علماء المادة المظلمة. إنشاء خريطة توزيع المادة المظلمة

يتكون الكون من 4.9% فقط من المادة العادية - المادة الباريونية، التي تشكل عالمنا. يتكون معظم 74% من الكون بأكمله من طاقة مظلمة غامضة، و26.8% من كتلة الكون تتكون من جسيمات تتحدى الفيزياء ويصعب اكتشافها تسمى المادة المظلمة.

تم اقتراح هذا المفهوم الغريب وغير المعتاد للمادة المظلمة في محاولة لتفسير الظواهر الفلكية غير المبررة. لذلك، بدأ العلماء يتحدثون عن وجود طاقة قوية، شديدة الكثافة وضخمة - تزيد بخمسة أضعاف عن المادة العادية التي يتكون منها عالمنا، بعد اكتشاف ظواهر غير مفهومة في جاذبية النجوم و تكوين الكون.

من أين جاء مفهوم المادة المظلمة؟

وبالتالي، فإن النجوم في المجرات الحلزونية، مثل مجرتنا، لديها سرعة دوران عالية إلى حد ما، ووفقا لجميع القوانين، مع هذه الحركة السريعة، يجب عليهم ببساطة أن يطيروا إلى الفضاء بين المجرات، مثل البرتقال من سلة مقلوبة، لكنهم لا يفعلون ذلك. يتم احتجازهم بواسطة قوة جاذبية قوية جدًا، والتي لم يتم تسجيلها أو التقاطها بأي من أساليبنا.

تلقى العلماء تأكيدًا آخر مثيرًا للاهتمام لوجود بعض المادة المظلمة من دراسات الخلفية الكونية الميكروية. لقد أظهروا أنه بعد الانفجار الكبير، كانت المادة في البداية موزعة بشكل موحد في الفضاء، ولكن في بعض الأماكن كانت كثافتها أعلى قليلاً من المتوسط. كانت لهذه المناطق جاذبية أقوى، على عكس تلك التي تحيط بها، وفي الوقت نفسه، جذبت المادة إلى نفسها، أصبحت أكثر كثافة وأكثر كثافة. لا بد أن هذه العملية برمتها كانت بطيئة جدًا بحيث لم تتمكن من تكوين مجرات كبيرة، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة، خلال 13.8 مليار سنة فقط، وهو عمر الكون.

وبالتالي، يبقى أن نفترض أن معدل تطور المجرات يتسارع بسبب وجود كمية كافية من المادة المظلمة مع جاذبيتها الإضافية، مما يسرع هذه العملية بشكل كبير.

ما هي المادة المظلمة؟

إحدى الأفكار المركزية هي أن المادة السوداء تتكون من مواد غير مكتشفة بعد الجسيمات دون الذرية. أي نوع من الجزيئات هي ومن يتقدم لهذا الدور، هناك العديد من المرشحين.

من المفترض أن الجسيمات الأولية الأساسية من عائلة الفرميونات لها شركاء فائق التناظر من عائلة أخرى - البوزونات. تسمى هذه الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف بالـ WIMPs (أو ببساطة WIMPs). الشريك الفائق الأخف والأكثر استقرارًا هو النيوترالينو. هذا هو المرشح الأرجح لدور مواد المادة المظلمة.

على هذه اللحظةمحاولات الحصول على النيوترالينو أو على الأقل جسيم مشابه أو مختلف تمامًا من المادة المظلمة لم تؤد إلى النجاح. تم إجراء اختبارات إنتاج النيوترالينو في تصادمات عالية الطاقة في مصادم الهادرونات الكبير الشهير والذي تم تقييمه بشكل مختلف. وفي المستقبل، سيتم إجراء تجارب باستخدام طاقات تصادم أعلى، لكن هذا لا يضمن اكتشاف بعض نماذج المادة المظلمة على الأقل.

وكما يقول ماثيو ماكولو (من مركز الفيزياء النظرية التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا): عالم عاديالبنية معقدة، فهي ليست مبنية من جسيمات من نفس النوع، ولكن ماذا لو كانت المادة المظلمة معقدة أيضًا؟" وفقًا لنظريته، يمكن للمادة المظلمة من الناحية النظرية أن تتفاعل مع نفسها، ولكنها في نفس الوقت تتجاهل المادة العادية. ولهذا السبب لا يمكننا أن نلاحظ وجودها ونسجله بطريقة أو بأخرى.

(خريطة الخلفية الكونية الميكروية (CMB) التي صنعها مسبار ويلكنسون لتباين الموجات الميكروية (WMAP))

تتكون مجرتنا درب التبانة من سحابة ضخمة كروية دوارة من المادة المظلمة الممزوجة بكمية صغيرة من المادة العادية التي يتم ضغطها بواسطة الجاذبية. ويحدث هذا بشكل أسرع بين القطبين، وليس بنفس القدر كما هو الحال في منطقة خط الاستواء. ونتيجة لذلك، تأخذ مجرتنا شكل قرص حلزوني مسطح من النجوم وتغرق في سحابة كروية من المادة المظلمة.

نظريات وجود المادة المظلمة

لتفسير طبيعة الكتلة المفقودة في الكون، تم طرح نظريات مختلفة، بطريقة أو بأخرى، تتحدث عن وجود المادة المظلمة. وهنا بعض منهم:

• لا يمكن لجاذبية المادة العادية التي يمكن اكتشافها في الكون أن تفسر الحركة الغريبة للنجوم في المجرات، حيث تدور النجوم في المناطق الخارجية للمجرات الحلزونية بسرعة كبيرة بحيث يجب أن تطير ببساطة إلى الفضاء بين النجوم. ما الذي يعيقهم إذا لم يتم تسجيله؟
• تتجاوز المادة المظلمة الموجودة المادة العادية للكون بمقدار 5.5 مرة، ولا يمكن تفسير الحركات غير المعهودة للنجوم في المجرات الحلزونية إلا بجاذبيتها الإضافية.
• جسيمات المادة المظلمة المحتملة هي WIMPs، وهي عبارة عن جسيمات ضخمة تتفاعل بشكل ضعيف وهي شريكة فائقة التناظر للجسيمات دون الذرية. من الناحية النظرية، هناك أكثر من ثلاثة أبعاد مكانية لا يمكننا الوصول إليها. تكمن الصعوبة في كيفية تسجيلها عندما يتعذر علينا الوصول إلى الأبعاد الإضافية وفقًا لنظرية كالوزا كلاين.

هل من الممكن اكتشاف المادة المظلمة؟

تطير كميات هائلة من جزيئات المادة المظلمة عبر الأرض، ولكن بما أن المادة المظلمة لا تتفاعل، وإذا كان هناك تفاعل، فهي ضعيفة للغاية، عمليا صفر، مع المادة العادية، لذلك في معظم التجارب لم يتم الحصول على نتائج مهمة.

ومع ذلك، فإن محاولات تسجيل وجود المادة المظلمة تجري تجربتها في تجارب تتضمن اصطدام نوى ذرية مختلفة (السيليكون والزينون والفلور واليود وغيرها) على أمل رؤية تأثير جسيمات المادة المظلمة.

في مرصد النيوترينو الفلكي في محطة أموندسن-سكوت اسم مثيرة للاهتماميجري IceCube بحثًا للكشف عن النيوترينوات عالية الطاقة المنتجة في الخارج النظام الشمسي.

هنا، في القطب الجنوبي، حيث تصل درجة الحرارة في الخارج إلى -80 درجة مئوية، وعلى عمق 2.4 كيلومتر تحت الجليد، تم تركيب إلكترونيات عالية الدقة، مما يوفر مراقبة مستمرة للعمليات الغامضة التي تحدث في الكون خارج المادة العادية. حتى الآن، هذه مجرد محاولات للاقتراب من كشف أعمق أسرار الكون، ولكن هناك بالفعل بعض النجاحات، مثل الاكتشاف التاريخي لـ 28 نيوترينو.

لذا. ومن المثير للاهتمام بشكل لا يصدق أن الكون، الذي يتكون من المادة المظلمة، والتي لا يمكن الوصول إليها للدراسة المرئية من قبلنا، قد يكون أكثر تعقيدًا بعدة مرات من بنية كوننا. أو ربما يكون عالم المادة المظلمة متفوقًا بشكل كبير على كوننا، وهناك تحدث كل الأشياء المهمة، التي نحاول أن نرى أصداءها في مادتنا العادية، ولكن هذا ينتقل بالفعل إلى عالم الخيال العلمي.

اتخذ العلماء خطوة مهمة نحو حل أحد الألغاز الرئيسية في الكون - المادة المظلمة، التي يُعتقد أنها تملأ معظم الفضاء الخارجي. متخصصون يعملون على المشروعمسح الطاقة المظلمة ، باستخدام تلسكوب قويفي جبال الأنديز كانوا قادرين على إنشاء الخريطةمما يدل على توزيع المادة المظلمة. عليها يمكن رؤية لفائف كبيرة من المادة المظلمة، متناثرة مع المجرات ويفصل بينها مساحة حرة.

حتى الآن، لم يتمكن العلماء من دراسة المادة المظلمة إلا عن طريق قياس تشويه الضوء القادم من المجرات البعيدة. ونتيجة لذلك، يريد الخبراء القياس الطاقة المظلمة- قوة أكثر غموضًا تعمل على توسيع الكون بسرعة متزايدة باستمرار.

المادة المظلمةفي علم الفلك وعلم الكونيات، وكذلك في الفيزياء النظرية، شكل افتراضي للمادة لا ينبعث منها ولا يتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذه الخاصية لهذا النوع من المادة تجعل ملاحظته المباشرة مستحيلة.

تم التوصل إلى الاستنتاج حول وجود المادة المظلمة على أساس العديد من العلامات المتسقة مع بعضها البعض، ولكن غير المباشرة لسلوك الأجسام الفيزيائية الفلكية وتأثيرات الجاذبية التي تخلقها. إن اكتشاف طبيعة المادة المظلمة سيساعد في حل مشكلة الكتلة المخفية، والتي تكمن، على وجه الخصوص، في السرعة العالية غير الطبيعية لدوران المناطق الخارجية للمجرات.

أصبح المصطلح واسع الانتشار بعد عمل فريتز زويكي. قام زويكي بقياس السرعات الشعاعية لثماني مجرات في مجموعة كوما (كوكبة كوما برنيس) ووجد أنه لكي يكون العنقود مستقرا، يجب على المرء أن يفترض أن كتلته الإجمالية أكبر بعشرات المرات من كتلة النجوم المكونة له. وسرعان ما توصل علماء فلك آخرون إلى نفس الاستنتاجات بالنسبة للعديد من المجرات الأخرى. منذ الستينيات، عندما بدأ التقدم السريع في علم الفلك الرصدي، زاد عدد الحجج المؤيدة لوجود المادة المظلمة بسرعة. وفي الوقت نفسه، فإن تقديرات معلماتها التي تم الحصول عليها من مصادر مختلفة وطرق مختلفة تتفق بشكل عام مع بعضها البعض.

تبين أن وجود مادة مجهولة في الكون وتأثيرها هو الوضع النموذجي في عالم المجرات.

تمت دراسة الحركة في أنظمة المجرات المزدوجة وفي مجموعات المجرات. وتبين أن نسبة المادة المظلمة في هذه المقاييس أعلى بكثير مما هي عليه داخل المجرات.

الكتلة النجمية للمجرات الإهليلجية، وفقًا للحسابات، غير كافية لاحتواء الغاز الساخن الذي يدخل المجرة، إذا لم تؤخذ المادة المظلمة في الاعتبار.

إن تقدير كتلة مجموعات المجرات التي تؤدي عدسة الجاذبية يعطي نتائج تتضمن مساهمة المادة المظلمة وقريبة من تلك التي تم الحصول عليها بطرق أخرى.

قدمت مساهمة كبيرة في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات من القرن الماضي من قبل عالمة الفلك فيرا روبين من معهد كارنيجي، والتي كانت أول من أجرى حسابات دقيقة وموثوقة تشير إلى وجود المادة المظلمة. أعلن روبن مع مؤلف مشارك (كينت فورد) في مؤتمر للجمعية الفلكية الأمريكية في عام 1975 عن اكتشاف أن معظم النجوم في المجرات الحلزونية تدور بنفس السرعة الزاوية تقريبًا، مما أدى إلى فكرة أن كثافة الكتلة في المجرات والأمر نفسه في تلك المناطق التي تكون فيها غالبية النجوم (منتفخة)، وبالنسبة لتلك المناطق الواقعة على حافة القرص حيث يوجد عدد قليل من النجوم.

ولم تجد دراسة نشرت عام 2012 لحركات أكثر من 400 نجم تقع على مسافات تصل إلى 13 ألف سنة ضوئية من الشمس أي دليل على وجود المادة المظلمة في الكون. صوت عاليالفضاء حول الشمس. ووفقا للتنبؤات النظرية، فإن متوسط ​​كمية المادة المظلمة في محيط الشمس يجب أن يكون حوالي 0.5 كجم من حجم الأرض. ومع ذلك، أعطت القياسات قيمة 0.00±0.06 كجم من المادة المظلمة في هذا الحجم. وهذا يعني أن محاولات اكتشاف المادة المظلمة على الأرض، على سبيل المثال من خلال التفاعلات النادرة لجزيئات المادة المظلمة مع المادة "العادية"، من غير المرجح أن تكون ناجحة.

وفقا لبيانات الرصد من مرصد بلانك الفضائي المنشورة في مارس 2013، فإن إجمالي طاقة الكتلة للكون المرئي يتكون من 4.9% مادة عادية (باريونية)، و26.8% مادة مظلمة و68.3% طاقة مظلمة. وبالتالي فإن الكون يتكون من 95.1% من المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

يبدو أن الافتراض الأكثر طبيعية هو أن المادة المظلمة تتكون من مادة باريونية عادية. ، لسبب ما يتفاعل بشكل ضعيف كهرومغناطيسيًا وبالتالي لا يمكن اكتشافه عند الدراسة، على سبيل المثال، خطوط الانبعاث والامتصاص.

لكن النماذج النظريةتوفر مجموعة كبيرة من المرشحين المحتملين لدور المادة غير الباريونية غير المرئية - وهي: النيوترينوات الخفيفة، والنيوترينوات الثقيلة، والأكسيونات، الكونيات والجسيمات فائقة التناظر مثل فوتينو، وجرافيتينو، وهيجسينو، وسنوترينو، وواين، وزينو.

هناك نظريات بديلة للمادة المظلمة والطاقة المظلمة:

المادة من أبعاد أخرى (الأكوان الموازية)

بعض النظريات حول الأبعاد الإضافية تعتبر الجاذبية نوعًا فريدًا من التفاعل الذي يمكن أن يؤثر على فضائنا من أبعاد إضافية. يساعد هذا الافتراض في تفسير الضعف النسبي لتفاعل الجاذبية مقارنة بالقوى الرئيسية الثلاثة الأخرى (الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة)، ويمكن تفسير تأثير المادة المظلمة منطقيًا من خلال تفاعل المادة المرئية من أبعادنا العادية مع المادة الضخمة من أبعاد أخرى. (الإضافية، غير المرئية) من خلال الجاذبية. وفي الوقت نفسه، هذه الأبعاد وهذه المادة فيها لا يمكن أن تشعر بأنواع أخرى من التفاعلات بأي شكل من الأشكال، ولا يمكن أن تتفاعل معها. المادة في أبعاد أخرى (في الواقع، في عالم موازي) يمكن أن تتشكل في هياكل (مجرات، مجموعات من المجرات) بطريقة مشابهة لقياساتنا أو تشكل هياكل غريبة خاصة بها، والتي نشعر بها في قياساتنا على أنها هالة جاذبية حول المجرات المرئية.

العيوب الطوبولوجية للفضاء

قد تكون المادة المظلمة ببساطة عبارة عن عيوب بدائية (الانفجار الكبير) في الفضاء و/أو طوبولوجيا المجال الكمي التي قد تحتوي على طاقة، وبالتالي تسبب قوى الجاذبية.

يصف البناء النظري في الفيزياء الذي يسمى النموذج القياسي التفاعلات بين الجميع معروف للعلمالجسيمات الأولية. لكن هذه ليست سوى 5٪ فقط من المادة الموجودة في الكون، أما الـ 95٪ المتبقية فهي ذات طبيعة غير معروفة تمامًا. ما هي هذه المادة المظلمة الافتراضية وكيف يحاول العلماء اكتشافها؟ هايك هاكوبيان، طالب MIPT وموظف في قسم الفيزياء والفيزياء الفلكية، يتحدث عن هذا كجزء من مشروع خاص.

النموذج القياسي للجسيمات الأولية، والذي تم تأكيده أخيرًا بعد اكتشاف بوزون هيغز، يصف التفاعلات الأساسية (الكهروضعيفة والقوية) للجسيمات العادية التي نعرفها: اللبتونات والكواركات وحاملات القوة (البوزونات والجلونات). ومع ذلك، فقد اتضح أن هذه النظرية المعقدة الضخمة تصف فقط حوالي 5-6٪ من المادة بأكملها، في حين أن الباقي لا يتناسب مع هذا النموذج. تظهر لنا ملاحظات اللحظات الأولى لكوننا أن ما يقرب من 95% من المادة التي تحيط بنا ذات طبيعة غير معروفة تمامًا. بمعنى آخر، نحن نرى بشكل غير مباشر وجود هذه المادة الخفية بسبب تأثير جاذبيتها، لكننا لم نتمكن بعد من التقاطها بشكل مباشر. هذه الظاهرة الجماعية الخفية يطلق عليها اسم "المادة المظلمة".

العلم الحديث، وخاصة علم الكونيات، يعمل وفق المنهج الاستنباطي لشارلوك هولمز

الآن المرشح الرئيسي من مجموعة WISP هو الأكسيون، الذي ينشأ في نظرية التفاعل القوي وله كتلة صغيرة جدًا. مثل هذا الجسيم قادر على التحول إلى زوج من الفوتون والفوتون في مجالات مغناطيسية عالية، مما يعطي تلميحات حول كيفية محاولة اكتشافه. تستخدم تجربة ADMX غرفًا كبيرة تنشئ مجالًا مغناطيسيًا بقوة 80000 غاوس (أي 100000 مرة أكثر حقل مغناطيسيأرض). ومن الناحية النظرية، ينبغي أن يحفز مثل هذا المجال اضمحلال الأكسيون إلى زوج فوتون-فوتون، وهو ما يجب على أجهزة الكشف التقاطه. على الرغم من المحاولات العديدة، لم يكن من الممكن حتى الآن اكتشاف الجسيمات ضعيفة التفاعل، أو المحاور، أو النيوترينوات العقيمة.

وهكذا، سافرنا عبر عدد كبير من الفرضيات المختلفة سعيًا لتفسير الوجود الغريب للكتلة المخفية، وبعد أن رفضنا كل الاستحالة بمساعدة الملاحظات، توصلنا إلى العديد من الفرضيات المحتملة التي يمكننا العمل بها بالفعل.

النتيجة السلبية في العلم هي أيضًا نتيجة، لأنها تعطي قيودًا على معلمات مختلفة للجسيمات، على سبيل المثال، فهي تلغي نطاق الكتل المحتملة. من سنة إلى أخرى، المزيد والمزيد من الملاحظات والتجارب الجديدة في المسرعات توفر قيودًا جديدة أكثر صرامة على الكتلة وغيرها من المعلمات لجسيمات المادة المظلمة. وبالتالي، من خلال التخلص من جميع الخيارات المستحيلة وتضييق دائرة عمليات البحث، نقترب يومًا بعد يوم من فهم ما تتكون منه 95٪ من المادة في كوننا.

في مقالات السلسلة قمنا بدراسة بنية الكون المرئي. تحدثنا عن بنيتها والجزيئات التي تشكل هذا الهيكل. حول النيوكليونات اللعب دور أساسيإذ منهم تتكون كل المادة المرئية. حول الفوتونات والإلكترونات والنيوترينوات، وأيضًا حول الجهات الفاعلة الداعمة المشاركة في المسرحية العالمية التي تتكشف بعد 14 مليار سنة من الانفجار الكبير. يبدو أنه لا يوجد شيء آخر للحديث عنه. ولكن هذا ليس صحيحا. والحقيقة هي أن المادة التي نراها ليست سوى جزء صغير مما يتكون منه عالمنا. وكل شيء آخر هو شيء لا نعرف عنه شيئًا تقريبًا. هذا "الشيء" الغامض يسمى المادة المظلمة.

إذا كانت ظلال الأشياء لا تعتمد على حجم هذه الأخيرة،
وإذا كان لديهم نموهم التعسفي، فربما
قريبا لن يكون هناك أي اليسار على الإطلاق الكرة الأرضيةليس مكانًا مشرقًا واحدًا.

كوزما بروتكوف

ماذا سيحدث لعالمنا؟

بعد اكتشاف إدوارد هابل للانزياحات الحمراء في أطياف المجرات البعيدة عام 1929، أصبح من الواضح أن الكون يتوسع. ومن الأسئلة التي طرحت في هذا الصدد ما يلي: إلى متى سيستمر التوسع وكيف سينتهي؟ تميل قوى الجذب الثقالي التي تعمل بين الأجزاء الفردية من الكون إلى إبطاء تراجع هذه الأجزاء. يعتمد ما سيؤدي إليه الكبح على الكتلة الإجمالية للكون. إذا كانت كبيرة بما فيه الكفاية، فإن قوى الجاذبية ستوقف التوسع تدريجيًا وسيتم استبدالها بالضغط. ونتيجة لذلك، فإن الكون سوف "ينهار" مرة أخرى في النهاية إلى النقطة التي بدأ منها في التوسع. إذا كانت الكتلة أقل من كتلة حرجة معينة، فسيستمر التوسع إلى الأبد. من المعتاد عادة الحديث ليس عن الكتلة، بل عن الكثافة، التي ترتبط بالكتلة بنسبة بسيطة، معروفة من الدورة المدرسية: الكثافة هي الكتلة مقسومة على الحجم.

تبلغ القيمة المحسوبة لمتوسط ​​الكثافة الحرجة للكون حوالي 10 -29 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب، وهو ما يتوافق مع متوسط ​​خمس نيوكليونات لكل متر مكعب. وينبغي التأكيد على أننا نتحدث عن متوسط ​​الكثافة. يبلغ التركيز المميز للنيوكليونات في الماء والأرض وفيك وفينا حوالي 10 30 لكل متر مكعب. ومع ذلك، في الفراغ الذي يفصل بين مجموعات المجرات ويحتل حصة الأسد من حجم الكون، تكون الكثافة أقل بعشرات المراتب. تم قياس قيمة تركيز النيوكليونات، المحسوبة على كامل حجم الكون، عشرات ومئات المرات، مع حساب عدد النجوم وسحب الغاز والغبار بعناية باستخدام طرق مختلفة. تختلف نتائج هذه القياسات إلى حد ما، لكن الاستنتاج النوعي لم يتغير: كثافة الكون بالكاد تصل إلى نسبة قليلة من القيمة الحرجة.

لذلك، حتى السبعينيات من القرن العشرين، كانت التوقعات المقبولة عموما هي التوسع الأبدي لعالمنا، والذي ينبغي أن يؤدي حتما إلى ما يسمى بالموت الحراري. الموت الحراري هو حالة النظام عندما تكون المادة الموجودة فيه موزعة بالتساوي وتكون لأجزائه المختلفة نفس درجة الحرارة. ونتيجة لذلك، لا يمكن نقل الطاقة من جزء من النظام إلى جزء آخر، ولا إعادة توزيع المادة. في مثل هذا النظام لا يحدث شيء ولا يمكن أن يحدث مرة أخرى. تشبيه واضح هو انسكاب الماء على أي سطح. إذا كان السطح غير مستوٍ، ولو كانت هناك اختلافات طفيفة في الارتفاع، فإن المياه تتحرك على طوله من الأماكن الأعلى إلى الأماكن المنخفضة وتتجمع في النهاية في الأراضي المنخفضة، لتشكل البرك. تتوقف الحركة. وكان العزاء الوحيد المتبقي هو أن الموت الحراري سيحدث خلال عشرات ومئات المليارات من السنين. وبالتالي، لا يتعين عليك التفكير في هذا الاحتمال الكئيب لفترة طويلة جدًا.

ومع ذلك، أصبح من الواضح تدريجيًا أن الكتلة الحقيقية للكون أكبر بكثير من الكتلة المرئية الموجودة في النجوم وسحب الغاز والغبار، وعلى الأرجح أنها قريبة من الكتلة الحرجة. أو ربما يساويها تمامًا.

أدلة على المادة المظلمة

ظهرت الإشارة الأولى إلى وجود خطأ ما في حساب كتلة الكون في منتصف الثلاثينيات من القرن العشرين. قام عالم الفلك السويسري فريتز زويكي بقياس السرعات التي تتحرك بها مجرات عنقود كوما (وهو من أكبر العناقيد المعروفة لدينا، فهو يضم آلاف المجرات) المركز العام. وكانت النتيجة محبطة: فقد تبين أن سرعات المجرات أكبر بكثير مما يمكن توقعه بناءً على الكتلة الإجمالية المرصودة للعنقود. وهذا يعني أن الكتلة الحقيقية لمجموعة كوما كانت أكبر بكثير من الكتلة الظاهرية. لكن الكمية الرئيسية من المادة الموجودة في هذه المنطقة من الكون تظل، لسبب ما، غير مرئية ولا يمكن الوصول إليها من خلال الملاحظات المباشرة، ولا تظهر إلا عن طريق الجاذبية، أي ككتلة فقط.

كما تم إثبات وجود كتلة مخفية في عناقيد المجرات من خلال التجارب التي أجريت على ما يسمى عدسة الجاذبية. تفسير هذه الظاهرة يأتي من النظرية النسبية. وفقا لها، فإن أي كتلة تشوه الفضاء، مثل العدسة، تشوه المسار المستقيم لأشعة الضوء. إن التشوه الذي تسببه مجموعات المجرات كبير جدًا بحيث يسهل ملاحظته. على وجه الخصوص، من خلال تشويه صورة المجرة التي تقع خلف العنقود، من الممكن حساب توزيع المادة في العنقود العدسة وبالتالي قياس كتلتها الإجمالية. واتضح أنها دائمًا أكبر بعدة مرات من مساهمة المادة المرئية للكتلة.

بعد مرور 40 عامًا على عمل زويكي، في السبعينيات، قامت عالمة الفلك الأمريكية فيرا روبين بدراسة سرعة الدوران حول مركز المادة المجري الواقع على أطراف المجرات. وفقًا لقوانين كبلر (وهي تتبع مباشرة قانون الجاذبية العالمية)، عند الانتقال من مركز المجرة إلى محيطها، يجب أن تنخفض سرعة دوران الأجسام المجرية بشكل عكسي مع الجذر التربيعي للمسافة إلى محيطها. مركز. أظهرت القياسات أن هذه السرعة بالنسبة للعديد من المجرات تظل ثابتة تقريبًا على مسافة كبيرة جدًا من المركز. لا يمكن تفسير هذه النتائج إلا بطريقة واحدة: لا تنخفض كثافة المادة في مثل هذه المجرات عند التحرك من المركز، ولكنها تظل دون تغيير تقريبا. وبما أن كثافة المادة المرئية (الموجودة في النجوم والغاز بين النجوم) تنخفض بسرعة نحو محيط المجرة، فيجب توفير الكثافة المفقودة بشيء لا يمكننا رؤيته لسبب ما. ولتفسير الاعتماد الكمي لسرعة الدوران على المسافة إلى مركز المجرات، من الضروري أن يكون هذا "الشيء" غير المرئي أكبر بحوالي 10 مرات من المادة المرئية العادية. وهذا "الشيء" كان يسمى "المادة المظلمة" (باللغة الإنجليزية " المادة المظلمة") ولا يزال اللغز الأكثر إثارة للاهتمام في الفيزياء الفلكية.

دليل آخر مهم على وجود المادة المظلمة في عالمنا يأتي من الحسابات التي تحاكي عملية تكوين المجرات التي بدأت بعد حوالي 300 ألف سنة من الانفجار الكبير. تظهر هذه الحسابات أن قوى الجذب الثقالي التي تعمل بين الشظايا المتطايرة للمادة المتولدة أثناء الانفجار لا يمكنها تعويض الطاقة الحركية للتمدد. ببساطة، لم يكن من المفترض أن تتجمع المادة في المجرات التي نلاحظها مع ذلك في العصر الحديث. كانت هذه المشكلة تسمى مفارقة المجرة، ولفترة طويلة كانت تعتبر حجة جدية ضد نظرية الانفجار الكبير. ومع ذلك، إذا افترضنا أن جزيئات المادة العادية في الكون المبكر كانت مختلطة مع جزيئات المادة المظلمة غير المرئية، فإن كل شيء يقع في مكانه الصحيح في الحسابات وتبدأ النهايات بالالتقاء - تكوين المجرات من النجوم، ثم مجموعات المجرات ، يصبح ممكنا. في الوقت نفسه، كما تظهر الحسابات، في البداية، تراكم عدد كبير من جزيئات المادة المظلمة في المجرات، وبعد ذلك فقط، بسبب قوى الجاذبية، تم جمع عناصر المادة العادية عليها، وكانت كتلتها الإجمالية نسبة قليلة فقط من الكتلة الإجمالية للكون. اتضح أن ما هو مألوف ويبدو أنه تمت دراسته بالتفصيل العالم المرئي، والتي اعتقدنا مؤخرًا أنها أصبحت مفهومة تقريبًا، ليست سوى إضافة صغيرة لشيء يتكون منه الكون بالفعل. الكواكب والنجوم والمجرات وأنا وأنت مجرد شاشة لـ "شيء" ضخم ليس لدينا أدنى فكرة عنه.

حقيقة الصورة

تشكل الكتلة المجرية (في أسفل يسار المنطقة المحاطة بدائرة) عدسة جاذبية. إنه يشوه شكل الأشياء الموجودة خلف العدسة - ويمد صورها في اتجاه واحد. وبناءً على حجم واتجاه الامتداد، قامت مجموعة دولية من علماء الفلك من المرصد الأوروبي الجنوبي، بقيادة علماء من معهد باريس للفيزياء الفلكية، ببناء توزيع كتلي، كما هو موضح في الصورة السفلية. كما ترون، تحتوي الكتلة على كتلة أكبر بكثير مما يمكن رؤيته من خلال التلسكوب.

لا يعد صيد الأجسام المظلمة الضخمة مهمة سريعة، ولا تبدو النتيجة أكثر إثارة للإعجاب في الصور الفوتوغرافية. وفي عام 1995، لاحظ تلسكوب هابل أن أحد النجوم في سحابة ماجلان الكبرى يومض بشكل أكثر سطوعًا. واستمر هذا التوهج أكثر من ثلاثة أشهر، ثم عاد النجم إلى حالته الطبيعية. وبعد ست سنوات، ظهر جسم بالكاد مضيء بجانب النجم. لقد كان قزمًا باردًا، مر على مسافة 600 سنة ضوئية من النجم، وأنشأ عدسة جاذبية تعمل على تضخيم الضوء. أظهرت الحسابات أن كتلة هذا القزم لا تتجاوز 5-10٪ من كتلة الشمس.

وأخيرًا، تربط النظرية النسبية العامة بشكل لا لبس فيه معدل توسع الكون بمتوسط ​​كثافة المادة الموجودة فيه. بافتراض أن متوسط ​​انحناء الفضاء هو صفر، أي أن هندسة إقليدس وليس لوباتشيفسكي تعمل فيه (والتي تم التحقق منها بشكل موثوق، على سبيل المثال، في تجارب إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف)، يجب أن تكون هذه الكثافة مساوية 10 - 29 جرامًا لكل سنتيمتر مكعب. كثافة المادة المرئية أقل بحوالي 20 مرة. إن الـ 95% المفقودة من كتلة الكون هي المادة المظلمة. لاحظ أن قيمة الكثافة المقاسة من معدل تمدد الكون تساوي القيمة الحرجة. قيمتان، تم حسابهما بشكل مستقل تمامًا طرق مختلفةتزامن! إذا كانت كثافة الكون في الواقع تساوي تمامًا الكثافة الحرجة، فلا يمكن أن يكون هذا من قبيل الصدفة، بل هو نتيجة لبعض الخصائص الأساسية لعالمنا، والتي لم يتم فهمها واستيعابها بعد.

ما هذا؟

ماذا نعرف اليوم عن المادة المظلمة التي تشكل 95% من كتلة الكون؟ لا شيء تقريبا. لكننا ما زلنا نعرف شيئًا ما. بادئ ذي بدء، ليس هناك شك في وجود المادة المظلمة - وهذا ما تؤكده الحقائق المذكورة أعلاه بشكل لا يقبل الجدل. نحن نعلم أيضًا على وجه اليقين أن المادة المظلمة موجودة في عدة أشكال. بعد ان بداية الحادي والعشرينقرون نتيجة لسنوات عديدة من الملاحظات في التجارب سوبر كاميوكاندي(اليابان) وSNO (كندا) ثبت أن النيوترينوات لها كتلة، وأصبح من الواضح أن من 0.3% إلى 3% من 95% من الكتلة المخفية تكمن في النيوترينوات التي كانت مألوفة لنا منذ فترة طويلة - حتى لو كانت كتلتها كبيرة. صغيرة للغاية، لكن كميتها موجودة في الكون بحوالي مليار ضعف عدد النيوكليونات: كل سنتيمتر مكعب يحتوي على متوسط ​​300 نيوترينو. أما النسبة المتبقية 92-95% فتتكون من جزأين: المادة المظلمة والطاقة المظلمة. جزء صغير من المادة المظلمة هو مادة باريونية عادية، مبنية من النيوكليونات، أما الباقي فيبدو أنه ناتج عن بعض الجسيمات الضخمة غير المعروفة ضعيفة التفاعل (ما يسمى بالمادة المظلمة الباردة). يتم عرض توازن الطاقة في الكون الحديث في الجدول، وترد أدناه قصة أعمدةه الثلاثة الأخيرة.

المادة المظلمة الباريونية

جزء صغير (4-5%) من المادة المظلمة هو مادة عادية تنبعث منها إشعاعات قليلة أو معدومة وبالتالي فهي غير مرئية. يمكن اعتبار وجود عدة فئات من هذه الأشياء مؤكدًا تجريبيًا. أدت التجارب الأكثر تعقيدًا، المبنية على نفس عدسة الجاذبية، إلى اكتشاف ما يسمى بأجسام الهالة المدمجة الضخمة، أي الموجودة على محيط أقراص المجرة. وهذا يتطلب مراقبة ملايين المجرات البعيدة على مدى عدة سنوات. عندما يمر جسم مظلم ضخم بين مراقب ومجرة بعيدة، فإن سطوعه ينخفض ​​لفترة وجيزة (أو يزيد عندما يعمل الجسم المظلم كعدسة جاذبية). ونتيجة لعمليات البحث المضنية، تم تحديد مثل هذه الأحداث. إن طبيعة الأجسام الهالة المدمجة الضخمة ليست واضحة تمامًا. على الأرجح، هذه إما نجوم مبردة (أقزام بنية) أو أجسام شبيهة بالكواكب غير مرتبطة بالنجوم وتسافر حول المجرة بمفردها. ممثل آخر للمادة المظلمة الباريونية هو الغاز الساخن الذي تم اكتشافه مؤخرًا في مجموعات المجرات باستخدام طرق علم الفلك بالأشعة السينية، والذي لا يتوهج في النطاق المرئي.

المادة المظلمة غير الباريونية

المرشحين الرئيسيين للمادة المظلمة غير الباريونية هم ما يسمى WIMPs (اختصار للغة الإنجليزية جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل- جزيئات ضخمة ضعيفة التفاعل). خصوصية الجسيمات الخاملة (WIMPs) هي أنها لا تظهر أي تفاعل تقريبًا مع المادة العادية. ولهذا السبب فهي المادة المظلمة الحقيقية غير المرئية، ولهذا السبب يصعب للغاية اكتشافها. يجب أن تكون كتلة WIMP أكبر بعشرات المرات على الأقل من كتلة البروتون. تم إجراء البحث عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) في العديد من التجارب على مدار العشرين إلى الثلاثين عامًا الماضية، ولكن على الرغم من كل الجهود المبذولة، لم يتم اكتشافها بعد.

إحدى الأفكار هي أنه في حالة وجود مثل هذه الجسيمات، فإن الأرض، أثناء دورانها حول الشمس مع الشمس حول مركز المجرة، يجب أن تطير عبر وابل من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs). على الرغم من حقيقة أن WIMP عبارة عن جسيم ضعيف التفاعل للغاية، إلا أنه لا يزال لديه احتمالية ضئيلة جدًا للتفاعل مع ذرة عادية. وفي الوقت نفسه، في المنشآت الخاصة- معقدة للغاية ومكلفة - يمكن تسجيل الإشارة. ويجب أن يتغير عدد هذه الإشارات على مدار العام، لأنه عندما تتحرك الأرض في مدار حول الشمس، فإنها تغير سرعتها واتجاهها بالنسبة للرياح، التي تتكون من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs). لاحظت مجموعة DAMA التجريبية، التي تعمل في مختبر Gran Sasso الإيطالي تحت الأرض، اختلافات من سنة إلى أخرى في معدلات عدد الإشارات. ومع ذلك، لم تؤكد مجموعات أخرى هذه النتائج بعد، ويظل السؤال مفتوحًا بشكل أساسي.

تعتمد طريقة أخرى للبحث عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) على افتراض أنه خلال مليارات السنين من وجودها، يجب على الأجسام الفلكية المختلفة (الأرض والشمس ومركز مجرتنا) أن تلتقط الجسيمات الضخمة الضخمة، التي تتراكم في وسط هذه الأجسام، وتبيدها. بعضها البعض، يؤدي إلى تيار النيوترينو. جرت محاولات للكشف عن تدفق النيوترينو الزائد من مركز الأرض نحو الشمس ومركز المجرة باستخدام أجهزة كشف النيوترينو تحت الأرض وتحت الماء MACRO، LVD (مختبر غران ساسو)، NT-200 (بحيرة بايكال، روسيا)، SuperKamiokande، أماندا (محطة سكوت - أموندسن، القطب الجنوبي)، لكنها لم تؤد بعد إلى نتيجة إيجابية.

يتم أيضًا إجراء تجارب البحث عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) بشكل نشط في مسرعات الجسيمات. وفقا لمعادلة أينشتاين الشهيرة E=mс 2، فإن الطاقة تعادل الكتلة. لذلك، من خلال تسريع جسيم (على سبيل المثال، بروتون) إلى طاقة عالية جدًا واصطدامه بجسيم آخر، يمكن للمرء أن يتوقع إنشاء أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة الأخرى (بما في ذلك الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل)، كتلتها الإجمالية تساوي الطاقة الكلية للجزيئات المتصادمة. لكن تجارب المسرعات لم تؤد بعد إلى نتيجة إيجابية.

الطاقة المظلمة

في بداية القرن الماضي، أراد ألبرت أينشتاين ضمان استقلالية الزمن للنموذج الكوني في النظرية النسبية العامة، فأدخل ما يسمى بالثابت الكوني في معادلات النظرية، والذي سماه بالحرف اليوناني “ لامدا" - Λ. كان هذا Λ ​​ثابتًا شكليًا بحتًا، حيث لم يرى أينشتاين نفسه أي معنى مادي. وبعد اكتشاف توسع الكون اختفت الحاجة إليه. أعرب أينشتاين عن أسفه الشديد لتسرعه ووصف الثابت الكوني بأنه أكبر خطأ علمي له. ومع ذلك، بعد عقود، تبين أن ثابت هابل، الذي يحدد معدل توسع الكون، يتغير مع مرور الوقت، ويمكن تفسير اعتماده على الزمن عن طريق اختيار قيمة ثابت أينشتاين "الخاطئ" للغاية، والذي يساهم في إلى الكثافة الخفية للكون. أصبح هذا الجزء من الكتلة المخفية يسمى "الطاقة المظلمة".

حتى أنه لا يمكن قول الكثير عن الطاقة المظلمة مقارنة بالمادة المظلمة. أولاً، يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الكون، على عكس المادة العادية والأشكال الأخرى من المادة المظلمة. يوجد منه في المجرات وعناقيد المجرات بقدر ما يوجد خارجها. ثانيا، لها عدة خصائص غريبة جدا، لا يمكن فهمها إلا من خلال تحليل معادلات النظرية النسبية وتفسير حلولها. على سبيل المثال، تواجه الطاقة المظلمة الجاذبية المضادة: بسبب وجودها، يزداد معدل توسع الكون. يبدو أن الطاقة المظلمة تدفع نفسها بعيدًا، مما يؤدي إلى تسريع تشتت المادة العادية المجمعة في المجرات. تتمتع الطاقة المظلمة أيضًا بضغط سلبي، مما يؤدي إلى ظهور قوة في المادة تمنعها من التمدد.

المرشح الرئيسي للطاقة المظلمة هو الفراغ. لا تتغير كثافة طاقة الفراغ مع توسع الكون، وهو ما يتوافق مع الضغط السلبي. المرشح الآخر هو مجال افتراضي فائق الضعف، يُسمى الجوهر. ترتبط الآمال في توضيح طبيعة الطاقة المظلمة في المقام الأول بالملاحظات الفلكية الجديدة. إن التقدم في هذا الاتجاه سيجلب بلا شك معرفة جديدة جذريًا للبشرية، لأنه على أي حال، يجب أن تكون الطاقة المظلمة مادة غير عادية تمامًا، ومختلفة تمامًا عما تناولته الفيزياء حتى الآن.

لذا فإن 95% من عالمنا يتكون من شيء لا نعرف عنه شيئًا تقريبًا. يمكن للمرء أن يكون لديه مواقف مختلفة تجاه هذه الحقيقة التي لا شك فيها. يمكن أن يسبب القلق الذي يصاحب دائمًا لقاء شيء غير معروف. أو خيبة الأمل، لأن مثل هذا المسار الطويل والمعقد لبناء نظرية فيزيائية تصف خصائص عالمنا أدى إلى البيان: معظمالكون مخفي عنا وغير معروف لنا.

لكن معظم علماء الفيزياء يشعرون الآن بالتشجيع. تظهر التجربة أن جميع الألغاز التي طرحتها الطبيعة على البشرية قد تم حلها عاجلاً أم آجلاً. ومما لا شك فيه أن لغز المادة المظلمة سيتم حله أيضًا. وهذا بالتأكيد سيجلب لنا معارف ومفاهيم جديدة تمامًا ليس لدينا أي فكرة عنها بعد. وربما سنلتقي بأسرار جديدة، والتي بدورها سيتم حلها أيضًا. لكن هذه ستكون قصة مختلفة تمامًا، ولن يتمكن قراء "الكيمياء والحياة" من قراءتها إلا بعد مرور سنوات قليلة. أو ربما في غضون بضعة عقود.

المادة المظلمةالكون - لم يره أحد، ولم يقيسه أحد، ولا يعرف أحد ما هو، إلا أنه موجود المادة المظلمةيصر على نصيب الأسد من علماء الفيزياء وعلماء الفيزياء الفلكية. لأنه بدون وجود المادة المظلمة، لا يستطيع علماء الفيزياء الفلكية تفسير العديد من العمليات في الكون.

وهذا يعني إما أن المادة المظلمة موجودة، أو أن كوننا مبني بشكل مختلف تمامًا وأن النظريات الفيزيائية بحاجة إلى مراجعة. بطبيعة الحال، من الملائم لعلماء الفلك العلمي أن يقبلوا بوجود المادة المظلمة. أولاً، إنه أكثر ملاءمة من الناحية الرياضية. ثانياً، لا يحتاج الأكاديميون إلى الاعتراف بأخطائهم. لكن ليس هذا ما أتحدث عنه...:)

هل الثوار على حق من يدحضون وجود المادة المظلمة- سوف يظهر الوقت. أنا شخصياً سعيد لأن البحث لا يقف ساكناً، وأن النظريات الفيزيائية لم تتحول إلى عقيدة. لأنني أريد حقًا أن أرى انفراجة في الركود الذي لوحظ في العلوم الأساسية السنوات الأخيرةخمسون... لا توجد قفزات في الفضاء الجزئي، ولا آلة الزمن... :)

والآن، أثناء تصفحي للخلاصة، لفتت انتباهي رسالتان مستقلتان حول موضوع دحض وجود المادة المظلمة.

قام علماء الفلك من سانت بطرسبرغ نيكولاي وإيلينا بيتييف بتحليل بيانات من 677 ألف قياس لحركات الأجسام في النظام الشمسي على مدار المائة عام الماضية. هذه هي بيانات القياس من سطح الأرض والمركبات الفضائية. وتمت دراسة حركة الكواكب وأكبر أقمارها ومسارات 301 كويكب. ووفقا لاستنتاجات علماء الفلك في سانت بطرسبرغ، فإن المادة المظلمة لا تؤثر على حركة الأجسام المدروسة في النظام الشمسي. على الأقل هذا التأثير لا يتجاوز أخطاء القياس والحساب.
وبقدر ما أفهم، لا بد أن تكون هناك مثل هذه الانحرافات إذا قارنا المسارات المقاسة لهذه الأجسام مع المسارات التي كان ينبغي لهذه الأجسام أن تعتمد عليها فقط على كتلتها وسرعتها، أي دون الأخذ في الاعتبار تأثير المادة المظلمة.
لم يتم نشر المقال رسميًا بعد، ولكن هناك بالفعل طبعات أولية وتم قبوله للنشر في Letters to the Astronomical Journal.

أما العمل الثاني فقد قام به عالم الفلك الدكتور هونغ شنغ تشاو من جامعة سانت أندروز. قام بتطبيق نظرية الجاذبية المعدلة MOND على حركة مجرتنا درب التبانة مع أقمارها ومجراتها. تم اقتراح MOND في عام 1983 من قبل موردخاي ميلجروم من معهد وايزمان ويصف سلوك الجاذبية على المقاييس الكبيرة بشكل مختلف عما ينبغي أن يكون وفقًا لنظريات نيوتن وأينشتاين. وحتى الآن لم يكن هناك دليل مقنع على صحتها.

وفقا لبحث الدكتور تشاو، فإن هاتين المجرتين لم تصطدما قبل ثلاثة مليارات سنة، كما يفترض علماء الفلك، ولكن قبل ذلك بكثير - قبل عشرة مليارات سنة. إذا كانت النظريات الكلاسيكية لنيوتن وأينشتاين صحيحة، فإن المجرات قد اندمجت بالفعل في ذلك الوقت في مجرة ​​عملاقة واحدة، ولم تكن لتتفرق بعد الاصطدام.
افترض أن المادة المظلمة غير موجودةإذن، وفقًا لبحثه، يصبح من الواضح سبب تصادم مجراتنا وتناثرها مرة أخرى، وتناثر "شظاياها" على الجوانب على شكل مجرات فضائية قزمة. كتلة ضخمة من المادة المظلمة من شأنها أن تلصق مجراتنا في مجرة ​​واحدة وتمنعها من التطاير.
بالمناسبة، لا تستطيع النظريات الكلاسيكية تفسير الشذوذات في توزيع المجرات القزمة التابعة حول مجرة ​​درب التبانة والمرأة المسلسلة.