Scientifiques de la matière noire. Création d'une carte de distribution de matière noire

L'univers est constitué de seulement 4,9 % de matière ordinaire – la matière baryonique, qui constitue notre monde. La majeure partie des 74 % de l'univers entier est constituée d'énergie sombre mystérieuse, et 26,8 % de la masse de l'univers est constituée de particules difficiles à détecter, défiant la physique, appelées matière noire.

Ce concept étrange et inhabituel de matière noire a été proposé pour tenter d'expliquer des phénomènes astronomiques inexpliqués. Ainsi, les scientifiques ont commencé à parler de l'existence d'une énergie puissante, si dense et si massive - elle est cinq fois plus grande que la substance ordinaire de la matière dont notre monde est constitué, dont nous sommes constitués, après avoir découvert des phénomènes incompréhensibles dans la gravité des étoiles et la formation de l'Univers.

D’où vient le concept de matière noire ?

Ainsi, les étoiles des galaxies spirales comme la nôtre ont une vitesse de rotation assez élevée et, selon toutes les lois, avec un mouvement aussi rapide, elles devraient simplement s'envoler dans l'espace intergalactique, comme les oranges d'un panier renversé, mais ce n'est pas le cas. Ils sont retenus par une force gravitationnelle très forte, qui n’est enregistrée ou capturée par aucune de nos méthodes.

Les scientifiques ont reçu une autre confirmation intéressante de l’existence d’une certaine matière noire grâce à l’étude du fond diffus cosmologique. Ils ont montré qu'après le Big Bang, la matière était initialement répartie uniformément dans l'espace, mais que par endroits sa densité était légèrement supérieure à la moyenne. Ces zones avaient une gravité plus forte, contrairement à celles qui les entouraient, et en même temps, attirant la matière vers elles, elles devenaient encore plus denses et massives. Tout ce processus a dû être trop lent pour former de grandes galaxies, y compris notre Voie lactée, en seulement 13,8 milliards d'années, ce qui correspond à l'âge de l'Univers.

Ainsi, il reste à supposer que le taux de développement des galaxies est accéléré par la présence d'une quantité suffisante de matière noire avec sa gravité supplémentaire, ce qui accélère considérablement ce processus.

Qu’est-ce que la matière noire ?

L'une des idées centrales est que la matière noire est constituée de particules subatomiques. De quel type de particules s'agit-il et qui postule pour ce rôle, il existe de nombreux candidats.

On suppose que les particules élémentaires fondamentales de la famille des fermions ont des partenaires supersymétriques d'une autre famille : les bosons. Ces particules massives à faible interaction sont appelées WIMP (ou simplement WIMP). Le superpartenaire le plus léger et le plus stable est le neutralino. C’est le candidat le plus probable pour le rôle des substances de matière noire.

Sur ce moment les tentatives pour obtenir un neutralino ou au moins une particule de matière noire similaire ou complètement différente n'ont pas abouti. Des tests pour la production de neutralinos ont été effectués lors de collisions à ultra-haute énergie au célèbre Grand collisionneur de hadrons, évalué de diverses manières. À l'avenir, des expériences seront menées avec des énergies de collision encore plus élevées, mais cela ne garantit pas qu'au moins certains modèles de matière noire seront découverts.

Comme le dit Matthew McCullough (du Centre de physique théorique du MIT) : « Notre monde ordinaire" La structure est complexe, elle n'est pas construite à partir de particules du même type, mais et si la matière noire était également complexe ? " Selon sa théorie, la matière noire peut hypothétiquement interagir avec elle-même, mais en même temps ignorer la matière ordinaire. C'est pourquoi nous ne pouvons pas remarquer et en quelque sorte enregistrer sa présence.

(Carte du fond diffus cosmologique (CMB) réalisée par la sonde d'anisotropie micro-onde Wilkinson (WMAP))

Notre galaxie, la Voie lactée, est constituée d'un énorme nuage sphérique en rotation de matière noire mélangé à une petite quantité de matière normale compressée par la gravité. Cela se produit plus rapidement entre les pôles, mais pas autant que dans la région de l’équateur. En conséquence, notre galaxie prend l’apparence d’un disque spiralé aplati d’étoiles et plonge dans un nuage sphéroïdal de matière noire.

Théories de l'existence de la matière noire

Pour expliquer la nature de la masse manquante dans l'Univers, diverses théories ont été avancées, d'une manière ou d'une autre, parlant de l'existence de la matière noire. En voici quelques uns:

• L’attraction gravitationnelle de la matière ordinaire détectable dans l’Univers ne peut expliquer le mouvement étrange des étoiles dans les galaxies, où, dans les régions extérieures des galaxies spirales, les étoiles tournent si rapidement qu’elles devraient simplement s’envoler dans l’espace interstellaire. Qu’est-ce qui les retient si cela ne peut pas être enregistré ?
• La matière noire existante dépasse de 5,5 fois la matière ordinaire de l'Univers, et seule sa gravité supplémentaire peut expliquer les mouvements inhabituels des étoiles dans les galaxies spirales.
• Les particules de matière noire possibles sont les WIMP, ce sont des particules massives qui interagissent faiblement et sont des partenaires super-lourds et supersymétriques des particules subatomiques. En théorie, il existe plus de trois dimensions spatiales qui nous sont inaccessibles. La difficulté est de savoir comment les enregistrer lorsque des dimensions supplémentaires selon la théorie de Kaluza-Klein s'avèrent inaccessibles pour nous.

Est-il possible de détecter la matière noire ?

D'énormes quantités de particules de matière noire traversent la Terre, mais comme la matière noire n'interagit pas et, s'il y a interaction, elle est extrêmement faible, pratiquement nulle, avec la matière ordinaire, alors dans la plupart des expériences, aucun résultat significatif n'a été obtenu.

Néanmoins, des tentatives sont tentées pour enregistrer la présence de matière noire dans le cadre d'expériences impliquant la collision de divers noyaux atomiques (silicium, xénon, fluor, iode et autres) dans l'espoir de constater l'impact de la particule de matière noire.

À l'Observatoire astronomique des neutrinos de la station Amundsen-Scott avec nom intéressant IceCube mène des recherches pour détecter les neutrinos de haute énergie produits à l'extérieur système solaire.

Ici, au pôle Sud, où la température extérieure atteint -80 °C, à 2,4 km de profondeur sous la glace, des appareils électroniques de haute précision sont installés, permettant une observation continue des processus mystérieux de l'Univers se déroulant au-delà de la matière ordinaire. Jusqu'à présent, il ne s'agit que de tentatives visant à percer les secrets les plus profonds de l'Univers, mais il y a déjà quelques succès, comme la découverte historique de 28 neutrinos.

Donc. Il est incroyablement intéressant que l'Univers, constitué de matière noire, inaccessible à notre étude visible, puisse s'avérer bien plus complexe que la structure de notre Univers. Ou peut-être que l'Univers de la matière noire est nettement supérieur au nôtre et que c'est là que se produisent toutes les choses importantes, dont nous essayons de voir les échos dans notre matière ordinaire, mais cela entre déjà dans le domaine de la science-fiction.

Les scientifiques ont franchi une étape importante vers la résolution de l’un des principaux mystères de l’Univers : la matière noire, qui occuperait la majeure partie de l’espace. Spécialistes travaillant sur le projet Enquête sur l'énergie noire , en utilisant télescope puissant dans les Andes avons pu créer une carte, démontrant la distribution de la matière noire. dessus de grandes bobines de matière noire sont visibles, parsemées de galaxies et séparées par l'espace libre.

Jusqu’à présent, les scientifiques ne pouvaient étudier la matière noire qu’en mesurant la distorsion de la lumière provenant de galaxies lointaines. En conséquence, les experts veulent mesurer énergie noire- une force encore plus mystérieuse qui agrandit l'Univers à une vitesse toujours croissante.

Matière noireen astronomie et cosmologie, ainsi qu'en physique théorique, forme hypothétique de matière qui n'émet pas de rayonnement électromagnétique ni n'interagit avec lui. Cette propriété de cette forme de matière rend impossible son observation directe.

La conclusion sur l'existence de la matière noire a été tirée sur la base de nombreux signes, cohérents les uns avec les autres, mais indirects, du comportement des objets astrophysiques et des effets gravitationnels qu'ils créent. Découvrir la nature de la matière noire aidera à résoudre le problème de la masse cachée, qui réside notamment dans la vitesse de rotation anormalement élevée des régions extérieures des galaxies.

Le terme s'est répandu après les travaux de Fritz Zwicky. Zwicky a mesuré les vitesses radiales de huit galaxies de l'amas de Coma (la constellation de Coma Bérénices) et a découvert que pour que l'amas soit stable, il faut supposer que sa masse totale est des dizaines de fois supérieure à la masse de ses étoiles constitutives. Bientôt, d’autres astronomes sont arrivés aux mêmes conclusions pour de nombreuses autres galaxies. Depuis les années 1960, lorsque les progrès rapides de l’astronomie d’observation ont commencé, le nombre d’arguments en faveur de l’existence de la matière noire a rapidement augmenté. Dans le même temps, les estimations de ses paramètres obtenues à partir de différentes sources et de différentes méthodes sont généralement cohérentes les unes avec les autres.

La présence de matière inconnue dans l'Univers et son influence se sont révélées être une situation typique dans le monde des galaxies.

Le mouvement dans les systèmes de galaxies doubles et dans les amas de galaxies a été étudié. Il s’est avéré qu’à ces échelles, la proportion de matière noire est bien plus élevée qu’à l’intérieur des galaxies.

La masse stellaire des galaxies elliptiques, selon les calculs, est insuffisante pour contenir les gaz chauds entrant dans la galaxie, si la matière noire n'est pas prise en compte.

L’estimation de la masse des amas de galaxies effectuant une lentille gravitationnelle donne des résultats incluant la contribution de la matière noire et proches de ceux obtenus par d’autres méthodes.

Une contribution majeure a été apportée à la fin des années 1960 et au début des années 1970 par l'astronome Vera Rubin de la Carnegie Institution, qui fut la première à effectuer des calculs précis et fiables indiquant la présence de matière noire. Avec un co-auteur (Kent Ford), Rubin a annoncé lors d'une conférence de l'American Astronomical Society en 1975 la découverte que la plupart des étoiles des galaxies spirales orbitent à peu près à la même vitesse angulaire, conduisant à l'idée que la densité de masse dans les galaxies est il en va de même dans les régions où la majorité des étoiles (renflent) et pour les régions situées au bord du disque où il y a peu d'étoiles.

Une étude publiée en 2012 sur les mouvements de plus de 400 étoiles situées à des distances allant jusqu'à 13 000 années-lumière du Soleil n'a trouvé aucune preuve de matière noire dans grand volume l'espace autour du Soleil. Selon les prévisions théoriques, la quantité moyenne de matière noire à proximité du Soleil aurait dû être d'environ 0,5 kg dans le volume de la Terre. Cependant, les mesures ont donné une valeur de 0,00 ± 0,06 kg de matière noire dans ce volume. Cela signifie que les tentatives de détection de la matière noire sur Terre, par exemple grâce à de rares interactions de particules de matière noire avec de la matière « ordinaire », ont peu de chances d’aboutir.

Selon les données d'observation de l'observatoire spatial Planck publiées en mars 2013, la masse-énergie totale de l'Univers observable est constituée de 4,9 % de matière ordinaire (baryonique), 26,8 % de matière noire et 68,3 % d'énergie noire. Ainsi, l’Univers est composé à 95,1 % de matière noire et d’énergie noire.

L’hypothèse la plus naturelle semble être que la matière noire est constituée de matière baryonique ordinaire. , pour une raison quelconque, interagissant faiblement électromagnétiquement et donc non détectable lors de l'étude, par exemple, des raies d'émission et d'absorption.

Cependant modèles théoriques offrent un large choix de candidats possibles pour le rôle de matière invisible non baryonique - ce sont : les neutrinos légers, les neutrinos lourds, les axions, les cosmions et les particules supersymétriques telles que le photono, le gravitino, le higgsino, le sneutrino, le vin et le zino.

Il existe des théories alternatives sur la matière noire et l’énergie noire :

Matière provenant d'autres dimensions (Univers parallèles)

Certaines théories sur les dimensions supplémentaires considèrent la gravité comme un type unique d'interaction qui peut agir sur notre espace à partir de dimensions supplémentaires. Cette hypothèse permet d'expliquer la relative faiblesse de l'interaction gravitationnelle par rapport aux trois autres forces principales (électromagnétique, forte et faible). L'effet de la matière noire peut s'expliquer logiquement par l'interaction de la matière visible de nos dimensions ordinaires avec la matière massive d'autres dimensions. (extra, invisibles) grâce à la gravité. En même temps, ces dimensions et cette matière qu'elles contiennent ne peuvent en aucun cas ressentir d'autres types d'interactions ; la matière dans d'autres dimensions ne peut pas interagir avec elle (en fait, dans. univers parallèle) peuvent se former en structures (galaxies, amas de galaxies) d'une manière similaire à nos mesures ou former leurs propres structures exotiques, qui, dans nos mesures, sont ressenties comme un halo gravitationnel autour des galaxies visibles.

Défauts topologiques de l'espace

La matière noire peut simplement être constituée de défauts primordiaux (Big Bang) dans la topologie de l’espace et/ou du champ quantique pouvant contenir de l’énergie, provoquant ainsi des forces gravitationnelles.

Une construction théorique en physique appelée modèle standard décrit les interactions de tous connu de la science particules élémentaires. Mais cela ne représente que 5 % de la matière existant dans l'Univers, les 95 % restants étant de nature totalement inconnue. Quelle est cette hypothétique matière noire et comment les scientifiques tentent-ils de la détecter ? Hayk Hakobyan, étudiant au MIPT et employé du Département de physique et d'astrophysique, en parle dans le cadre d'un projet spécial.

Le Modèle Standard des particules élémentaires, enfin confirmé après la découverte du boson de Higgs, décrit les interactions fondamentales (électrofaibles et fortes) des particules ordinaires que nous connaissons : les leptons, les quarks et les porteurs de force (bosons et gluons). Cependant, il s'avère que toute cette théorie extrêmement complexe ne décrit qu'environ 5 à 6 % de toute la matière, tandis que le reste ne rentre pas dans ce modèle. Les observations des premiers instants de notre Univers nous montrent qu'environ 95 % de la matière qui nous entoure est de nature totalement inconnue. Autrement dit, nous voyons indirectement la présence de cette matière cachée en raison de son influence gravitationnelle, mais nous n’avons pas encore pu la capter directement. Ce phénomène de masse caché porte le nom de code « matière noire ».

La science moderne, notamment la cosmologie, fonctionne selon la méthode déductive de Sherlock Holmes

Aujourd'hui, le principal candidat du groupe WISP est l'axion, qui apparaît dans la théorie de l'interaction forte et possède une très petite masse. Une telle particule est capable de se transformer en une paire photon-photon dans des champs magnétiques élevés, ce qui donne des indications sur la manière dont on pourrait essayer de la détecter. L'expérience ADMX utilise de grandes chambres qui créent un champ magnétique de 80 000 gauss (soit 100 000 fois plus champ magnétique Terre). En théorie, un tel champ devrait stimuler la désintégration d’un axion en une paire photon-photon, que les détecteurs devraient capter. Malgré de nombreuses tentatives, il n’a pas encore été possible de détecter des WIMP, des axions ou des neutrinos stériles.

Ainsi, nous avons parcouru un grand nombre d'hypothèses différentes cherchant à expliquer l'étrange présence de la masse cachée, et, après avoir rejeté toutes les impossibilités à l'aide d'observations, nous sommes arrivés à plusieurs hypothèses possibles avec lesquelles nous pouvons déjà travailler.

Un résultat négatif en science est également un résultat, car il impose des restrictions sur divers paramètres des particules, par exemple, il élimine la gamme de masses possibles. D'année en année, de plus en plus de nouvelles observations et expériences dans les accélérateurs fournissent de nouvelles restrictions plus strictes sur la masse et d'autres paramètres des particules de matière noire. Ainsi, en écartant toutes les options impossibles et en resserrant le cercle des recherches, nous nous rapprochons de jour en jour de la compréhension de ce que consiste 95 % de la matière de notre Univers.

Dans les articles de la série, nous avons examiné la structure de l'Univers visible. Nous avons parlé de sa structure et des particules qui forment cette structure. À propos du jeu des nucléons Le rôle principal, puisque c'est d'eux que consiste toute la matière visible. Sur les photons, les électrons, les neutrinos, mais aussi sur les acteurs secondaires impliqués dans le jeu universel qui se déroule 14 milliards d'années après le Big Bang. Il semblerait qu'il n'y ait plus rien à dire. Mais ce n'est pas vrai. Le fait est que la substance que nous voyons ne représente qu’une petite partie de ce qui constitue notre monde. Tout le reste est quelque chose dont nous ne savons presque rien. Ce « quelque chose » mystérieux s’appelle la matière noire.

Si les ombres des objets ne dépendaient pas de la taille de ces derniers,
et s'ils avaient leur propre croissance arbitraire, alors peut-être
bientôt il n'y en aurait plus du tout globe pas un seul endroit lumineux.

Kozma Prutkov

Qu'arrivera-t-il à notre monde ?

Après la découverte par Edward Hubble des redshifts dans le spectre des galaxies lointaines en 1929, il est devenu clair que l'Univers était en expansion. L’une des questions qui s’est posée à cet égard était la suivante : combien de temps durera l’expansion et comment se terminera-t-elle ? Les forces d’attraction gravitationnelle agissant entre les différentes parties de l’Univers ont tendance à ralentir le retrait de ces parties. L’effet du freinage dépend de la masse totale de l’Univers. Si elle est suffisamment grande, les forces gravitationnelles arrêteront progressivement l’expansion et elle sera remplacée par une compression. En conséquence, l’Univers finira par « s’effondrer » à nouveau au point à partir duquel il avait commencé à s’étendre. Si la masse est inférieure à une certaine masse critique, l’expansion se poursuivra pour toujours. Il est généralement d'usage de parler non pas de masse, mais de densité, qui est liée à la masse par un rapport simple, connu du cours scolaire : la densité est la masse divisée par le volume.

La valeur calculée de la densité moyenne critique de l'Univers est d'environ 10 à 29 grammes par centimètre cube, ce qui correspond à une moyenne de cinq nucléons par mètre cube. Il convient de souligner que nous parlons de densité moyenne. La concentration caractéristique de nucléons dans l'eau, la terre et chez vous et moi est d'environ 10 30 par mètre cube. Cependant, dans le vide qui sépare les amas de galaxies et occupe la part du lion du volume de l'Univers, la densité est inférieure de plusieurs dizaines d'ordres de grandeur. La valeur de la concentration en nucléons, moyenne sur tout le volume de l'Univers, a été mesurée des dizaines et des centaines de fois, en comptant soigneusement le nombre d'étoiles et de nuages ​​​​de gaz et de poussière en utilisant différentes méthodes. Les résultats de ces mesures diffèrent quelque peu, mais la conclusion qualitative reste inchangée : la densité de l'Univers atteint à peine quelques pour cent de la valeur critique.

Par conséquent, jusque dans les années 70 du 20e siècle, la prévision généralement acceptée était l'expansion éternelle de notre monde, ce qui devrait inévitablement conduire à ce qu'on appelle la mort thermique. La mort thermique est un état d'un système dans lequel la substance qu'il contient est répartie uniformément et ses différentes parties ont la même température. En conséquence, ni le transfert d’énergie d’une partie du système à une autre, ni la redistribution de la matière ne sont possibles. Dans un tel système, rien ne se passe et ne pourra plus jamais se reproduire. Une analogie claire est celle de l’eau renversée sur n’importe quelle surface. Si la surface est inégale et qu'il existe même de légères différences d'altitude, l'eau se déplace des endroits les plus élevés vers les endroits les plus bas et finit par s'accumuler dans les basses terres, formant des flaques d'eau. Le mouvement s'arrête. La seule consolation qui restait était que la mort due à la chaleur se produirait dans des dizaines, voire des centaines de milliards d'années. Par conséquent, vous n’aurez pas à penser très, très longtemps à cette sombre perspective.

Cependant, il est progressivement devenu évident que la masse réelle de l'Univers est bien supérieure à la masse visible contenue dans les étoiles et les nuages ​​​​de gaz et de poussière et qu'elle est très probablement proche de la critique. Ou peut-être exactement égal.

Preuve de la matière noire

La première indication que quelque chose n’allait pas dans le calcul de la masse de l’Univers est apparue au milieu des années 30 du 20e siècle. L'astronome suisse Fritz Zwicky a mesuré les vitesses auxquelles se déplacent les galaxies de l'amas de Coma (qui est l'un des plus grands amas que nous connaissons, il comprend des milliers de galaxies). centre général. Le résultat a été décourageant : les vitesses des galaxies se sont avérées bien supérieures à ce à quoi on pouvait s'attendre sur la base de la masse totale observée de l'amas. Cela signifiait que la masse réelle de l’amas de Coma était bien supérieure à la masse apparente. Mais la majeure partie de la matière présente dans cette région de l’Univers reste, pour une raison quelconque, invisible et inaccessible aux observations directes, se manifestant uniquement par gravitation, c’est-à-dire uniquement sous forme de masse.

La présence de masse cachée dans les amas de galaxies est également mise en évidence par des expériences sur ce qu'on appelle la lentille gravitationnelle. L'explication de ce phénomène découle de la théorie de la relativité. Conformément à cela, toute masse déforme l'espace et, comme une lentille, déforme le trajet rectiligne des rayons lumineux. La distorsion provoquée par les amas de galaxies est si grande qu’il est facile de la remarquer. En particulier, à partir de la distorsion de l'image de la galaxie située derrière l'amas, il est possible de calculer la répartition de la matière dans l'amas de lentilles et ainsi de mesurer sa masse totale. Et il s’avère qu’elle est toujours plusieurs fois supérieure à la contribution de la matière visible de l’amas.

40 ans après les travaux de Zwicky, dans les années 70, l’astronome américaine Vera Rubin étudiait la vitesse de rotation autour du centre galactique de la matière situé à la périphérie des galaxies. Conformément aux lois de Kepler (et elles découlent directement de la loi de la gravitation universelle), lors du déplacement du centre d'une galaxie vers sa périphérie, la vitesse de rotation des objets galactiques devrait diminuer en proportion inverse de la racine carrée de la distance au centre. Les mesures ont montré que pour de nombreuses galaxies, cette vitesse reste quasiment constante à une distance très importante du centre. Ces résultats ne peuvent être interprétés que d'une seule manière : la densité de matière dans de telles galaxies ne diminue pas lorsqu'on s'éloigne du centre, mais reste presque inchangée. Puisque la densité de matière visible (contenue dans les étoiles et le gaz interstellaire) diminue rapidement vers la périphérie de la galaxie, la densité manquante doit être compensée par quelque chose que, pour une raison ou une autre, nous ne pouvons pas voir. Pour expliquer quantitativement les dépendances observées du taux de rotation sur la distance au centre des galaxies, il faut que ce « quelque chose » invisible soit environ 10 fois plus grand que la matière visible ordinaire. Ce « quelque chose » était appelé « matière noire » (en anglais « matière noire") et reste toujours le mystère le plus intrigant de l'astrophysique.

Un autre élément de preuve important de la présence de matière noire dans notre monde provient de calculs simulant le processus de formation des galaxies qui a commencé environ 300 000 ans après le Big Bang. Ces calculs montrent que les forces d'attraction gravitationnelle qui ont agi entre les fragments volants de matière générés lors de l'explosion n'ont pas pu compenser l'énergie cinétique de l'expansion. La matière n’aurait tout simplement pas dû s’accumuler dans les galaxies que nous observons pourtant à l’ère moderne. Ce problème a été appelé le paradoxe galactique et a longtemps été considéré comme un argument sérieux contre la théorie du Big Bang. Cependant, si nous supposons que les particules de matière ordinaire dans l'Univers primitif étaient mélangées avec des particules de matière noire invisible, alors tout se met en place dans les calculs et les extrémités commencent à se rencontrer - la formation de galaxies à partir d'étoiles, puis d'amas de galaxies. , devient possible. Dans le même temps, comme le montrent les calculs, d'abord un grand nombre de particules de matière noire se sont accumulées dans les galaxies et ensuite seulement, en raison des forces gravitationnelles, des éléments de matière ordinaire y ont été collectés, dont la masse totale ne représentait que quelques pour cent de la masse totale de l'Univers. Il s'avère que le familier et, semble-t-il, étudié en détail monde visible, que nous pensions seulement récemment avoir presque compris, n'est qu'un petit ajout à quelque chose qui constitue réellement l'Univers. Les planètes, les étoiles, les galaxies et vous et moi ne sommes qu’un écran pour un énorme « quelque chose » dont nous n’avons pas la moindre idée.

Photofait

L'amas de galaxies (en bas à gauche de la zone encerclée) crée une lentille gravitationnelle. Il déforme la forme des objets situés derrière l'objectif, étirant leurs images dans une direction. Sur la base de l'ampleur et de la direction de l'étendue, un groupe international d'astronomes de l'Observatoire de l'Europe du Sud, dirigé par des scientifiques de l'Institut d'astrophysique de Paris, a construit une distribution de masse, illustrée dans l'image du bas. Comme vous pouvez le constater, l’amas contient beaucoup plus de masse que ce que l’on peut voir à travers un télescope.

La chasse aux objets sombres et massifs n'est pas une tâche rapide et le résultat n'est pas des plus impressionnants sur les photographies. En 1995, le télescope Hubble a remarqué que l’une des étoiles du Grand Nuage de Magellan brillait plus fort. Cette lueur a duré plus de trois mois, mais l'étoile est ensuite revenue à son état naturel. Et six ans plus tard, un objet à peine lumineux est apparu à côté de l'étoile. C'était une naine froide qui, passant à une distance de 600 années-lumière de l'étoile, a créé une lentille gravitationnelle qui a amplifié la lumière. Les calculs ont montré que la masse de cette naine ne représente que 5 à 10 % de la masse du Soleil.

Enfin, la théorie de la relativité générale relie sans ambiguïté le taux d'expansion de l'Univers à la densité moyenne de la matière qu'il contient. En supposant que la courbure moyenne de l'espace est nulle, c'est-à-dire que la géométrie d'Euclide et non de Lobatchevski y opère (ce qui a été vérifié de manière fiable, par exemple, dans des expériences avec le rayonnement de fond cosmique micro-ondes), cette densité devrait être égale à 10 - 29 grammes par centimètre cube. La densité de la matière visible est environ 20 fois inférieure. Les 95 % manquants de la masse de l’Univers sont constitués de matière noire. Notez que la valeur de densité mesurée à partir du taux d’expansion de l’Univers est égale à la valeur critique. Deux valeurs, calculées indépendamment et complètement différentes façons, coïncidé ! Si en fait la densité de l'Univers est exactement égale à la densité critique, cela ne peut pas être une coïncidence, mais c'est la conséquence d'une propriété fondamentale de notre monde, qui n'a pas encore été comprise et comprise.

Qu'est-ce que c'est?

Que sait-on aujourd’hui de la matière noire, qui représente 95 % de la masse de l’Univers ? Presque rien. Mais nous savons encore quelque chose. Tout d'abord, il ne fait aucun doute que la matière noire existe - cela est démontré de manière irréfutable par les faits évoqués ci-dessus. Nous savons également avec certitude que la matière noire existe sous plusieurs formes. Après à début XXI siècles grâce à de nombreuses années d'observations expérimentales SuperKamiokande(Japon) et SNO (Canada), il a été établi que les neutrinos ont une masse, il est devenu clair que de 0,3 % à 3 % des 95 % de la masse cachée se trouvent dans des neutrinos qui nous sont familiers depuis longtemps - même si leur masse est extrêmement petits, mais leur quantité est en L'univers compte environ un milliard de fois le nombre de nucléons : chaque centimètre cube contient en moyenne 300 neutrinos. Les 92 à 95 % restants sont constitués de deux parties : la matière noire et l'énergie noire. Une petite fraction de la matière noire est constituée de matière baryonique ordinaire, construite à partir de nucléons ; le reste est apparemment constitué de particules massives inconnues à faible interaction (la soi-disant matière noire froide). Le bilan énergétique de l'Univers moderne est présenté dans le tableau et l'histoire de ses trois dernières colonnes se trouve ci-dessous.

Matière noire baryonique

Une petite partie (4 à 5 %) de la matière noire est de la matière ordinaire qui émet peu ou pas de rayonnement propre et est donc invisible. L'existence de plusieurs classes de tels objets peut être considérée comme confirmée expérimentalement. Les expériences les plus complexes, basées sur la même lentille gravitationnelle, ont conduit à la découverte d'objets dits halo massifs et compacts, c'est-à-dire situés à la périphérie des disques galactiques. Cela a nécessité la surveillance de millions de galaxies lointaines pendant plusieurs années. Lorsqu'un corps sombre et massif passe entre un observateur et une galaxie lointaine, sa luminosité diminue brièvement (ou augmente à mesure que le corps sombre agit comme une lentille gravitationnelle). Grâce à des recherches minutieuses, de tels événements ont été identifiés. La nature des objets halo compacts et massifs n’est pas complètement claire. Très probablement, il s'agit soit d'étoiles refroidies (naines brunes), soit d'objets ressemblant à des planètes qui ne sont pas associés aux étoiles et qui voyagent seuls à travers la galaxie. Un autre représentant de la matière noire baryonique est le gaz chaud récemment découvert dans les amas de galaxies à l'aide de méthodes d'astronomie aux rayons X, qui ne brille pas dans le domaine visible.

Matière noire non baryonique

Les principaux candidats à la matière noire non baryonique sont ce qu'on appelle les WIMP (abréviation de Particules massives faiblement interactives- particules massives interagissant faiblement). La particularité des WIMP est qu’ils ne présentent quasiment aucune interaction avec la matière ordinaire. C’est pourquoi ils constituent la véritable matière noire invisible et pourquoi ils sont extrêmement difficiles à détecter. La masse de WIMP doit être au moins dix fois supérieure à la masse d'un proton. La recherche des WIMP a été menée dans le cadre de nombreuses expériences au cours des 20 à 30 dernières années, mais malgré tous les efforts, ils n'ont pas encore été détectés.

Une idée est que si de telles particules existent, alors la Terre, alors qu'elle orbite autour du Soleil avec le Soleil autour du centre galactique, devrait voler à travers une pluie de WIMPs. Malgré le fait que WIMP soit une particule à interaction extrêmement faible, elle a encore une très faible probabilité d'interagir avec un atome ordinaire. En même temps, dans installations spéciales- très complexe et coûteux - un signal peut être enregistré. Le nombre de ces signaux devrait changer tout au long de l'année car, à mesure que la Terre se déplace en orbite autour du Soleil, elle change de vitesse et de direction par rapport au vent, constitué de WIMP. Le groupe expérimental DAMA, travaillant au laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, rapporte des variations observées d'une année à l'autre dans les taux de comptage des signaux. Cependant, d’autres groupes n’ont pas encore confirmé ces résultats et la question reste essentiellement ouverte.

Une autre méthode de recherche des WIMP repose sur l'hypothèse que pendant des milliards d'années de leur existence, divers objets astronomiques (Terre, Soleil, centre de notre Galaxie) devraient capturer les WIMP, qui s'accumulent au centre de ces objets, et, annihilant les uns les autres, donnent naissance à un flux de neutrinos. Des tentatives de détection du flux excessif de neutrinos du centre de la Terre vers le Soleil et le centre de la Galaxie ont été réalisées avec les détecteurs de neutrinos souterrains et sous-marins MACRO, LVD (Laboratoire Gran Sasso), NT-200 (Lac Baïkal, Russie), SuperKamiokande, AMANDA (Station Scott -Amundsen, pôle Sud), mais n'ont pas encore abouti à un résultat positif.

Des expériences de recherche de WIMP sont également activement menées dans les accélérateurs de particules. Conformément à la célèbre équation d'Einstein E=mс 2, l'énergie est équivalente à la masse. Par conséquent, en accélérant une particule (par exemple, un proton) à une très haute énergie et en la heurtant avec une autre particule, on peut s'attendre à la création de paires d'autres particules et antiparticules (y compris les WIMP), dont la masse totale est égale à l'énergie totale des particules en collision. Mais les expériences avec des accélérateurs n’ont pas encore abouti à un résultat positif.

Énergie noire

Au début du siècle dernier, Albert Einstein, voulant assurer l'indépendance du temps pour le modèle cosmologique dans la théorie de la relativité générale, a introduit dans les équations de la théorie ce qu'on appelle la constante cosmologique, qu'il a désignée par la lettre grecque « lambda »- Λ. Ce Λ ​​​​était une constante purement formelle, dans laquelle Einstein lui-même ne voyait aucune signification physique. Après la découverte de l’expansion de l’Univers, sa nécessité a disparu. Einstein a beaucoup regretté sa précipitation et a qualifié la constante cosmologique Λ de sa plus grande erreur scientifique. Cependant, des décennies plus tard, il s'est avéré que la constante de Hubble, qui détermine le taux d'expansion de l'Univers, change avec le temps, et que sa dépendance au temps peut être expliquée en sélectionnant la valeur de cette constante d'Einstein très « erronée » Λ, qui contribue à la densité cachée de l'Univers. Cette partie de la masse cachée est désormais appelée « énergie noire ».

On peut en dire encore moins sur l’énergie noire que sur la matière noire. Premièrement, elle est répartie uniformément dans tout l’Univers, contrairement à la matière ordinaire et aux autres formes de matière noire. Il y en a autant dans les galaxies et les amas de galaxies qu’à l’extérieur. Deuxièmement, il possède plusieurs propriétés très étranges, qui ne peuvent être comprises qu’en analysant les équations de la théorie de la relativité et en interprétant leurs solutions. Par exemple, l’énergie noire subit l’antigravité : en raison de sa présence, le taux d’expansion de l’Univers augmente. L'énergie sombre semble s'éloigner, accélérant la diffusion de la matière ordinaire collectée dans les galaxies. L'énergie sombre a également une pression négative, à cause de laquelle une force apparaît dans la substance qui l'empêche de s'étirer.

Le principal candidat à l’énergie noire est le vide. La densité d'énergie du vide ne change pas à mesure que l'Univers s'étend, ce qui correspond à une pression négative. Un autre candidat est un hypothétique champ super-faible, appelé quintessence. Les espoirs de clarification de la nature de l'énergie noire sont principalement associés à de nouvelles observations astronomiques. Les progrès dans cette direction apporteront sans aucun doute des connaissances radicalement nouvelles à l'humanité, car de toute façon, l'énergie noire doit être une substance complètement inhabituelle, complètement différente de ce que la physique a traité jusqu'à présent.

Ainsi, 95 % de notre monde est constitué de quelque chose dont nous ne savons presque rien. On peut avoir des attitudes différentes face à un tel fait qui ne fait aucun doute. Cela peut provoquer de l’anxiété, qui accompagne toujours une rencontre avec quelque chose d’inconnu. Ou une déception, car un chemin aussi long et complexe vers la construction d'une théorie physique décrivant les propriétés de notre monde a conduit à l'affirmation : la plupart de L’univers nous est caché et inconnu.

Mais la plupart des physiciens se sentent désormais encouragés. L'expérience montre que toutes les énigmes que la nature posait à l'humanité ont été tôt ou tard résolues. Sans aucun doute, le mystère de la matière noire sera également résolu. Et cela apportera certainement des connaissances et des concepts complètement nouveaux dont nous n’avons pas encore idée. Et peut-être rencontrerons-nous de nouveaux mystères, qui, à leur tour, seront également résolus. Mais ce sera une toute autre histoire, que les lecteurs de « Chimie et Vie » ne pourront lire que quelques années plus tard. Ou peut-être dans quelques décennies.

Matière noire Univers - personne ne l'a vu, personne ne l'a mesuré, personne ne sait ce que c'est, mais il existe matière noire insiste sur le fait que la part du lion revient aux physiciens et astrophysiciens. Car sans l’existence de la matière noire, les astrophysiciens ne peuvent pas expliquer de nombreux processus dans l’Univers.

Autrement dit, soit la matière noire existe, soit notre Univers est structuré complètement différemment et les théories physiques doivent être révisées. Naturellement, il est plus pratique pour les astronomes scientifiques d’accepter l’existence de la matière noire. Premièrement, c’est plus pratique d’un point de vue mathématique. Deuxièmement, les universitaires n’ont pas besoin d’admettre leurs erreurs. Mais ce n'est pas de ça que je parle... :)

Les rebelles qui réfutent ont-ils raison existence de matière noire- Le temps nous montrera. Personnellement, je suis heureux que la recherche ne s'arrête pas et que les théories physiques ne se soient pas transformées en dogme. Parce que je veux vraiment voir une avancée dans la stagnation observée dans la science fondamentale dernières années cinquante... pas de sauts subspatiaux, pas de machine à voyager dans le temps... :)

Et maintenant, en parcourant le fil, deux messages indépendants sur le thème de la réfutation de l'existence de la matière noire ont attiré mon attention.

Les astronomes de Saint-Pétersbourg Nikolai et Elena Pityev ont analysé les données de 677 000 mesures des mouvements des corps dans le système solaire au cours des 100 dernières années. Il s'agit de données de mesure provenant à la fois de la surface de la Terre et des vaisseaux spatiaux. Le mouvement des planètes, de leurs plus gros satellites et les trajectoires de 301 astéroïdes ont été étudiés. Selon les conclusions des astronomes de Saint-Pétersbourg, la matière noire n'affecte pas le mouvement des corps étudiés du système solaire. Au moins, cette influence ne va pas au-delà des erreurs de mesure et de calcul.
D'après ce que je comprends, de tels écarts doivent exister si l'on compare les trajectoires mesurées de ces corps avec les trajectoires que ces corps auraient dû avoir en fonction uniquement de leur masse et de leur vitesse, c'est-à-dire sans tenir compte de l'influence de la matière noire.
L'article n'a pas encore été officiellement publié, mais il existe déjà des prépublications et il a été accepté pour publication dans Letters to the Astronomical Journal.

Le deuxième travail a été réalisé par l'astronome Dr Hongsheng Zhao de l'Université de St. Andrews. Il a appliqué la théorie modifiée de la gravité MOND au mouvement de notre galaxie, la Voie lactée, avec ses satellites et ses galaxies. MOND a été proposé en 1983 par Mordechai Milgrom de l'Institut Weizmann et décrit le comportement de la gravité à grande échelle différemment de ce qu'il devrait être selon les théories de Newton et d'Einstein. Jusqu’à présent, il n’existe aucune preuve convaincante de son exactitude.

Selon les recherches du Dr Zhao, ces deux galaxies ne sont pas entrées en collision il y a trois milliards d'années, comme le supposent les astronomes, mais bien plus tôt, il y a dix milliards d'années. Si les théories classiques de Newton et d'Einstein étaient correctes, alors les galaxies auraient déjà fusionné en une seule supergalaxie à cette époque et ne se seraient pas dispersées après la collision.
En admettant que la matière noire n'existe pas, puis selon ses recherches, il devient clair pourquoi nos galaxies sont entrées en collision et se sont à nouveau dispersées, dispersant leurs « fragments » sur les côtés sous la forme de galaxies satellites naines. Une énorme masse de matière noire rassemblerait nos galaxies en une seule et les empêcherait de se séparer.
À propos, les théories classiques ne peuvent pas expliquer les bizarreries de la répartition des galaxies satellites naines autour de la Voie lactée et d'Andromède.