Wat is zwarte materie? donkere materie theorie

2024 Auteur: Henry Conors | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-02-12 11:27

Wat was er eerst: het ei of de kip? Wetenschappers over de hele wereld worstelen al tientallen jaren met deze simpele vraag. Een soortgelijke vraag rijst over wat er in het allereerste begin was, op het moment van de schepping van het heelal. Maar was het deze schepping, of zijn de universa cyclisch of oneindig? Wat is zwarte materie in de ruimte en hoe verschilt het van witte materie? Laten we, afgezien van verschillende soorten religie, proberen de antwoorden op deze vragen vanuit een wetenschappelijk oogpunt te benaderen. De afgelopen jaren zijn wetenschappers erin geslaagd het ondenkbare te doen. Waarschijnlijk voor het eerst in de geschiedenis kwamen de berekeningen van theoretische fysici overeen met de berekeningen van experimentele fysici. In de loop der jaren zijn er verschillende theorieën aan de wetenschappelijke gemeenschap gepresenteerd. Min of meer nauwkeurig, op empirische manieren, soms quasi-wetenschappelijk, maar de theoretisch berekende gegevens werden niettemin bevestigd door experimenten, sommige zelfs met een vertraging van meer dan twaalf jaar (bijvoorbeeld het Higgs-deeltje).

Donkere materie - zwarte energie

Er zijn veel van dergelijke theorieën, bijvoorbeeld: String Theory, Big Bang Theory, Cyclic Universe Theory, Parallel Universe Theory, Modified Newtonian Dynamics (MOND), F. Hoyle en anderen. Op dit moment wordt echter de theorie van een zich voortdurend uitbreidend en evoluerend heelal als algemeen aanvaard beschouwd, waarvan de stellingen goed passen binnen het kader van het oerknalconcept. Tegelijkertijd werden quasi-empirisch (d.w.z. empirisch, maar met grote toleranties en gebaseerd op bestaande moderne theorieën over de structuur van de microkosmos) gegevens verkregen dat alle ons bekende microdeeltjes slechts 4,02% uitmaken van het totale volume van de gehele samenstelling van het heelal. Dit is de zogenaamde "baryoncocktail", of baryonische materie. Het grootste deel van ons heelal (meer dan 95%) bestaat echter uit stoffen met een ander plan, andere samenstelling en eigenschappen. Dit is de zogenaamde zwarte materie en zwarte energie. Ze gedragen zich anders: ze reageren verschillend op verschillende soorten reacties, worden niet door bestaande technische middelen gefixeerd en vertonen voorheen onontgonnen eigenschappen. Hieruit kunnen we concluderen dat ofwel deze stoffen gehoorzamen aan andere wetten van de fysica (niet-Newtoniaanse fysica, een verbale analoog van niet-euclidische meetkunde), ofwel dat ons ontwikkelingsniveau van wetenschap en technologie zich pas in het beginstadium van zijn vorming bevindt.

Wat zijn baryonen?

Volgens het huidige quark-gluonmodel van sterke interacties zijn er slechts zestien elementaire deeltjes (en de recente ontdekking van het Higgs-deeltje bevestigt dit): zes soorten (smaken) quarks, acht gluonen en twee bosonen. Baryonen zijn zware elementaire deeltjes met een sterke wisselwerking. De bekendste zijn quarks, protonen en neutronen. Families van dergelijke stoffen, die verschillen inspin, massa's, hun "kleur", evenals de getallen van "betovering", "vreemdheid", zijn precies de bouwstenen van wat we baryonische materie noemen. Zwarte (donkere) materie, die 21,8% van de totale samenstelling van het heelal uitmaakt, bestaat uit andere deeltjes die geen elektromagnetische straling uitstralen en er op geen enkele manier mee reageren. Daarom is het, althans voor directe observatie, en nog meer voor de registratie van dergelijke stoffen, noodzakelijk om eerst hun fysica te begrijpen en overeenstemming te bereiken over de wetten waaraan ze gehoorzamen. Veel moderne wetenschappers doen dit momenteel in onderzoeksinstituten over de hele wereld.

De meest waarschijnlijke optie

Welke stoffen worden als mogelijk beschouwd? Om te beginnen moet worden opgemerkt dat er slechts twee mogelijke opties zijn. Volgens GR en SRT (General and Special Relativity) kan deze stof qua samenstelling zowel baryon als niet-baryon donkere materie (zwart) zijn. Volgens de hoofdtheorie van de oerknal wordt alle bestaande materie weergegeven in de vorm van baryonen. Dit proefschrift is met een extreem hoge nauwkeurigheid bewezen. Op dit moment hebben wetenschappers geleerd deeltjes te vangen die een minuut na de uitbarsting van de singulariteit zijn gevormd, dat wil zeggen na de explosie van een superdichte toestand van materie, met een lichaamsmassa die neigt naar oneindig en lichaamsafmetingen die naar nul neigt. Het scenario met baryondeeltjes is het meest waarschijnlijk, omdat ons universum daaruit bestaat en door hen zijn expansie voortzet. zwarte materie,volgens deze veronderstelling bestaat het uit basisdeeltjes die algemeen worden aanvaard door de Newtoniaanse fysica, maar om de een of andere reden zwak op een elektromagnetische manier interageren. Daarom detecteren de detectoren ze niet.

Het gaat niet zo soepel

Dit scenario past bij veel wetenschappers, maar er zijn nog steeds meer vragen dan antwoorden. Als zowel zwarte als witte materie alleen wordt weergegeven door baryonen, dan zou de concentratie van lichte baryonen als percentage van de zware, als gevolg van primaire nucleosynthese, anders moeten zijn in de oorspronkelijke astronomische objecten van het heelal. En experimenteel is de aanwezigheid in ons melkwegstelsel van een voldoende aantal grote zwaartekrachtsobjecten, zoals zwarte gaten of neutronensterren, niet onthuld om de massa van de halo van onze Melkweg in evenwicht te brengen. Echter, dezelfde neutronensterren, donkere galactische halo's, zwarte gaten, witte, zwarte en bruine dwergen (sterren in verschillende stadia van hun levenscyclus), maken hoogstwaarschijnlijk deel uit van de donkere materie waaruit donkere materie is gemaakt. Zwarte energie kan ook hun vulling aanvullen, inclusief voorspelde hypothetische objecten zoals preon, quark en Q-sterren.

Niet-baryonische kandidaten

Het tweede scenario impliceert een niet-baryonische oorsprong. Hier kunnen verschillende soorten deeltjes als kandidaten fungeren. Bijvoorbeeld lichte neutrino's, waarvan het bestaan al door wetenschappers is bewezen. Echter, hun massa, in de orde van honderdste tot ééntienduizendste eV (elektron-Volt), sluit ze praktisch uit van mogelijke deeltjes vanwege de onbereikbaarheid van de noodzakelijke kritische dichtheid. Maar zware neutrino's, gecombineerd met zware leptonen, manifesteren zich praktisch niet in zwakke interacties onder normale omstandigheden. Dergelijke neutrino's worden steriel genoemd; met hun maximale massa tot een tiende van een eV zijn ze waarschijnlijker kandidaten voor donkere materiedeeltjes. Axionen en kosmionen zijn kunstmatig geïntroduceerd in fysische vergelijkingen om problemen in de kwantumchromodynamica en in het standaardmodel op te lossen. Samen met een ander stabiel supersymmetrisch deeltje (SUSY-LSP) kunnen ze in aanmerking komen als kandidaten, omdat ze niet deelnemen aan elektromagnetische en sterke interacties. In tegenstelling tot neutrino's zijn ze echter nog steeds hypothetisch, hun bestaan moet nog worden bewezen.

Zwarte materie theorie

Het gebrek aan massa in het heelal geeft aanleiding tot verschillende theorieën op dit punt, waarvan sommige behoorlijk consistent zijn. Bijvoorbeeld de theorie dat gewone zwaartekracht de vreemde en exorbitant snelle rotatie van sterren in spiraalstelsels niet kan verklaren. Met zulke snelheden zouden ze er gewoon uitvliegen, zo niet voor een soort houdkracht, die nog niet kan worden geregistreerd. Andere theorieën verklaren de onmogelijkheid om WIMP's te verkrijgen (massieve elektro-zwak interagerende deeltjes-partners van elementaire subdeeltjes, supersymmetrisch en superzwaar - dat wil zeggen ideale kandidaten) in terrestrische omstandigheden, aangezien ze in n-dimensie leven, wat anders is dan onze drie- dimensionale een. Volgens de Kaluza-Klein-theorie zijn dergelijke metingen niet voor ons beschikbaar.

Veranderende sterren

Een andere theorie beschrijft hoe variabele sterren en zwarte materie met elkaar omgaan. De helderheid van zo'n ster kan niet alleen veranderen door metafysische processen die binnenin plaatsvinden (pulsatie, chromosferische activiteit, uitwerpen van prominentie, overloop en verduistering in dubbelstersystemen, supernova-explosie), maar ook door de afwijkende eigenschappen van donkere materie.

WARP-schijf

Volgens één theorie kan donkere materie worden gebruikt als brandstof voor subruimtemotoren van ruimtevaartuigen die werken op de hypothetische WARP-technologie (WARP Engine). Mogelijk kunnen dergelijke motoren het schip laten bewegen met snelheden die de snelheid van het licht overschrijden. Theoretisch zijn ze in staat om de ruimte voor en achter het schip te buigen en er zelfs sneller in te bewegen dan een elektromagnetische golf in een vacuüm versnelt. Het schip zelf versnelt niet lokaal - alleen het ruimtelijke veld ervoor wordt gebogen. Veel fantasieverhalen gebruiken deze technologie, zoals de Star Trek-saga.

Groei in terrestrische omstandigheden

Pogingen om zwarte materie op aarde te genereren en te verkrijgen zijn nog niet succesvol geweest. Momenteel worden experimenten uitgevoerd bij de LHC (Large Andron Collider), precies waar het Higgs-deeltje voor het eerst werd geregistreerd, evenals bij andere, minder krachtige, waaronder lineaire versnellers op zoek naarstabiele, maar elektromagnetisch zwak interagerende partners van elementaire deeltjes. Noch fotino, noch gravitino, noch higsino, noch sneutrino (neutralino), noch andere WIMP's zijn echter nog verkregen. Volgens een voorlopige voorzichtige schatting van wetenschappers is voor het verkrijgen van één milligram donkere materie in terrestrische omstandigheden het equivalent nodig van de energie die gedurende het jaar in de Verenigde Staten wordt verbruikt.