ЗАГАДКИ "ТЁМНОЙ МАТЕРИИ".

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение основная общеобразовательная школа № 22 п.Зорька муниципального образования Новокубанский район

Муниципальный этап краевого конкурса «Гагаринские чтения»

          Номинация: «Исследования космического пространства».

Загадки

«тёмной материи».

Подготовил:

ученик 8 класса МОБУООШ № 22

Редькин Алексей Владимирович

28.09.1999 г.р., 352218

п.Дальний, ул. Красная, д.17, кв.4

Руководитель: 

учитель физики

Потылицина Елена Алексеевна

МОБУООШ № 22   352218

 п.Зорька, ул.Пионерская, д.2.

 тел.: 89184367335

elena.poty@yandex.ru

п. Зорька – 2014 год

Оглавление

Аннотация

         Видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи. Сейчас в прессе и в  интернете много говорится о конце света, о темных дырах, межгалактической пыли и о темной материи. Что же такое  «темная материя»? Я решил разобраться в заинтересовавшем меня вопросе, изучил много информации в интернете, прочитал интересные книги, провел исследование и сделал выводы.

Целью данной работы является обобщение имеющейся на сегодняшний день информации о структуре Вселенной, отыскание ответа на вопрос «что же тёмная материя», из чего она состоит, когда впервые была обнаружена и обоснование современных взглядов на теорию темной материи.

Основная задача заключается в проведении анализа собранного материала о преобразовании вещества в Метагалактике и выработке собственного мнения на дальнейшее развитие процессов, происходящих в Метагалактике.

Актуальность проведённого исследования связана с отсутствием в научной литературе единого взгляда на теорию «темной материи». В ходе исследования я обнаружил, что «темная материя» образовалась в результате Большого взрыва, бывает горячей, состоящей их нейтрино, и холодной, которая должна состоять из массивных медленно движущихся частиц или сгустков вещества, предположительно фотино, гравитино. Узнал о темной энергии, которая создаёт антитяготение, о вариантах возможного присутствия темной материи (частицы темной материи нашли в вакууме) и о том, как её обнаружить.

    Вывод: Темная материя (скрытая масса) - гипотетическая материя, не поглощающая и не испускающая электромагнитного излучения, и потому недоступная прямому наблюдению. В гравитационном взаимодействии темная материя, однако, участвует, поэтому ее можно обнаружить за счет искривления проходящих мимо световых лучей.

I. Введение.

Целью данной работы является обобщение имеющейся на сегодняшний день информации о структуре Вселенной.

Основная задача заключается в проведении анализа собранного материала о преобразовании вещества в Метагалактике и выработке собственного мнения на дальнейшее развитие процессов происходящих в Метагалактике.

Вселенная - весь объективно существующий мир; все сущее; все, что мы можем наблюдать и все, что мы можем представить себе на основе современных научных теорий. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.

Вселенная бесконечна в пространстве и вечна во времени. Метагалактика является составной частью (одним из элементов, одной из множества метагалактик) Мини-Вселенной, которая в свою очередь является частью Вселенной (одной из множества мини-вселенных).

1.Большой взрыв.              

Известная нам часть Вселенной образовалась в результате флуктуации - изменения энергетической плотности физического вакуума, сопровождавшегося выделением огромного количества энергии - процесс получил название "Большого Взрыва".

В момент начала образования (tв = 0 c) материя была сосредоточена в точечном объеме (Rв = 0) и обладала бесконечно большой плотностью.

         Метагалактика состояла из сверхмассивных сверхэнергичных, непрерывно взаимодействующих между собой элементарных частиц. В ходе непрерывного взаимодействия и распада сверхмассивных сверхэнергичных частиц возникли  почти все  известные элементарные частицы (электроны, протоны, фотоны, нейтроны и др.). Через 1012 с после Большого Взрыва температура Метагалактики понизилась до 4000 К. Протоны стали взаимодействовать с электронами, "захватывали" их: так возникли нейтральные атомы водорода и гелия. В тот момент Метагалактика состояла из 70-75% водорода и 25-30 % гелия, на долю остальных атомов приходилось менее 0,01 %.

Все основные физические характеристики нашей Метагалактики определились в первые мгновения ее существования.

Спустя миллион лет после Большого Взрыва, началось увеличения плотности и скорости сжатия вещества под действием сил тяготения, что  привело к обособлению в пространстве огромных сгустков вещества.

2.Темная материя

По современным представлениям, только около 4 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино.

Горячей тёмной материи недостаточно, по современным представлениям, для формирования галактик. Исследование структуры реликтового излучения показало, что существовали очень мелкие флуктуации плотности вещества. Быстро движущаяся горячая тёмная материя не могла бы сформировать такую тонкую структуру.

Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены.

В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы — фотино, гравитино и др.

Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света.

 Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике. Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным.

Темная материя оказалась эликсиром долголетия звезд

Астрономы установили, что если верна теория суперсимметрии, то звезды, находящиеся в плотных облаках темной материи, могут оставаться молодыми в течение всей жизни Вселенной.

Темная материя - загадочная субстанция, которая наполняет нашу Вселенную. От обычной материи она отличается тем, что не взаимодействует с электромагнитным излучением. В настоящее время существует несколько различных теорий, касающихся строения этой материи.

Группа астрономов под руководством Жанфранко Бертоне (Gianfranco Bertone) из Парижского астрофизического института изучала вопрос консервации звезд. Это эффект, который должен наблюдаться, если верна так называемая теория суперсимметрии. Она утверждает, что темная материя состоит из более тяжелых двойников привычных элементарных частиц. Согласно этой теории, "темные" частицы должны терять энергию при взаимодействии с обычными. Излучение звезды внутри плотного облака темной материи будет приводить к тому, что "темные" частицы начнут наполнять звезду. Спустя некоторое время, когда концентрация темной материи достигнет критического значения, ядерные реакции внутри звезды прекратятся. Однако звезда будет продолжать светить. Энергия для излучения будет появляться из столкновения и аннигиляции "темных" частиц под действием гравитационных сил. Поскольку возраст звезды определяется остатком топлива для ядерной реакции, то можно сказать, что звезда прекращает стареть.

3.Темная энергия

«Темная энергия - удивительный феномен природы - была впервые обнаружена в наблюдениях сверхновых звезд, вспыхивающих очень далеко от нас, на полпути к горизонту мира. Она создает "всемирное антитяготение", которое проявляется в ускоренном расширении Вселенной как целого. По этому глобальному эффекту темная энергия и была открыта двумя международными группами космологов-наблюдателей в 1998-99 годах

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

4.Варианты возможного присутствия темной материи.

4.1. Столкновение галактик отделило "темную материю" от обычной

В результате столкновения двух галактических кластеров, приведшему к образованию суперкластера MACSJ0025, "темная материя" отделилась от обычной. Астрономы смогли "увидеть" два типа материи с помощью орбитального телескопа "Хаббл" и рентгеновского оборудования лаборатории "Чандра". Статья исследователей опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

Суперкластер (его масса в септильоны (1015) раз больше массы Солнца), образовавшийся в результате столкновения двух скоплений галактик, или кластеров, находится на расстоянии 5,7 миллиарда световых лет от Земли

Скопления галактик включают в себя три основных компонента: собственно галактики, раскаленный газ, заполняющий пространство между ними и "темную материю". При столкновении на огромной скорости частицы газа из разных кластеров столкнулись и замедлили свое движение. Скорость движения "темной материи" не изменилась. Она прошла "сквозь" обычную материю и сформировала два больших облака, которые на иллюстрации к этой новости показаны розовым цветом. Облака продолжают удаляться от "обычной" части суперкластера MACSJ0025 (фиолетовый цвет на фотографии).

4.2. Темная энергия - удивительный феномен природы - была впервые обнаружена в наблюдениях сверхновых звезд, вспыхивающих очень далеко от нас, на полпути к горизонту мира. Она создает "всемирное антитяготение",

Стивен Адлер из Института передовых исследований предположил, что аномальное ускорение космических аппаратов, наблюдаемое при выполнении ими маневров вблизи Земли и других планет, может вызываться темной материей.

Исследователь пришел к выводу, что взаимодействие с темной материей может являться причиной аномального ускорения, однако для этого должен выполняться ряд сложных условий, частично противоречащих современным взглядам на темную материю.

Околопланетное аномальное изменение скорости было впервые замечено в 90-е годы. В марте 2008 года Джон Андерсон и его коллеги опубликовали результат тщательного исследования пяти космических миссий: отличия реального ускорения от расчетного при выполнении гравитационного маневра около планеты были зафиксированы в четырех из них.

Предполагается, что околопланетная аномалия имеет общую природу с частично объясненной аномалией "Пионера": ускорение аппаратов "Пионер-10" и "Пионер-11", оказавшихся во внешней части Солнечной системы, также отличалось от расчетного.

Согласно выводам Адлера, для того чтобы наблюдаемые изменения скорости (как увеличение, так и уменьшение) можно было приписать влиянию темной материи, плотность той в Солнечной системе должна быть на много порядков выше, чем в галактическом гало, а около Земли – еще выше. Темная материя должна образовывать вокруг Земли кольцо, подобную кольцам Сатурна.

4.3. Кольцо темной материи.

Кольцо из так называемой "темной материи" найдено в космосе коллективом американских, испанских и израильских исследователей при помощи вращающегося на околоземной орбите телескопа Hubble. Расстояние до объекта - 5 миллиардов световых лет, диаметр - 2,6 миллионов световых лет.

Само открытие было сделано в августе 2006 года во время нанесения на карты областей распределения "темной материи" в скоплении галактик Cl 0024+17, отмечает газета The Telegraph. Вначале кольцо даже приняли за ошибку в методике обработки и представления данных.

Затем выяснилось, что образование появилось в результате столкновения двух звездных скоплений за 1-2 миллиарда лет до наблюдаемого ныне состояния. Согласно компьютерной симуляции,  темная материя после столкновения начала падать в центр скопления, а затем разошлась оттуда кругами, как расходится вода от брошенного в нее камешка.

4.4. Итальянские физики заявили об обнаружении темной материи

Данные итальянского эксперимента DAMA/LIBRA по поиску темной материи подтверждают существование частиц темной материи, сообщила 16 апреля на конференции в Венеции руководитель группы Рита Бернабей (Rita Bernabei). Многие ученые скептически отнеслись к ее выводам.

Гипотетическая частица темной материи по-английски называется WIMP (Weakly Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующая массивная частица, по-русски иногда используется термин вимп. Вимп очень мал, не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях, однако участвует в гравитационном и слабом взаимодействиях, при этом обладает значительной для частицы массой, а потому может быть обнаружен (если, конечно, существует).

Для поиска вимпов на Земле построено несколько специальных детекторов, в том числе расположенный глубоко под горой Гран-Сассо DAMA/LIBRA (Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare processes – "Темная материя: поиск редких процессов при помощи большой массы йодида натрия"). Основную часть детектора составляют 25 сверхчистых кристаллов йодида натрия общей массой около 250 килограммов. Попадание вимпа в ядро атома вызывает колебания окружающих электронов и может быть зарегистрировано как вспышка света.

В 2000 году группа  Бернабей уже заявляла о том, что показания детектора подтверждают существование вимпов. Больше всего частиц в детектор попадало в июне, меньше всего – в декабре, что, по мнению ученых, объяснялось движением Земли сквозь гало темной материи, окружающее Млечный путь.

 По мнению Ричарда Гэйтскелла (Richard Gaitskell), специалиста по темной материи из Брауновского университета, статистически данные выглядят очень убедительно. Этого, однако, недостаточно для доказательства существования вимпов: надо убедиться, что в измерениях отсутствует систематическая ошибка.

4.5.Новые наблюдения  темной материи

 Объединив данные оптических и рентгеновских телескопов, астрономы обнаружили, что в объекте Абель 520 область темной материи и область видимых галактик существуют отдельно. В рамки современной теории о поведении темной материи эти наблюдения не укладываются, сообщает рентгеновская обсерватория "Чандра" в своем пресс-релизе.

Темная материя (скрытая масса) - гипотетическая материя, не поглощающая и не испускающая электромагнитного излучения, и потому недоступная прямому наблюдению. В гравитационном взаимодействии темная материя, однако, участвует, поэтому ее можно обнаружить за счет искривления проходящих мимо световых лучей.

Объект Абель 520 также представляет собой слияние скоплений. Когда астрономы совместили данные о нем, полученные с помощью оптических телескопов, расположенных на горе Мауна-Кеа на Гавайях, с данными рентгеновского телескопа "Чандра", они обнаружили, что в этом слиянии есть "темная" и "светлая" области. "Темная" содержит темную материю и раскаленный газ, при этом не содержит галактик, "светлая" содержит галактики и не содержит или почти не содержит темной материи.

Современная теория не может объяснить это явление. Исследователи, обнаружившие его, предлагают две предварительные гипотезы. Первая предполагает, что "темная" и "светлая" области были разделены сложным гравитационным взаимодействием, которое, однако, не удается промоделировать на компьютере. Вторая допускает наличие особого, пока не описанного взаимодействия между частицами темной материи. Эта гипотеза может вступать в противоречие с данными по изученным ранее слияниям, например, по слиянию Буллит.

4.6. Частицы темной материи нашли в вакууме

Вакуум может вращать электромагнитные волны, установили сотрудники итальянского Национального института ядерной физики. Они пропустили линейно поляризованный лазерный луч сквозь сильное магнитное поле и получили на выходе эллиптически поляризованный пучок света.

Из квантовой теории поля, однако, известно, что в вакууме рождаются разнообразные пары "частица-античастица". Гипотетическую частицу, которая "закручивает" свет (то есть изменяет его поляризацию) назвали аксионом. По мнению физиков, аксионы взаимодействуют не со всеми фотонами, а только с теми, которые поляризованы параллельно внешнему магнитному полю.

Астрофизики допускают, что аксионы составляют основу "темной материи", более распространенной во Вселенной, чем обычное вещество, но при этом невидимой. Тем не менее, существование аксионов могут подтвердить именно астрономические данные. Так, вблизи некоторых нейтронных звезд возникает магнитное поле, в 10 миллиардов раз более мощное, чем то, которое использовали в эксперименте (а его напряженность, в свою очередь, была примерно в 100 тысяч раз выше напряженности "усредненного" магнитного поля Земли). В этом поле свет должен претерпевать существенные изменения. Ученые говорят, что этот эффект проще всего наблюдать при "затмении пульсаров", но затмение с нужными характеристиками случится не раньше 2020 года

III. Выводы

Я ставил перед собой цель: обобщение имеющейся на сегодняшний день информации о структуре Вселенной, отыскание ответа на вопрос «что же тёмная материя», из чего она состоит, когда впервые была обнаружена и обоснование современных взглядов на теорию темной материи. В ходе исследования я обнаружил, что «темная материя» образовалась в результате Большого взрыва. Бывает горячей, состоящей их нейтрино, и холодной, которая должна состоять из массивных медленно движущихся частиц или сгустков вещества, предположительно фотино, гравитино. Узнал о темной энергии, которая создаёт антитяготение, о вариантах возможного присутствия темной материи (частицы темной материи нашли в вакууме) и о том, как её обнаружить. Темная материя (скрытая масса) - гипотетическая материя, не поглощающая и не испускающая электромагнитного излучения, и потому недоступная прямому наблюдению. В гравитационном взаимодействии темная материя, однако, участвует, поэтому ее можно обнаружить за счет искривления проходящих мимо световых лучей.

      Ученые из нескольких американских институтов разработали детектор частиц темной материи, который, по словам авторов, намного превосходит существующие приборы по эффективности.

Считается, что основными частицами, составляющими темную материю, являются вимпы. Вимпы можно фиксировать непосредственно, используя специальные детекторы. Обычно они находятся на значительной глубине: земля поглощает большую часть частиц "обычной" материи, которые создают сильный фон.

Детектор должен фиксировать вспышки света, возникающие при столкновении вимпов с другими частицами. Фотоэлектронные умножители позволяют многократно усилить слабый сигнал и "засечь" одиночное столкновение.

Сейчас разработанный учеными детектор проходит проверку в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе. Затем (если проверка пройдет успешно) его перевезут в одну из подземных лабораторий, где детектор начнет поиски темной материи.

Считаю, что цели своего исследования я достиг и задачи, поставленные в начале исследования, выполнены.

IV. Заключение.

         Я считаю, что теория «тёмной материи» - актуальная тема исследований космического пространства. Мы боимся конца света, а ведь что представляет из себя тёмная материя, до сих пор точно не знает никто. Она  таит в себе  новые открытия, может быть, очень страшные.

V. Литература.

1. Черепащук А.М., Чернин А.Д. «Вселенная, жизнь, черные дыры» Фрязино, 2004
2. http://www.astronet.ru/
3. Новостные сайты interneta