Was ist schwarze Materie? Theorie der Dunklen Materie

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-12 05:38

Was war zuerst da: das Ei oder das Huhn? Mit dieser einfachen Frage ringen Wissenschaftler auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten. Eine ähnliche Frage stellt sich darüber, was ganz am Anfang war, im Moment der Erschaffung des Universums. Aber war es diese Schöpfung oder sind die Universen zyklisch oder unendlich? Was ist schwarze Materie im Weltraum und wie unterscheidet sie sich von weißer Materie? Lassen Sie uns verschiedene Arten von Religion beiseite werfen und versuchen, uns den Antworten auf diese Fragen von einem wissenschaftlichen Standpunkt aus zu nähern. In den letzten Jahren ist Wissenschaftlern das Undenkbare gelungen. Wahrscheinlich zum ersten Mal in der Geschichte stimmten die Berechnungen der theoretischen Physiker mit den Berechnungen der Experimentalphysiker überein. Im Laufe der Jahre wurden der wissenschaftlichen Gemeinschaft mehrere verschiedene Theorien präsentiert. Mehr oder weniger genau, auf empirischem Wege, manchmal quasi-wissenschaftlich, wurden die theoretisch berechneten Daten dennoch durch Experimente bestätigt, manche sogar mit einer Verzögerung von mehr als einem Dutzend Jahren (zB das Higgs-Boson).

Dunkle Materie - schwarze Energie

Es gibt viele solcher Theorien, zum Beispiel: Stringtheorie, Urknalltheorie, zyklische Universumstheorie, parallele Universumstheorie, modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND), F. Hoyle und andere. Gegenwärtig gilt jedoch die Theorie eines sich ständig erweiternden und sich entwickelnden Universums als allgemein akzeptiert, deren Thesen gut in den Rahmen des Urknallkonzepts passen. Gleichzeitig wurden quasi-empirisch (d. h. empirisch, aber mit großen Toleranzen und basierend auf bestehenden modernen Theorien über die Struktur des Mikrokosmos) Daten erh alten, dass alle uns bekannten Mikropartikel nur 4,02 % des Gesamtvolumens ausmachen die gesamte Zusammensetzung des Universums. Dies ist der sogenannte "Baryoncocktail" oder baryonische Materie. Der Großteil unseres Universums (mehr als 95%) sind jedoch Substanzen mit einem anderen Plan, einer anderen Zusammensetzung und Eigenschaften. Das ist die sogenannte schwarze Materie und schwarze Energie. Sie verh alten sich unterschiedlich: Sie reagieren unterschiedlich auf verschiedene Arten von Reaktionen, werden nicht mit bestehenden technischen Mitteln fixiert und weisen bisher unerforschte Eigenschaften auf. Daraus können wir schließen, dass entweder diese Substanzen anderen Gesetzen der Physik gehorchen (nicht-Newtonsche Physik, ein verbales Analogon der nicht-euklidischen Geometrie), oder dass sich unser Entwicklungsstand von Wissenschaft und Technologie erst im Anfangsstadium ihrer Entstehung befindet.

Was sind Baryonen?

Nach dem aktuellen Quark-Gluon-Modell der starken Wechselwirkung gibt es nur sechzehn Elementarteilchen (und die jüngste Entdeckung des Higgs-Bosons bestätigt dies): sechs Arten (Flavours) von Quarks, acht Gluonen und zwei Bosonen. Baryonen sind schwere Elementarteilchen mit starker Wechselwirkung. Die bekanntesten von ihnen sind Quarks, Protonen und Neutronen. Familien solcher Substanzen, die sich unterscheiden inSpin, Massen, ihre "Farbe", sowie die Zahlen der "Bezauberung", "Fremdheit", sind genau die Bausteine dessen, was wir baryonische Materie nennen. Schwarze (dunkle) Materie, die 21,8 % der Gesamtzusammensetzung des Universums ausmacht, besteht aus anderen Teilchen, die keine elektromagnetische Strahlung aussenden und in keiner Weise mit ihr reagieren. Daher ist es zumindest für die direkte Beobachtung und noch mehr für die Registrierung solcher Substanzen erforderlich, zunächst ihre Physik zu verstehen und sich auf die Gesetze zu einigen, denen sie gehorchen. Viele moderne Wissenschaftler tun dies derzeit in Forschungsinstituten auf der ganzen Welt.

Die wahrscheinlichste Option

Welche Substanzen kommen in Frage? Zunächst sei darauf hingewiesen, dass es nur zwei Möglichkeiten gibt. Gemäß GR und SRT (Allgemeine und Spezielle Relativitätstheorie) kann diese Substanz hinsichtlich ihrer Zusammensetzung sowohl baryonische als auch nicht-baryonische dunkle Materie (schwarz) sein. Nach der Haupttheorie des Urknalls wird jede existierende Materie in Form von Baryonen dargestellt. Diese These wurde mit extrem hoher Genauigkeit bewiesen. Gegenwärtig haben Wissenschaftler gelernt, Teilchen einzufangen, die eine Minute nach dem Ausbruch der Singularität, also nach der Explosion eines superdichten Materiezustands, mit einer gegen unendlich gehenden Körpermasse und gegen Null gehenden Körperabmessungen gebildet werden. Das Szenario mit Baryonenteilchen ist am wahrscheinlichsten, da unser Universum aus ihnen besteht und sich durch sie weiter ausdehnt. schwarze Materie,nach dieser Annahme besteht es aus Grundteilchen, die allgemein von der Newtonschen Physik akzeptiert werden, aber aus irgendeinem Grund auf elektromagnetische Weise schwach wechselwirken. Deshalb erkennen die Detektoren sie nicht.

Es läuft nicht so rund

Dieses Szenario passt zu vielen Wissenschaftlern, aber es gibt immer noch mehr Fragen als Antworten. Wenn sowohl schwarze als auch weiße Materie nur durch Baryonen repräsentiert wird, sollte die Konzentration leichter Baryonen als Prozentsatz schwerer Baryonen als Ergebnis der primären Nukleosynthese in den anfänglichen astronomischen Objekten des Universums unterschiedlich sein. Und experimentell wurde die Anwesenheit einer ausreichenden Anzahl von großen Gravitationsobjekten wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen in unserer Galaxie nicht nachgewiesen, um die Masse des Halo unserer Milchstraße auszugleichen. Die gleichen Neutronensterne, dunklen galaktischen Halos, schwarzen Löcher, weißen, schwarzen und braunen Zwerge (Sterne in verschiedenen Stadien ihres Lebenszyklus) sind jedoch höchstwahrscheinlich Teil der dunklen Materie, aus der dunkle Materie besteht. Schwarze Energie kann auch ihre Füllung ergänzen, einschließlich vorhergesagter hypothetischer Objekte wie Preon-, Quark- und Q-Sterne.

Nichtbaryonische Kandidaten

Das zweite Szenario impliziert einen nicht-baryonischen Ursprung. Hier können mehrere Arten von Partikeln als Kandidaten fungieren. Zum Beispiel leichte Neutrinos, deren Existenz bereits von Wissenschaftlern nachgewiesen wurde. Ihre Masse liegt jedoch in der Größenordnung von einem Hundertstel zu einemZehntausendstel eV (Elektronenvolt), schließt sie aufgrund der Unerreichbarkeit der notwendigen kritischen Dichte praktisch von möglichen Teilchen aus. Aber schwere Neutrinos, gepaart mit schweren Leptonen, manifestieren sich unter normalen Bedingungen praktisch nicht in schwachen Wechselwirkungen. Solche Neutrinos werden als steril bezeichnet und sind mit ihrer maximalen Masse von bis zu einem Zehntel eV eher Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen. Axionen und Kosmionen wurden künstlich in physikalische Gleichungen eingeführt, um Probleme in der Quantenchromodynamik und im Standardmodell zu lösen. Zusammen mit einem anderen stabilen supersymmetrischen Teilchen (SUSY-LSP) könnten sie sich durchaus als Kandidaten qualifizieren, da sie nicht an elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen teilnehmen. Im Gegensatz zu Neutrinos sind sie jedoch noch hypothetisch, ihre Existenz muss noch bewiesen werden.

Theorie der schwarzen Materie

Der Mangel an Masse im Universum führt zu verschiedenen Theorien in dieser Hinsicht, von denen einige ziemlich konsistent sind. Zum Beispiel die Theorie, dass die gewöhnliche Gravitation nicht in der Lage ist, die seltsame und exorbitant schnelle Rotation von Sternen in Spiralgalaxien zu erklären. Bei solchen Geschwindigkeiten würden sie einfach rausfliegen, wenn da nicht irgendeine H altekraft wäre, die man noch nicht registrieren kann. Andere Thesen von Theorien erklären die Unmöglichkeit, WIMPs (Massive Electroweakly Interacting Particles-Partner of Elementary Subparticles, supersymmetric and superheavy – das heißt, ideale Kandidaten) unter terrestrischen Bedingungen zu erh alten, da sie in der n-Dimension leben, die sich von unserer Dreidimensionalität unterscheidet. dimensionale. Nach der Kaluza-Klein-Theorie stehen uns solche Messungen nicht zur Verfügung.

Sternwechsel

Eine andere Theorie beschreibt, wie veränderliche Sterne und schwarze Materie miteinander interagieren. Die Helligkeit eines solchen Sterns kann sich nicht nur aufgrund metaphysischer Prozesse im Inneren ändern (Pulsation, chromosphärische Aktivität, Protuberanzausstoß, Überschwappen und Finsternisse in Doppelsternsystemen, Supernova-Explosion), sondern auch aufgrund der anomalen Eigenschaften der Dunklen Materie.

WARP-Laufwerk

Nach einer Theorie kann dunkle Materie als Treibstoff für Subraumtriebwerke von Raumfahrzeugen verwendet werden, die mit der hypothetischen WARP-Technologie (WARP Engine) arbeiten. Potenziell ermöglichen solche Motoren dem Schiff, sich mit Geschwindigkeiten zu bewegen, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Theoretisch sind sie in der Lage, den Raum vor und hinter dem Schiff zu krümmen und es darin sogar schneller zu bewegen, als eine elektromagnetische Welle im Vakuum beschleunigt. Das Schiff selbst beschleunigt nicht lokal – nur das räumliche Feld davor wird geknickt. Viele Fantasy-Geschichten verwenden diese Technologie, wie zum Beispiel die Star Trek-Saga.

Wachstum unter terrestrischen Bedingungen

Versuche, schwarze Materie auf der Erde zu erzeugen und zu erh alten, waren noch nicht erfolgreich. Derzeit werden Experimente am LHC (Large Andron Collider), genau dort, wo das Higgs-Boson erstmals aufgezeichnet wurde, sowie an anderen, weniger leistungsstarken, darunter auch Linearcollidern, gesuchtstabile, aber elektromagnetisch schwach wechselwirkende Partner von Elementarteilchen. Jedoch wurden bisher weder Photino, noch Gravitino, noch Higsino, noch Sneutrino (Neutralino), noch andere WIMPs erh alten. Nach einer vorläufigen vorsichtigen Schätzung von Wissenschaftlern wird zur Gewinnung von einem Milligramm Dunkler Materie unter terrestrischen Bedingungen das Äquivalent der Energie benötigt, die in den Vereinigten Staaten im Laufe des Jahres verbraucht wird.