W czym rzecz?

To zdjęcie Hyper Suprime-Cam pokazuje mały (14 minut łuku na 9,5 minuty łuku) wycinek gromad galaktyk z konturami koncentracji ciemnej materii i częścią innego narysowanego za pomocą linii konturowych. Gwiazdy i galaktyki składają się z regularnej, „świecącej” materii. Teleskop Subaru / Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii

Jesteśmy otoczeni materią. W rzeczywistości JESTEŚMY materią. Wszystko, co wykrywamy we wszechświecie, również jest materią. Jest to tak fundamentalne, że po prostu akceptujemy, że wszystko składa się z materii. To podstawowy budulec wszystkiego: życia na Ziemi, planety, na której żyjemy, gwiazd i galaktyk. Zazwyczaj definiuje się go jako wszystko, co ma masę i zajmuje objętość przestrzeni.

Bloki budulcowe materii nazywane są „atomami” i „cząsteczkami”. One też są materią. Materia, którą możemy normalnie wykryć, nazywa się materią barionową. Istnieje jednak inny rodzaj materii, którego nie można bezpośrednio wykryć. Ale jego wpływ może. To jest nazwane Ciemna materia .

Normalna sprawa

Łatwo jest badać normalną materię lub „materię barionową”. Można go rozłożyć na cząstki subatomowe zwane leptonami (na przykład elektronami) i kwarkami (elementami budulcowymi protonów i neutronów). To one składają się na atomy i molekuły, które są składnikami wszystkiego, od ludzi po gwiazdy.

Komputerowa ilustracja modelu atomowego zawierającego atomy, protony, neutrony i elektrony. To są elementy budulcowe normalnej materii. Naukowa biblioteka zdjęć/Getty Images

Normalna materia jest świetlista, to znaczy oddziałuje elektromagnetycznie i grawitacyjnie z inną materią oraz z promieniowanie . Niekoniecznie świeci tak, jak myślimy o świecącej gwieździe. Może emitować inne promieniowanie (np. podczerwień).

Innym aspektem, który pojawia się, gdy dyskutuje się o materii, jest coś, co nazywa się antymaterią. Pomyśl o tym jako o odwrocie normalnej materii (lub może o jej lustrzanym odbiciu). Często słyszymy o tym, gdy mówią o tym naukowcy reakcje materii/antymaterii jako źródła zasilania . Podstawową ideą antymaterii jest to, że wszystkie cząstki mają antycząstkę, która ma tę samą masę, ale przeciwny spin i ładunek. Kiedy materia i antymateria zderzają się, anihilują się nawzajem i tworzą czystą energię w postaci promienie gamma . To tworzenie energii, jeśli można by ją wykorzystać, dostarczyłoby ogromnych ilości mocy każdej cywilizacji, która mogłaby wymyślić, jak to zrobić bezpiecznie.

Ciemna materia

W przeciwieństwie do normalnej materii, ciemna materia jest materiałem nie świecącym. Oznacza to, że nie oddziałuje elektromagnetycznie i dlatego wydaje się ciemna (tzn. nie będzie odbijać ani emitować światła). Dokładna natura ciemnej materii nie jest dobrze znana, chociaż jej wpływ na inne masy (takie jak galaktyki) został zauważony przez astronomowie tacy jak dr Vera Rubin i inni. Jednak jego obecność można wykryć na podstawie efektu grawitacyjnego, jaki wywiera na normalną materię. Na przykład jego obecność może ograniczać ruchy gwiazd w galaktyce.

Ciemna materia we wszechświecie. Czy może być zrobiony z WIMP-ów? To zdjęcie Hyper Suprime-Cam pokazuje mały (14 minut łuku na 9,5 minuty łuku) wycinek gromad galaktyk z konturami jednej koncentracji ciemnej materii, a część innej narysowaną liniami konturowymi. Teleskop Subaru / Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii

Obecnie istnieją trzy podstawowe możliwości „rzeczy”, które składają się na ciemną materię:

• Zimna ciemna materia (CDM): Istnieje jeden kandydat zwany słabo oddziałującą masywną cząstką (WIMP), która może być podstawą zimnej ciemnej materii. Jednak naukowcy niewiele o nim wiedzą ani o tym, jak mógł powstać na początku historii wszechświata. Inne możliwości dla cząstek CDM obejmują aksiony, jednak nigdy nie zostały wykryte. Wreszcie są MACHO (Massive Compact Halo Objects), które mogą wyjaśnić zmierzoną masę ciemnej materii. Obiekty te obejmują czarne dziury , starożytny gwiazdy neutronowe orazobiekty planetarnektóre wszystkie są nieświecące (lub prawie tak), ale nadal zawierają znaczną ilość masy. To by wygodnie wyjaśniało ciemną materię, ale jest problem. Musiałoby być ich dużo (więcej niż można by się spodziewać, biorąc pod uwagę wiek niektórych galaktyk), a ich dystrybucja musiałaby być niesamowicie rozłożona w całym wszechświecie, aby wyjaśnić ciemną materię, którą astronomowie odkryli 'tam'. Tak więc zimna ciemna materia pozostaje „pracą w toku”.
• Ciepła ciemna materia (WDM): Uważa się, że składa się on ze sterylnych neutrin. Są to cząstki podobne do normalnych neutrin, z wyjątkiem tego, że są znacznie bardziej masywne i nie oddziałują ze sobą poprzez słabe oddziaływanie. Kolejnym kandydatem do WDM jest gravitino. Jest to teoretyczna cząstka, która istniałaby, gdyby teoria supergrawitacji - mieszanie się ogólna teoria względności i supersymetria - zyskaj przyczepność. WDM jest również atrakcyjnym kandydatem do wyjaśnienia ciemnej materii, ale istnienie sterylnych neutrin lub grawitin jest w najlepszym razie spekulacyjne.
• Gorąca ciemna materia (HDM): Cząstki uważane za gorącą ciemną materię już istnieją. Nazywają się „neutrinami”. Podróżują w prawie prędkość światła i nie „zbijaj się” razem w sposób, w jaki robimy projekcję ciemnej materii. Ponadto, biorąc pod uwagę, że neutrino jest prawie bezmasowe, potrzebna byłaby ich niesamowita ilość, aby uzupełnić ilość ciemnej materii, o której wiadomo, że istnieje. Jednym z wyjaśnień jest to, że istnieje jeszcze niewykryty rodzaj lub smak neutrina, który byłby podobny do tych, o których już wiadomo, że istnieją. Miałby jednak znacznie większą masę (a więc być może mniejszą prędkość). Ale byłoby to prawdopodobnie bardziej podobne do ciepłej ciemnej materii.

Związek między materią a promieniowaniem

Materia nie istnieje we wszechświecie bez wpływu i istnieje ciekawy związek między promieniowaniem a materią. Ten związek nie był dobrze rozumiany aż do początku XX wieku. Wtedy Albert Einstein zaczął myśleć o związku między materiał oraz energia i promieniowanie. Oto, co wymyślił: zgodnie z jego teorią względności masa i energia są równoważne. Jeśli wystarczająca ilość promieniowania (światła) zderzy się z innymi fotonami (inne określenie na „cząstki światła”) o wystarczająco dużej energii, może powstać masa. Właśnie ten proces badają naukowcy w gigantycznych laboratoriach ze zderzaczami cząstek. Ich praca zagłębia się głęboko w serce materii, szukając najmniejszych cząstek, o których wiadomo, że istnieją.

Tak więc, chociaż promieniowanie nie jest jawnie uważane za materię (nie ma masy ani nie zajmuje objętości, przynajmniej nie w dobrze zdefiniowany sposób), jest ono połączone z materią. Dzieje się tak, ponieważ promieniowanie tworzy materię, a materia tworzy promieniowanie (np. gdy zderzają się materia i antymateria).

Ciemna energia

Idąc o krok dalej w związku materia-promieniowanie, teoretycy proponują również, że w naszym wnętrzu istnieje tajemnicze promieniowanie wszechświat . To jest nazwane ciemna energia . Jego natura nie jest w ogóle zrozumiała. Być może kiedy zrozumiemy ciemną materię, zrozumiemy również naturę ciemnej energii.

Edytowane i aktualizowane przezCarolyn Collins Petersen.