Termit tumma energia ja tumma aine eivät ole täysin onnistuneita ja edustavat kirjaimellista, mutta ei semanttista käännöstä englannista. Fyysisessä mielessä nämä termit tarkoittavat vain, että nämä aineet eivät ole vuorovaikutuksessa fotonien kanssa, ja niitä voidaan yhtä hyvin kutsua näkymättömäksi tai läpinäkyväksi aineeksi ja energiaksi.
Tumma aine astronomiassa ja kosmologiassa, samoin kuin teoreettisessa fysiikassa, on hypoteettinen ainemuoto, joka ei säteile tai ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn kanssa. Tämän aineen muodon tämä ominaisuus tekee sen suoran havaitsemisen mahdottomaksi.
Johtopäätös tumman aineen olemassaolosta tehdään lukuisten, johdonmukaisten, toistensa kanssa, mutta epäsuorien merkkien perusteella astrofysikaalisten esineiden käyttäytymisestä ja niiden luomista painovoimavaikutuksista. Pimeän aineen luonteen löytäminen auttaa ratkaisemaan piilotetun massan ongelman, joka liittyy erityisesti galaksien ulkopintojen epätavallisen korkeaan pyörimisnopeuteen.
Otetaan lisätietoja tästä kaikesta …
Pimeä aine ja pimeä energia eivät ole näkyvissä silmälle, mutta niiden läsnäolo on osoitettu maailmankaikkeuden havaintojen avulla. Miljardeja vuosia sitten maailmankaikkeus syntyi katastrofaalisen Ison räjähdyksen jälkeen. Kun varhainen maailmankaikkeus hidastui, elämä alkoi kehittyä siinä. Seurauksena muodostui tähtiä, galakseja ja muita sen näkyviä osia. Universumimme koko on yksinkertaisesti huikea. Esimerkiksi yksi aurinko riittää valaisemaan ja lämmittämään miljoonan planeetan kuten Maapallon. Tässä tapauksessa aurinko on keskikokoinen tähti, ja yksin galaksiamme koostuu 100 miljardista tähdestä. Tämä määrä ylittää hiekkajyvien määrän pienellä rannalla. Tämä ei kuitenkaan ole kaikki.
Kuten tiedät, maailmankaikkeus koostuu useista miljardeista galakseista, joissa on olemassa erilaisia aineita. Onko mahdollista, että jokin näistä asioista oli näkymätön silmälle. Todennäköisesti, koska viimeaikaisten tutkimusten tulokset ovat osoittaneet, että voimme nähdä vain kymmenesosan maailmankaikkeudesta. Tämä tarkoittaa, että henkilö ei yksinkertaisesti pysty tutkimaan yli 90 prosenttia aineesta edes erityislaitteita käyttämällä. Astronomit kutsuvat tätä asiaa tummaksi.
Tiedetään, että tumma aine on vuorovaikutuksessa "valoisan" (baryonisen) kanssa, ainakin gravitaatiota tavalla, ja se on väliaine, jonka keskimääräinen kosmologinen tiheys on useita kertoja korkeampi kuin baryonien tiheys. Viimeksi mainitut vangitaan tumman aineen pitoisuuksien painovoimakuoppiin. Siksi, vaikka tumman aineen hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa valon kanssa, valoa lähetetään sinne, missä on tummaa ainetta. Tämä merkittävä gravitaation epävakauden ominaisuus antoi mahdolliseksi tutkia tumman aineen määrää, tilaa ja jakautumista havaintotiedoista radioalueelta röntgensäteisiin.
Mainosvideo:
Vuonna 2012 julkaistussa tutkimuksessa, joka koski yli 400 tähteä, jotka sijaitsevat korkeintaan 13 000 valovuoden päässä auringosta, ei löytynyt todisteita tumman aineen esiintymisestä suuressa tilavuudessa auringon ympärillä. Teorioiden ennusteiden mukaan pimeän aineen keskimääräisen määrän auringon läheisyydessä olisi pitänyt olla noin 0,5 kg maapallon tilavuudessa. Mittaukset kuitenkin antoivat arvon 0,00 ± 0,06 kg tummaa ainetta tässä tilavuudessa. Tämä tarkoittaa, että yritykset pimeän aineen rekisteröimiseksi maan päälle, esimerkiksi pimeän aineen hiukkasten harvinaisissa vuorovaikutuksissa "tavallisen" aineen kanssa, voivat tuskin olla onnistuneita.
Maaliskuussa 2013 julkaistujen Planck Space Observatoryn havaintojen mukaan, joita on tulkittu ottaen huomioon standardi kosmologinen Lambda-CDM-malli, havaitun maailmankaikkeuden kokonaismassaenergia koostuu 4,9%: sta tavallista (baryonista) ainetta, 26,8%: sta pimeää aines ja 68,3% pimeästä energiasta. Siten maailmankaikkeus koostuu 95,1%: sta pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta.
Todistus tumman aineen olemassaolosta on sen raskaus - painovoima, joka, kuten liima, ylläpitää maailmankaikkeuden eheyttä. Kaikkia maailmankaikkeuden osia kiinnitetään toisiinsa. Tämän ansiosta tutkijat pystyivät laskemaan näkyvän maailmankaikkeuden kokonaismassan sekä gravitaatiovoimien indikaattorit. Laskelmien aikana näissä parametreissä paljastui merkittävä epätasapaino, mikä antoi syyn uskoa, että on olemassa jotakin näkymätöntä ainetta, jolla on tietty massa ja joka myös altistuu painovoimalle.
Pimeän aineen tutkimus Lisäksi todisteena pimeän aineen olemassaolosta oli sen painovoimainen vaikutus muihin esineisiin, mukaan lukien tähtien ja galaksien liikkeen etenemissuunta. Monien galaksien on havaittu pyörivän odotettua nopeammin. A. Einsteinin painovoimateorian mukaan niiden tulisi lentää eri suuntiin. Jotkut näkymättömät näyttävät kuitenkin pitävän heidät yhdessä.
Pimeä aine voi myös vaikuttaa valon etenemispolkuun. Painovoimaisen linssin ilmiötä tutkittiin, mikä koostuu siitä, että tiheät esineet kykenevät heijasta etäisten esineiden valoa muuttaen valonvuon rataa. Tämä johtaa kuvan vääristymiseen ja tähtiä ja galakseja sisältävien miraamien ilmestymiseen. Tutkijat tallentavat nämä valon taipumat, mutta eivät voi nimetä tämän ilmiön luonnetta.
Pimeä aine universumissamme voi esiintyä massiivisten tähtitieteellisten halo-esineiden (MAGO) muodossa. Näitä ovat planeetat, kuut, ruskeat ja valkoiset kääpiöt, pölypilvet, neutronitähdet ja mustat aukot. Yleensä ne ovat liian pieniä valon havaitsemiseksi ihmisissä, mutta niiden olemassaolo voidaan laskea gravitaatiovaikutuksen avulla valovirtaan. Viime vuosina tähtitieteilijät ovat löytäneet erityyppisiä MAGO-kohteita. Ne voivat koostua sekä tavanomaisista baryonihiukkasista että akseineista, neutriineistä, wimpilistä ja supersymmetrisestä pimeästä aineesta.
Pimeän aineen ja tumman energian tutkimus
Kun kiinnostus tummaan aineeseen kasvaa jatkuvasti, syntyy uusia työkaluja, jotka auttavat saamaan laajemman käsityksen tästä salaperäisestä ilmiöstä. Esimerkiksi Hubble-avaruusteleskooppi on antanut erittäin arvokasta tietoa näkyvän maailmankaikkeuden koosta ja massasta. Nämä tiedot olivat ensimmäinen ja erittäin tärkeä askel kohti tumman aineen todellisen määrän tutkimista maailmankaikkeudessa.
On tärkeää ymmärtää, että maailmankaikkeuden rakenne ei ole satunnainen, ja Hubblen avulla voit esittää sen rakenteen yksityiskohtaisesti. On varmaa, että galaksit sijaitsevat klustereissa ja nämä klusterit ovat superklustereissa. Kosmisten kappaleiden superklusterit sijaitsevat sienimäisessä rakenteessa, jolla on laajat tyhjiöt. On selvää, että tällaisen rakenteen muodostuminen johtuu hyvin erityisistä syistä. Chandran observatorion röntgen kaukoputket auttavat tutkimaan näiden klustereiden valtavia kuuman kaasun pilviä. Tutkijat ovat havainneet, että myös pimeän aineen on oltava läsnä näillä alueilla, muuten kaasu pääsee klusterista. Lisäksi parhaillaan kehitetään uusia työkaluja, jotka lopulta auttavat erottamaan tämän maailmankaikkeuden pimeän puolen.
Lähestymistavat ja menetelmät tumman ainepartikkelien tutkimiseksi
Tällä hetkellä tutkijat ympäri maailmaa yrittävät kaikin tavoin löytää tai keinotekoisesti hankkia tumman aineen hiukkasia maanpäällisissä olosuhteissa, käyttämällä erityisesti suunniteltuja superteknologisia laitteita ja monia erilaisia tieteellisiä tutkimusmenetelmiä, mutta toistaiseksi kaikkia teoksia ei ole kruunattu menestykseen.
Mistä maailmankaikkeus on tehty
Yksi menetelmistä sisältää kokeiden suorittamisen korkean energian kiihdyttimillä, jotka tunnetaan yleisesti kollidereina. Tutkijat uskovat, että tumman aineen hiukkaset ovat 100 - 1000 kertaa raskaampia kuin protoni, olettaen, että ne on tuotettava, kun tavalliset hiukkaset törmäävät, ja törmäyslaite kiihdyttää korkeisiin energioihin. Toisen menetelmän ydin on pimeän aineen hiukkasten rekisteröinti, jotka ovat ympärillämme. Suurin vaikeus näiden hiukkasten rekisteröinnissä on, että niillä on erittäin heikko vuorovaikutus tavallisten hiukkasten kanssa, jotka ovat heille luonnostaan läpinäkyviä. Ja silti, pimeän aineen hiukkaset ovat hyvin harvoin, mutta törmäävät atomiytimiin, ja on olemassa tietty toivoa ennemmin tai myöhemmin tämän ilmiön rekisteröinnistä.
Pimeän ainepartikkeleiden tutkimiseen on muitakin lähestymistapoja ja menetelmiä, ja mikä niistä johtaa ensin menestykseen, vain aika näyttää, mutta joka tapauksessa näiden uusien hiukkasten löytämisestä tulee merkittävä tieteellinen saavutus.
Antigravitaatioaine
Tumma energia on vielä epätavallisempi aine kuin sama pimeä aine. Sillä ei ole kykyä kerääntyä kokkareihin, minkä seurauksena se on jakautunut tasaisesti ehdottomasti koko maailmankaikkeuteen. Mutta sen epätavallisin ominaisuus tällä hetkellä on antigravitaatio.
Nykyaikaisten tähtitieteellisten menetelmien avulla on mahdollista määrittää maailmankaikkeuden laajentumisnopeus tällä hetkellä ja simuloida sen muutosprosessia aikaisemmin. Tuloksena saatiin tietoa siitä, että tällä hetkellä, samoin kuin lähimenneisyydessä, maailmankaikkeusmme laajenee, kun taas tämän prosessin nopeus kasvaa jatkuvasti. Siksi hypoteesi pimeän energian antigravitaatiosta ilmestyi, koska tavallisella gravitaation vetovoimalla olisi hidastava vaikutus "galaksien taantuman" prosessiin, mikä rajoittaisi maailmankaikkeuden laajentumisnopeutta. Tämä ilmiö ei ole ristiriidassa yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta samalla pimeässä energiassa on oltava negatiivinen paine - ominaisuus, jolla yhdelläkään tällä hetkellä tunnetuista aineista ei ole.
Ehdokkaat "Dark Energy" -roolista
Abel 2744 -klusterin galaksien massa on alle 5 prosenttia sen kokonaismassasta. Tämä kaasu on niin kuuma, että se hehkuu vain röntgenalueella (tässä kuvassa punainen). Näkymättömän tumman aineen jakauma (joka muodostaa noin 75 prosenttia tämän klusterin massasta) on sininen.
Yksi oletettavista ehdokkaista pimeän energian rooliin on tyhjiö, jonka energiatiheys pysyy muuttumattomana maailmankaikkeuden laajenemisen aikana ja vahvistaa siten tyhjiön negatiivisen paineen. Toinen oletettu ehdokas on "kvintesenssi" - aiemmin tutkimaton superheikkokenttä, jonka oletetaan kulkevan koko maailmankaikkeuden läpi. On myös muita mahdollisia ehdokkaita, mutta yksikään heistä ei tällä hetkellä ole auttanut saamaan tarkkaa vastausta kysymykseen: mikä on tumma energia? Mutta on jo selvää, että tumma energia on jotain täysin yliluonnollista, ja se on edelleen 2000-luvun perustavanlaatuisen fysiikan pääsalaisuus.