темная материя и темная энергия. Учреждение профессионального образования Колледж Казанского инновационного университета
 Скачать 232.91 Kb.
|
|
2115 Учреждение профессионального образования «Колледж Казанского инновационного университета» ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ТЕМА ВСЕЛЕННАЯ И ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ Студент группы УК 1023/9 Попов И.О. (Фамилия И. О.) _______________________________ (Подпись) Руководитель: Мугинова Г.С. (ученая степень, должность) (Фамилия И. О.) ________________________________ (Подпись) Набережные Челны 2023 год 2215 2315 Содержание Введение Темная материя История темной материи Исследование темной материи Темная материя как частица Суданская национальная лаборатория Рождение темной материи Темная энергия Заключение Список использованной литературы Введение 2415 Таинственная темная материя, которая связывает звезды и галактики воедино. Эта темная энергия отталкивания, которая создает пространство во вселенной, но движет галактики дальше и дальше на встречу зловещей гибели. Объединенная темная материя и темная энергия составляют 96% вселенной. Если раскрыть их, то конечная судьба вселенной может быть определена. Она разрушится и сгорит под ужасающими воздействиями сил гравитации, или темная энергия разорвет вселенную на части. Еще есть мнение, что вселенная погибнет во льду. Понимание этих двух величин, темной материи и темной энергии, очень существенно для понимания вселенной. Темная Материя Темная материя непохожа ни на что, с тем, с чем мы, когда-либо сталкивались на земле. Миллиарды необычных частиц проходят сквозь все, с чем сталкиваются каждую секунду, они на столько огромны по весу, что оказывают влияние на галактики, на то, как они образуются и на, то, как быстро вращаются. Ученые не доказали на прямую существование темной материи, есть много предположений, но нет ответов. А наблюдать за тем, что вы не можете видеть, не легко. Она не излучает свет и не поглощает его, она никак не взаимодействует со светом вообще. Любой ученый на земле утверждает, что вселенная создана из атомов и субатомных частиц. И так, все ли эти учебники правильны? 2515 История темной материи Охота за темной материей началась 100 лет назад. Астрономы получили инструменты, чтобы заглянуть в ночное небо и появились вопросы. В 1920 году технологии продвинулись достаточно далеко, так люди могли взять размытые пятна, которые они видели в свои телескопы, и понять, что они из себя представляют. Тогда Эдвин Хаббл потряс мир и заявил, что вселенная нечто большее, чем Млечный Путь. Люди поняли, что эти маленькие размытые пятна, это отдельные галактики, как наш Млечный Путь. Пока астрономы открывали новые галактики, профессор Калт изучал скопления галактик в созвездии Волосы Вероники и заметил кое-что странное. Когда он измерил, как двигаются галактики, он получил оценку для массы этого скопления. Затем он сравнил с массой, которую мы могли бы на самом деле видеть, наблюдая галактики. Что-то не сходилось. Галактики двигались очень быстро, внутри скопления для такого их количества как в этой области. По его расчетам должно было быть в 160 раз больше освещенной массы, чтобы объяснить случайные скорости движения галактик в их скоплении. Что-то еще воздействовало на их движение, но что же это было? Он проанализировал их движения и пришел к выводу, что скопление не могло быть стабильным, если там не было большого количества темной материи. В 1933 году он был первым человеком, кто на самом деле понял значимость темной материи, он назвал ее Отсутствующей материей. Темная материя, невидимая масса, обладающая силой притяжения и способная влиять на скорость вращения галактик в их скоплении. Но его открытие в значительной степени было проигнорировано. Но люди не спешили с выводами, это было время, когда вселенная была как раз в начале изучения, это были 20 годы, когда мы осознали, что есть еще галактики помимо нашей. Но мы не знали тогда, были ли это галактики, звезды или пыль, которую мы не могли видеть, или это что-то принципиально другое. Наблюдения были основаны на измерении масс звезд и галактик, но как можно взвесить вещество в космосе? 2615 Нельзя поставить Солнце на весы, но что можно, это измерить скорость вращения планет вокруг Солнца. Чем больше масса Солнца, тем быстрее движутся планеты, стремясь сохранить свои орбиты. Ньютон и Эйнштейн утверждали, чем больше масса тела, тем большим притяжением оно обладает. И чем дальше тело от центра, тем дольше оно движется по орбите, поскольку силы притяжения слабеют. Согласно Общей теории относительности, или хотя бы теории Общей гравитации Ньютона, все галактики притягивают друг друга. Это похоже на воздействие Солнца, на нашу Солнечную систему. Масса Солнца притягивает Меркурий сильнее, чем Плутон, поскольку Меркурий ближе к Солнцу. Тоже относится и к галактикам, и чем дальше тело от центра, тем дольше оно движется, чтобы оставаться на своих орбитах. Однако ученые этого не наблюдали, их слова были подтверждены молодым ученым, Верой Рубин, 50 лет спустя. Она наблюдала кривые вращения галактик похожих на Млечный Путь. Она пришла к парадоксальным выводам. Даже от удаления от центра галактик, скорость газа и пыли в ней остается неизменным. Внешние части галактик вращаются настолько быстро, что они должны быть на много массивнее, иначе галактика разлетится на части. Единственное объяснение этого парадокса галактик, вращающихся в 10 раз быстрее, было предположение о наличии кольца невидимого вещества, окружающего галактику и сохраняющего ее ценность. В галактиках существовала темная материя. Она обладала достаточной массой, чтобы сохранить скорость вращения. Массы темной материи у Рубин вышло в 10 раз больше массы видимого вещества. С тех пор люди проанализировали 100 галактик, результат тот же, галактики вращаются с большей скоростью, чем должны вращаться. Значит их целостность обусловлено наличием темной материи, далее ученые обратили внимание на вопрос. Что такое темная материя и как можно найти невидимое вещество в космосе? 2715 Исследование темной материи Ученые должны были увидеть, где темная материя скрыта во вселенной, даже если темную материю нельзя увидеть, ученые могли это реализовать, ведь эта темная материя проявит себя, искривляя прошедший через нее свет. Этот метод называется Гравитационным линзированием, своего рода прожектор, высвечивающий невидимое вещество во вселенной. Дело в том, что любая материя может искривлять путь световых лучей. Темная материя тоже должна искривлять путь луча света. Исследуя траекторию света, гравитационное линзирование выявляет темную материю, накопленную в галактических дисках. Метод гравитационного линзирования исключает возможность ошибки, таким образом, было выявлено присутствие темной материи. Этот метод является крайне точным, поскольку мы можем не только определить массу этой материи, но и места ее скопления в космосе. И все, потому что мы можем проанализировать искажение лучей света, проходящих через темную материю. Исследуя полученные телескопом Хаббл фотографии вселенной, изучая искривление света в темном пространстве, люди создают карту темной материи. Темная материя составляет основную массу галактики, обычная материя попадает в гравитационное поле темной материи. 2815 Темная материя как частица Когда существование темной материи было признанно, ученые стали спорить является ли она новой частицей, или же обычной, просто невидимой материей? Когда люди обнаружили темную материю, все захотели узнать, что это? Первым же ответом было то, что это обычная материя, из которой создано все, и я и любой человек или еще что-то во вселенной, просто не излучающая ничего. Ученые начали исследовать объекты во вселенной, не излучающие свет. Например, черные дыры, они не излучают свет, притягивают материю и выявляются методом гравитационного линзирования. Темная материя может объясняться наличием черных дыр, или М.А.К.Г.О. (Массивных астрофизических компактных галло объектов) к которым относятся темные, малые звезды, которые не излучают света. М.А.К.Г.О. прячутся на просторах млечного пути и могут быть выявлены гравитационным линзированием. Однако их не было достаточно для объяснения наличия темной материи. Коричневые карлики тоже попали в список подозреваемых, они достаточно массивны, чтобы считаться темной материей. Чем бы не являлась темная материя ее масса во много раз превышает массу планет и звезд. Всего вещества, которого можно создать из атомов, протонов, нейтронов и электронов, недостаточно для объяснения общего количества материи, наблюдаемой в галактиках и их скоплениях. Ученые продолжили выдвигать новые гипотезы для изучения темной материи. Раннее открытые специфичные частицы, на подобие нейтрина были пересмотрены, как и темная материя, частицы нейтрина проходят через землю, миллионы частиц каждый миг, но они слишком легкие и не могут объяснить действие темной материи. К тому же ученые умеют создавать нейтрины на ускорителях частиц. Нейтрины так же исходят от солнца. Другим возможным кандидатом темной материи являются оксионы, они были придуманы для объяснения пробелов, в одной из глав 2915 теории физики частиц. Они должны быть чрезвычайно легкими и выявляться совсем иными методами, что используем мы. Но такое возможно, они могут быть многочисленны и возможно являться темной материей. Оксионы достаточно легкие и скорее всего они возникли в момент большого взрыва, как и темная материя. Но теория говорит, что оксионы могут превращаться в протоны, но темная материя неизменимая. Исключив все известные нам частицы, можно полагать, что темная материя, это новый вид частиц, непохожих ни на что на земле. Миллиарды этих частиц проходят сквозь нас каждую секунду. До открытия темной материи считалось, что вселенная состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые формируют все вещество на земле. И что бы стать кандидатом на роль темной материи, вещество должно обладать некоторыми физическими свойствами и ни одна известная частица не подходит под описание. Нам известно, что темная материя тяжелая, мы знаем, что она не движется слишком быстро, и мы знаем, что не можем ее видеть. Частицы темной материи не движутся со скоростью света и не взаимодействуют ни с чем и поэтому так тяжело обнаружить эти частицы. И они не взаимодействуют никак с обычной материей, кроме силы притяжения. Если бы я мог держать ее в руке, я бы не ощутил ее вес. Проблема в том, что она пройдет сквозь мои пальцы, именно поэтому ученые не видят кандидатов на роль темной материи в рамках стандартной физики частиц. Подобно человеку невидимке, миллиарды частиц темной материи ежесекундно проходит через нас и все что нас окружает. Не взаимодействуя с обычной материей. Таким образом, на роль темной материи все-таки есть кандидат. Эта частица С.В.Т.Ч. (Слабо взаимодействующая тяжелая частица), они не были экспериментально обнаружены, но их свойства идеально подходят под свойства темной материи. 21015 Суданская национальная лаборатория Когда ученые слышат об этой материи, названной темной материей, они говорят: "Ерунда, покажите мне доказательства, что темная материя существует". И был проведен эксперимент, доказать это. Любой бы мог подумать, что мы хотим взглянуть на небо в поисках темной материи, все же оттуда она происходит. Но в итоге что бы доказать ее существование, ученые спускаются на глубину 741 метров в шахту, где находится Суданская национальная лаборатория, ну или заброшенная шахта, переделанная в исследовательский центр. Эта лаборатория, одна из немногих во всем мире расположенных под землей, для защиты экспериментов от космических лучей. Которые стремятся обнаружить темную материю, невидимые частицы, за которыми наблюдали лишь косвенно, но ни разу не удавалось их поймать. Они ставят эксперименты уже 10 лет и все равно не удалось найти ни одной частицы темной материи. В подземной лаборатории как раз и пытаются запечатлеть С.В.Т.Ч. Это называется криогенным поиском темной материи, сокращенно К.П.Т.М. Там разработали устройство, способное при температуре ниже 0 градусов, распознать проходящую через него частицу темной материи. Это устройство сделано из германия, с плотной кристаллической решеткой. На специальном приборе, сделанном из чистого германия, установлены термометры, которые могут засечь прохождение частиц, через этот кусок германия. Темная материя проходит сквозь нас, без каких-либо последствий, изредка она должна сталкиваться с ядром атома, и они надеются засечь след такого столкновения. Что бы четко определить частицу темной материи, ученым следует для начала отсеять мусор, потому что через прибор проходит столько частиц, что это становится похожим на поиск иголки в стоге сена. Поэтому, чем меньше ненужных частиц в воздухе, тем легче найти частицу темной материи. Поскольку темная материя крайне слабо взаимодействует с протонами и электронами, ученые заморозили германий при температуре около абсолютного 0. Если частица пройдет через датчик и заденет ядро, то сместит его, тем самым изменит температуру вещества, а они наблюдают за малейшим 21115 изменением температуры вещества, чтобы найти частицы темной материи. Хоть и миллиарды частиц С.В.Т.Ч. проходит через землю, шанс, что эта частица темной материи вступит в реакцию с ядром прибора равна 1 на миллион. Но пока эта частица так и не была обнаружена. Но в любой день может поступить информация, что физикам удалось поймать частицу темной материи в ловушку. 21215 Рождение темной материи Историю темной материи невозможно рассказать, не вернувшись к истокам времен. К моменту Большого взрыва, когда космоса еще не существовало. У вселенной нет центра, на который можно было бы указать, это прямая параллель с большим взрывом, невозможно определить направление в небе, в котором разлетаются галактики, между моментом небытия и взрывом появился космос, и вселенная начала зарождаться. В ядерном синтезе газа и энергии сформировались первые частицы, обычная материя вступила во взаимодействие с другой материей, и юная вселенная представляла собой ядерный реактор в первый момент его существования и спустя 380 тысяч лет частицы стали собираться в кластеры, образовав семена, из которых позже начали появляться звезды и галактики. Большие скопления разлетались и создавали еще большие скопления, гравитация с медленно растущей силой, притягивала тела друг к другу. Ученые считают, что в момент большого взрыва и возникла темная материя. Она играла важную роль, помогая обычной материи соединяться, образуя звезды и планеты. Подобно строительным балкам темная материя играла роль основания, к которой потом прикреплялась обычная материя. Как космическая паутина, как сеть паука, которая состоит из нитей темной материи, пересекающихся наподобие строительных мостков, таким образом, темная материя является опорной рамой, она образует мостки для сияющих галактик, которые мы легко можем увидеть. Все это время ученые не сидели просто так, они создавали карту скопления темной материи с помощью гравитационного линзирования и ученые были правы, там, где находятся галактики, и находиться темная материя, так как она играет роль каркаса вселенной. Составив такую карту, ученые могут заглянуть в прошлое и подсчитать массу материи в момент Большого взрыва, зная плотность вселенной сегодня и ее плотность, когда она была в 2 раза меньше и когда она была еще в 2 меньше, можно сделать выводы относительно суммарной массы вселенной. Это дает нам хороший способ вычислить суммарную массу темной материи. 21315 Темная энергия Считается, что темная материя составляет 23% вселенной, так как обычная материя составляет всего 4%. Большая масса темной материи объясняет величину силу притяжения во всех скоплениях и галактиках. Но что составляет остальные 73% вселенной? Ученые были потрясены тем, что все эти 73% являются энергией отталкивания галактик друг от друга. Эта энергия по-другому называется, темной. Эта энергия отталкивания влияет на разбегание галактик. Ученые всегда считали, что, когда вселенная расширится, она замедлится или даже придет к коллапсу. Сила притяжения окажется сильнее начального импульса. Однако исследуя историю расширения вселенной, ученые были шокированы, что расширение вселенной не замедляется, оно ускоряется. И ужасная судьба ожидает все живые существа. Вселенная разъединится, температура упадет на столько, что все разумные формы жизни замерзнут. С момента большого взрыва пространство вечно расширяется и это никогда не прекратится. Захватывая в этом процессе галактики, пространство между ними расширяется, но не сами галактики, земля не расширяется, солнечная система тоже не расширяется. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики убегают от млечного пути, он осознал, что дальние галактики удаляются быстрее, чем ближние, он понял, что сумеет измерить скорость из движения, изучив длинны волн от них проходящих через призму. Этот способ называется, измерением красного смещения и до сих пор используется для измерения расстояния в космосе. Тем самым он обнаружил, чем дальше галактика от нас, тем быстрее она удаляется и тем самым больше красное смещение. Несколько лет назад ученые решили использовать красное смешение для измерения истории величины вселенной. Но как мы можем измерить всю историю расширения вселенной? Как вернуться на 12 миллиардов лет назад? У нас есть возможность вернуться назад во времени, чтобы увидеть прошлое, таким способом, геологи исследуют слои из разных эпох в 21415 большом каньоне и, раскапывая все более глубокие слои, мы возвращаемся все дальше в прошлое. Когда последовательно наблюдаешь все более далекие галактики, то видишь их такими, какие они были во все более далеком прошлом. При измерении истории расширения, ученые приняли сверхновую типа 1А за базовую единицу светимости, примером единицы светимости может быть 100Вт лампочка, вы можете расставить такие лампочки по всей комнате, на разном расстоянии от вас. Сверхновые типа 1А всегда светят одинаково, независимо от расположения в пространстве. Сверхновая — это колоссальный взрыв звезды в конце ее жизни. Она просто взрывается. Это происходит, когда звезда, белый карлик проходит процесс ядерного распада и разлетается на куски. Ученые обнаружили сверхновые типа 1А в очень далеких галактиках, так что они кажутся более тусклыми, мы сравниваем их со сверхновыми в ближних галактиках, расстояние которых было измерено с помощью красного смещения. Опираясь на сверхновые типа 1А, 2 команды ученых пытались измерить темп замедления расширения вселенной. Но что бы обнаружить сверхновую в процессе их образования, астрономы должны были вести наблюдение за всей вселенной. Но иногда, получается, засечь сверхновые. И сравнив яркое свечение далеких сверхновых звезд, со свечением ближних, можно вычислить расстояние до далеких галактик и удаление во времени, на которое мы заглядываем назад в историю космоса. Ученые были обескуражены полученным результатом, вселенная вовсе не замедляется, напротив темп ее расширения возрастает. Одним из величайших парадоксов в космологии за последние несколько лет, это понимание того, что темп расширения вселенной ускоряется, силу, вызывающую это ускорение назвали темной энергией. Темная энергия создает пространство и воздействует на галактики. Эта энергия, заполняющая вселенную и ускоряющая ее расширение, все быстрее и быстрее. Темная энергия очень отличается от темной материи, она не собирается в скоплении как галактики или звезды в созвездии, она представляется однородной, ее ускорение одинаково в любую сторону пространства. 21515 Темная энергия — это энергия вакуума, энергия пустоты, она разъединяет галактики, создавая разбегающуюся вселенную. Темная энергия и темная материя противодействуют друг другу, с начала времен. Ученые полагают что темная материя и темная энергия зародились в 1 момент после Большого взрыва, темная энергия всегда существовала во вселенной, однако темная материя ограничивала темную энергию замедляя расширение космоса в течение 9 миллиардов лет. Ситуация изменилась 5 миллиардов лет назад, когда космос был уже довольно большой и темная материя рассеялась по просторам вселенной, а темная энергия вышла из-под ее контроля и после этого, вселенная стала расширяться с возрастающей скоростью. Заключение Сегодня ученые считают, что темная энергия создает и расширяет космос, однако в начале 20 века астрономы считали, что вселенная состоит только из галактики Млечный путь и она не будет расширяться, в то время Эйнштейн разработал теорию относительности и решил применить ее к стандартной модели вселенной, несмотря на все усилия, он не смог подогнать свои подсчеты под стандартную модель вселенной. Согласно его подсчетам, вселенная расширялась или сжималась. Он пришел к выводу, что в целостной вселенной, материя распределена равномерно, его теория утверждала, что вселенная или расширяется или сжимается. Тогда Эйнштейн выдвинул теорию отталкивающей энергии атома. Создающее равновесие вселенной наравне с силой притяжения. Он назвал ее космологической постоянной. Он выдвинул космологическую постоянную или темную энергию, на основании модели стационарной вселенной, но, когда Хаббл сделал открытие что пространство расширяется, надобность в космологической постоянной Эйнштейна пала и он назвал ее самой большой ошибкой. И так получилось, что космическая постоянная, то есть темная энергия является доминантной силой, расширяющей вселенную. Промах Эйнштейна установит, погибнет вселенная в огне или льду. Считается, что вселенную ждет холодная смерть. Пытаясь объяснить устройство вселенной, Эйнштейн предсказал модель темной энергии и общую ее роль во вселенной, суммарной массы обычной темной материи недостаточно, чтобы объяснить кривизну пространства, которую мы наблюдаем. Размеры вселенной 21615 настолько огромны, что кривизна пространства выглядит плоской, соединив вместе темную материю, материю и темную энергию получаем точное предсказание кривизны пространства, и это точное предсказание попадает в цель. Получается, точный результат. Ученые только начали понимать какую роль играют темная материя и темная энергия в судьбе вселенной. В итоге, когда темная энергия полностью возобладает над темной материей, вселенная вступит в эпоху экспонентциального расширения, через определенный период времени она будет удваиваться в размерах и, если только темная энергия не сменит свою направленность и не начнет притягивать объекты, вселенная продолжит расширяться с ускоряющимися темпами. С открытием темной энергии и темной материи ученые приблизились к открытию единой теории, одного уравнения, который решит весь механизм устройства вселенной. Когда у нас будет единая теория поля, мы сможем ответить на самые глубокие вопросы, с тех пор как человек впервые посмотрел на небеса. Это может стать самым великим достижением за 2000 лет исследования законов природы, с тех пор как греки задались вопросом о природе вещей. На данный момент темная материя и Темная энергия остаются величайшей загадкой космологии в 21 веке 21715 Список использованной литературы 1. "Физика невозможного" МитиоКаку 2. Сайт http://www.modcos.com/ 3. Клапдор-Клайнгротхаус Г. В., Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, Физматлит, 1997. 4. Документальный фильм "Вселенная. Темная материя" |