Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Materia » Materia întunecată

Materia întunecată

postat în: Materia 0

Materia întunecată este o formă teoretică non-barionică a materiei care poate reprezenta aproximativ 80% din masa materiei din univers și aproximativ un sfert din masa lui totală. Materia întunecată nu a fost observată direct, dar prezența ei este implicată într-o varietate de măsurători astrofizice, în special atunci când observăm efectele gravitaționale care nu pot fi explicate doar prin materie vizibilă. Din acest motiv majoritatea experților consideră că materia întunecată este omniprezentă în univers și că a afectat puternic structura și evoluția acesteia.

Deoarece materia întunecată nu a fost încă observată în mod direct, ea trebuie să interacționeze cu materia barionică obișnuită și radiația doar foarte slab. O posibilitate investigată este aceea că este compusă din noi tipuri de particule elementare care nu au fost încă descoperite – ceea ce înseamnă că este diferit de materia obișnuită, cum ar fi protonii, neutronii, electronii și neutrinii. Numele materiei întunecate se referă la faptul că nu pare să interacționeze cu radiații electromagnetice observabile, cum ar fi lumina, și astfel este invizibilă (sau „întunecată”) întregului spectru electromagnetic, ceea ce face extrem de dificilă detectarea folosind echipamente astronomice obișnuite . În prezent, detectarea și studiul său indirect se limitează la observațiile interacțiunii gravitaționale cu materia obișnuită. Efectele ei asupra materiei obișnuite ne permit să deducem prezența și unele dintre proprietățile sale. Multe dovezi diferite sunt de acord cu privire la distribuția materiei întunecate în universul observabil.

Din dovezile primare pentru materia întunecată și calcule rezultă că multe galaxii ar fi zburat în loc să se rotească sau nu s-ar fi format sau nu s-ar mișca așa cum o fac, dacă nu ar conține o cantitate mare de materie dincolo de ceea ce se poate observa. Concluzia este că universul conține mult mai mult materie într-o formă care nu poate fi detectată în prezent. „Anvelopa” materiei întunecate, estimată a domina masa galactică, este cunoscută ca un halou de materie neagră. Halo-ul galaxiei Calea Lactee este estimat la aproximativ 1,5 milioane de ani lumină – de aproape 15 ori mai mare decât galaxia vizibilă. Proprietățile materiei întunecate sunt deduse din observațiile din lentilele gravitaționale, din fundalul cosmic al microundelor, care arată structura universului la începutul istoriei sale, din observațiile astronomice ale structurii actuale a universului observabil și din dovezile despre formarea și evoluția galaxiilor, de la locația masei în timpul coliziunilor galactice și de la mișcarea stelelor din galaxii și a galaxiilor din grupurile galactice. Existența sa ar explica, de asemenea, o serie de observații astronomice, de altfel, controversate. Multe experimente pentru detectarea și studierea directă a particulelor de materie întunecată sunt întreprinse în mod activ, însă nici unul nu a reușit încă să obțină o dovadă cocludentă. Se crede că atunci când materia întunecată este observată în mod direct, ea va fi compusă din particule masive slab interacționante (WIMP) care interacționează doar prin gravitație și forța slabă. Materia întunecată este clasificată ca rece, caldă sau fierbinte în funcție de viteza acesteia (mai precis, lungimea liberă de streaming). Cele mai multe scenarii care implică obiecte familiare, cum ar fi praful interstelar, găurile negre mari, asteroizii și alte obiecte ne-luminoase sau dense, sunt considerate a fi excluse prin observații sau prin cunoașterea mică a proprietăților materiei întunecate. Modelele actuale preferă un scenariu de materie neagră rece, în care structurile apar prin acumularea treptată de particule.

În modelul standard cosmologic Lambda-CDM, masa-energia totală a universului conține 4,9% materie și energie obișnuită, 26,8% materie întunecată și 68,3% o formă necunoscută de energie cunoscută sub numele de energie întunecată. Astfel, materia întunecată constituie 84,5% din masa totală, în timp ce energia întunecată plus materia întunecată constituie 95,1% din conținutul total de masă-energie. Marea majoritate a materiei obișnuite din univers este, de asemenea, nevăzută. Vizibilitatea stelelor și a gazelor din interiorul galaxiilor și clusterilor reprezintă mai puțin de 10% din contribuția materiei obișnuite la densitatea de masă a energiei din univers. Simularea cosmologică a lui Bolshoi, o simulare pe supercomputer a universului, arată că într-un univers de tipul sugerat de teoriile actuale, materia întunecată ar forma filamente uriașe și goluri, iar materia obișnuită ar fi atrasă de acestea prin gravitație, dând o structură a universului foarte asemănătoare cu ceea ce se poate vedea astăzi.

Deși existența materiei întunecate este acceptată în general de către comunitatea științifică, unii astrofiziciști, intrigați de anumite observații care nu se încadrează în teoria materiei întunecate, argumentează diverse modificări ale legilor standard ale relativității generale, precum MOND, TeVeS sau gravitația entropică. Aceste modele încearcă să răspundă la toate observațiile fără a invoca materia suplimentară non-barionică.

Compoziția Universului  (Diviziunea estimată a energiei totale din univers în materie, materia întunecată și energia întunecată bazată pe cinci ani de date WMAP).

Definiție tehnică

În cosmologia standard, materie este orice al cărui densitate de energie se este proporțioală cu cubul invers al factorului de scalare, adică ρ α a-3. Acest lucru este în contrast cu radiațiile, care sunt proporționale cu puterea inversă a patra putere a factorului de scalare ρ α a-4, și cu energia întunecată, care nu este afectată ρ α a0. Acest lucru poate fi înțeles intuitiv: pentru o particulă obișnuită într-o cutie pătrată, dublarea lungimii laturilor cutiei scade densitatea (și deci densitatea energetică) cu un factor de opt (23). Pentru radiații, scăderea densității energetice este mai mare, deoarece o creștere a distanței spațiale determină și o deplasare spre roșu. Energia intunecată, ca proprietate intrinsecă a spațiului, are o densitate constantă de energie indiferent de volumul luat în considerare.

Materia întunecată este acea componentă a universului care nu este materie obișnuită, dar încă se supune lui ρ α a-3.

Compoziția materiei întunecate: barionică vs. nonbarionică

Materia întunecată se poate referi la orice substanță care interacționează predominant prin gravitație cu materie vizibilă (de exemplu, stele și planete). Prin urmare, în principiu nu este necesar să fie compusă dintr-un nou tip de particule fundamentale, dar ar putea, cel puțin parțial, să fie alcătuit din materie barionică standard, cum ar fi protoni sau electroni. Cu toate acestea, din motivele descrise mai jos, majoritatea oamenilor de știință consideră că materia întunecată este dominată de o componentă non-barionică, care este probabil compusă dintr-o particulă fundamentală necunoscută (sau o stare exotică similară).

(Observațiile Fermi-LAT ale galaxiilor pitic oferă o nouă perspectivă asupra materiei întunecate:

Materia barionică

Barionii (protoni și neutroni) formează stelele și planetele obișnuite. Cu toate acestea, materia barionică cuprinde și găuri negre mai puțin frecvente, stele neutronice, pitice albe bătrâne și pitice maro, cunoscuți în mod colectiv ca obiecte masive de halo compact (massive compact halo objects – MACH), care pot fi greu de detectat. Orizontul evenimentului datorat accelerației poate fi o cauză a radiației ascunse atunci când materia este suficient de îndepărtată.

Cu toate acestea, mai multe seturi de dovezi sugerează că majoritatea materiei întunecate nu este făcută din barioni:

  • Suficiente gaze sau praf difuze, barionice, ar fi vizibile când sunt iluminate de stele.
  • Teoria nucleosintezei Big Bang prezice abundența observată a elementelor chimice. Dacă există mai multe barioni, atunci ar trebui să existe și mai multe elemente de heliu, litiu și elemente mai grele sintetizate în timpul Big Bang-ului. Acordul cu abundențele observate necesită ca materia barionică să reprezinte între 4-5% din densitatea critică a universului. În contrast, structura pe scară largă și alte observații indică faptul că densitatea totală a materiei este de aproximativ 30% din densitatea critică.
  • Căutările astronomice pentru microlentile gravitaționale în Calea Laptelui au descoperit că cel mult o mică parte din materia întunecată poate fi în obiecte întunecate, compacte, convenționale (MACHO, etc.); gama exclusă de mase este de la jumătate din masa Pământului până la 30 de mase solare, care acoperă aproape toți candidații plauzibili.
  • Analiza detaliată a neregulilor mici (anizotropii) în fundalul cosmic de microunde. Observațiile realizate de WMAP și stația Planck indică faptul că aproximativ 1/5-1/6 din materia totală este într-o formă care interacționează semnificativ cu materia obișnuită sau cu fotoni doar prin efecte gravitaționale.

Lentilele gravitaționale (Lentilele gravitaționale puternice observate de telescopul spațial Hubble din Abell 1689 indică prezența materiei întunecate.)

Materia non-barionică

Candidații pentru materia întunecată non-barionică sunt particule ipotetice, cum ar fi axioni, neutrini sterili sau WIMP (de exemplu, particule supersimetrice). Cele trei tipuri de neutrini deja observați sunt într-adevăr abundente, întunecate și materializate, dar pentru că masele lor individuale – oricât de nesigure sunt acestea – sunt aproape sigur mici, pot furniza doar o mică parte a materiei întunecate, datorită limitelor derivate dinstructura de scară largă și galaxiile cu deplasare puternică spre roșu.

Spre deosebire de materia barionică, materia nonbarionică nu a contribuit la formarea elementelor din universul timpuriu (nucleosinteza Big Bang) și astfel prezența sa este dezvăluită numai prin efectele sale gravitaționale sau prin efectul slab de lentilă gravitațională. În plus, în cazul în care particulele din care este compusă sunt supersimetrice, ele pot suferi interacțiuni de anihilare cu ele însele, ceea ce ar putea avea ca rezultat produse secundare observabile, cum ar fi razele gama și neutrinii (detecție indirectă).

(O simulare pe calculator explorând conexiunea dintre două dintre cele mai evazive fenomene din univers, găurile negre și materia întunecată. În video, particulele de materie întunecată sunt sfere gri care sunt atașate de trasee umbrite reprezentând mișcarea lor. Traseele mai roșii indică particule mai puternic afectate de gravitația găurii negre și mai aproape de orizontul evenimentelor sale (sfera neagră la centru, în cea mai mare parte ascunsă de trasee). Ergosfera, unde toată materia și lumina trebuie să urmeze rotația găurii negre, este arătată în turcoaz.)

Agregarea materiei întunecate și obiectele dense de materie îtunecată

Dacă materia întunecată este așa de obișnuită cum rezultă din observații, o întrebare evidentă este dacă poate să formeze obiecte echivalente planetelor, stelelor sau găurilor negre. Răspunsul a fost istoric că nu poate, din cauza a doi factori:

  • Este lipsit de mijloace eficiente de a pierde energie: Materia obișnuită formează obiecte dense deoarece are numeroase modalități de a pierde energie. Pierderea energiei ar fi esențială pentru formarea corpurilor, deoarece o particulă care câștigă energie în timpul compactării sau care se cade „în interior” sub gravitație, și nu o poate pierde în nici un alt mod, se va încălzi și va crește viteza și impulsul. Materia întunecată pare să nu dispună de mijloace pentru a pierde energia, pur și simplu pentru că nu este capabilă să interacționeze puternic în alte moduri decât prin gravitație. Teorema Virial sugerează că o astfel de particulă nu ar rămâne legată de obiectul care se formează treptat – pe măsură ce obiectul a început să se formeze și să se compacteze, particulele de materie întunecată din interiorul ei ar accelera și tind să scape.
  • Lipsesc o serie de interacțiuni necesare pentru formarea structurilor: Materia obișnuită interacționează în multe moduri diferite. Acest lucru îi permite să formeze structuri mai complexe. De exemplu, stelele se formează prin gravitație, dar particulele din ele interacționează și pot emite energie sub formă de neutrini și radiații electromagnetice prin fuziune când devin suficient de energice. Protonii și neutronii se pot lega prin interacțiunea puternică și apoi formează atomi cu electroni în mare parte prin interacțiune electromagnetică. Dar nu există dovezi că materia întunecată este capabilă de o mare varietate de interacțiuni, deoarece pare să interacționeze numai prin gravitație și prin anumite mijloace nu mai puternice decât interacțiunea slabă. (deși acest lucru este speculativ până când materia întunecată este mai bine înțeleasă).

Această problemă a fost dezbătută în ultimii ani. În anii 2016-2017, ideea unei materii întunecate dense sau a unei găurilor negre formată din materie întunecată, inclusiv găurile negre primordiale, a revenit după rezultatele detecției undelor gravitationale. Acestea au fost eliminate din nou în decembrie 2017, însă cercetările și teoriile bazate pe acestea continuă încă în 2018, inclusiv abordările privind răcirea materiei întunecate, iar problema nu este rezolvată.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *