevladati naša fizička ograničenja i bolje razumjeti nedostižan, ali potencijalno dostupan svijet tamne materije.

Preporučuje se: