Cos'è la materia nera? teoria della materia oscura

2024 Autore: Henry Conors | [email protected]. Ultima modifica: 2024-02-12 09:10

Chi è venuto prima: l'uovo o la gallina? Gli scienziati di tutto il mondo hanno lottato con questa semplice domanda per decenni. Una domanda simile sorge su ciò che era proprio all'inizio, al momento della creazione dell'Universo. Ma è stata questa creazione, o gli universi sono ciclici o infiniti? Cos'è la materia nera nello spazio e in che cosa differisce dalla materia bianca? Mettendo da parte vari tipi di religione, proviamo ad avvicinare le risposte a queste domande da un punto di vista scientifico. Negli ultimi anni, gli scienziati sono riusciti a fare l'impensabile. Probabilmente per la prima volta nella storia, i calcoli dei fisici teorici concordavano con i calcoli dei fisici sperimentali. Diverse teorie diverse sono state presentate alla comunità scientifica nel corso degli anni. Più o meno accuratamente, in modo empirico, a volte quasi scientifico, tuttavia, i dati teorici calcolati sono stati comunque confermati da esperimenti, alcuni anche con un ritardo di oltre una dozzina di anni (il bosone di Higgs, per esempio).

Materia oscura - energia nera

Ci sono molte di queste teorie, per esempio: Teoria delle stringhe, Teoria del Big Bang, Teoria dell'universo ciclico, Teoria dell'universo parallelo, Dinamica newtoniana modificata (MOND), F. Hoyle e altri. Tuttavia, allo stato attuale, è considerata generalmente accettata la teoria di un Universo in continua espansione ed evoluzione, le cui tesi si adattano bene all'interno del quadro del concetto di Big Bang. Allo stesso tempo, quasi empiricamente (cioè, empiricamente, ma con grandi tolleranze e sulla base delle moderne teorie esistenti sulla struttura del microcosmo), sono stati ottenuti dati che tutte le microparticelle a noi note costituiscono solo il 4,02% del volume totale di l'intera composizione dell'Universo. Questo è il cosiddetto "cocktail barionico", o materia barionica. Tuttavia, la maggior parte del nostro Universo (più del 95%) sono sostanze con un piano diverso, composizione e proprietà diverse. Questa è la cosiddetta materia nera ed energia nera. Si comportano in modo diverso: reagiscono in modo diverso a vari tipi di reazioni, non sono fissati dai mezzi tecnici esistenti e mostrano proprietà precedentemente inesplorate. Da ciò possiamo concludere che o queste sostanze obbediscono ad altre leggi della fisica (fisica non newtoniana, un analogo verbale della geometria non euclidea), oppure il nostro livello di sviluppo della scienza e della tecnologia è solo nella fase iniziale della sua formazione.

Cosa sono i barioni?

Secondo l'attuale modello quark-gluone delle interazioni forti, ci sono solo sedici particelle elementari (e la recente scoperta del bosone di Higgs lo conferma): sei tipi (sapori) di quark, otto gluoni e due bosoni. I barioni sono particelle elementari pesanti con una forte interazione. I più famosi sono quark, protoni e neutroni. Famiglie di tali sostanze, diverse inrotazione, masse, il loro "colore", così come i numeri di "incanto", "stranezza", sono proprio i mattoni di quella che chiamiamo materia barionica. La materia nera (oscura), che costituisce il 21,8% della composizione totale dell'Universo, è costituita da altre particelle che non emettono radiazioni elettromagnetiche e non reagiscono con essa in alcun modo. Pertanto, almeno per l'osservazione diretta, e ancor più per la registrazione di tali sostanze, è necessario prima comprenderne la fisica e concordare le leggi a cui obbediscono. Molti scienziati moderni stanno attualmente facendo questo in istituti di ricerca in tutto il mondo.

L'opzione più probabile

Quali sostanze sono considerate possibili? Per cominciare, va notato che ci sono solo due opzioni possibili. Secondo GR e SRT (Relatività Generale e Speciale), in termini di composizione, questa sostanza può essere sia materia oscura barionica che non barionica (nera). Secondo la teoria principale del Big Bang, qualsiasi materia esistente è rappresentata sotto forma di barioni. Questa tesi è stata dimostrata con una precisione estremamente elevata. Allo stato attuale, gli scienziati hanno imparato a catturare le particelle formate un minuto dopo lo scoppio della singolarità, cioè dopo l'esplosione di uno stato superdenso della materia, con una massa corporea tendente all'infinito e dimensioni corporee tendenti allo zero. Lo scenario con particelle barioniche è il più probabile, poiché è da esse che è costituito il nostro Universo e attraverso di esse continua la sua espansione. materia nera,secondo questa ipotesi, è costituito da particelle di base generalmente accettate dalla fisica newtoniana, ma per qualche ragione che interagiscono debolmente in modo elettromagnetico. Ecco perché i rilevatori non li rilevano.

Non sta andando così bene

Questo scenario si adatta a molti scienziati, ma ci sono ancora più domande che risposte. Se sia la materia bianca che quella nera sono rappresentate solo da barioni, la concentrazione di barioni leggeri in percentuale di quelli pesanti, come risultato della nucleosintesi primaria, dovrebbe essere diversa negli oggetti astronomici iniziali dell'Universo. E sperimentalmente, la presenza nella nostra galassia di un numero sufficiente di equilibrio di grandi oggetti gravitazionali, come buchi neri o stelle di neutroni, non è stata rivelata per bilanciare la massa dell'alone della nostra Via Lattea. Tuttavia, le stesse stelle di neutroni, aloni galattici oscuri, buchi neri, nane bianche, nere e brune (stelle in diversi stadi del loro ciclo di vita), molto probabilmente, fanno parte della materia oscura di cui è composta la materia oscura. L'energia nera può anche completare il loro riempimento, inclusi oggetti ipotetici previsti come preon, quark e stelle Q.

Candidati non barionici

Il secondo scenario implica un'origine non barionica. Qui, diversi tipi di particelle possono agire come candidati. Ad esempio, i neutrini leggeri, la cui esistenza è già stata dimostrata dagli scienziati. Tuttavia, la loro massa, nell'ordine del centesimo a unodecimillesimo eV (elettron-Volt), li esclude praticamente da possibili particelle per l'irraggiungibilità della densità critica necessaria. Ma i neutrini pesanti, accoppiati con i leptoni pesanti, praticamente non si manifestano in interazioni deboli in condizioni normali. Tali neutrini sono chiamati sterili; con la loro massa massima fino a un decimo di eV, è più probabile che siano candidati per particelle di materia oscura. Assioni e cosmioni sono stati introdotti artificialmente nelle equazioni fisiche per risolvere problemi di cromodinamica quantistica e nel modello standard. Insieme a un' altra particella supersimmetrica stabile (SUSY-LSP), possono benissimo qualificarsi come candidati, poiché non partecipano alle interazioni elettromagnetiche e forti. Tuttavia, a differenza dei neutrini, sono ancora ipotetici, la loro esistenza deve ancora essere dimostrata.

Teoria della materia nera

La mancanza di massa nell'Universo dà origine a diverse teorie su questo punto, alcune delle quali sono abbastanza coerenti. Ad esempio, la teoria secondo cui la gravità ordinaria non è in grado di spiegare la strana ed esorbitante velocità di rotazione delle stelle nelle galassie a spirale. A tali velocità, ne uscirebbero semplicemente, se non fosse per qualche tipo di forza di tenuta, che non è ancora possibile registrare. Altre tesi di teoria spiegano l'impossibilità di ottenere WIMP (massicci particelle elettrodeboli-partner di sottoparticelle elementari, supersimmetriche e superpesanti - cioè candidati ideali) in condizioni terrestri, poiché vivono in n-dimensione, che è diversa dalle nostre tre quello dimensionale. Secondo la teoria di Kaluza-Klein, tali misurazioni non sono disponibili per noi.

Cambiare le stelle

Un' altra teoria descrive come le stelle variabili e la materia nera interagiscono tra loro. La luminosità di una tale stella può cambiare non solo a causa dei processi metafisici che si verificano all'interno (pulsazioni, attività cromosferica, espulsione di prominenza, spillover ed eclissi nei sistemi stellari binari, esplosione di supernova), ma anche a causa delle proprietà anomale della materia oscura.

Azionamento WARP

Secondo una teoria, la materia oscura può essere utilizzata come carburante per i motori subspaziali di veicoli spaziali che operano sull'ipotetica tecnologia WARP (WARP Engine). Potenzialmente, tali motori consentono alla nave di muoversi a velocità superiori a quella della luce. In teoria, sono in grado di piegare lo spazio davanti e dietro la nave e spostarlo al suo interno anche più velocemente di quanto un'onda elettromagnetica acceleri nel vuoto. La nave stessa non accelera localmente: solo il campo spaziale di fronte è piegato. Molte storie fantasy utilizzano questa tecnologia, come la saga di Star Trek.

Crescita in condizioni terrestri

I tentativi di generare e ottenere materia nera sulla terra non hanno ancora avuto successo. Attualmente, gli esperimenti sono in corso presso l'LHC (Large Andron Collider), esattamente dove è stato registrato per la prima volta il bosone di Higgs, così come in altri, meno potenti, inclusi i collisori lineari alla ricerca dipartner di particelle elementari stabili, ma che interagiscono debolmente elettromagneticamente. Tuttavia, non sono ancora stati ottenuti né fotino, né gravitino, né higsino, né sneutrino (neutralino) né altri WIMP. Secondo una stima preliminare degli scienziati, per ottenere un milligrammo di materia oscura in condizioni terrestri, è necessario l'equivalente dell'energia consumata negli Stati Uniti durante l'anno.