O que é matéria negra? teoria da matéria escura

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Última modificação: 2024-02-12 11:57

O que veio primeiro: o ovo ou a galinha? Cientistas de todo o mundo lutam com essa pergunta simples há décadas. Uma pergunta semelhante surge sobre o que estava no início, no momento da criação do Universo. Mas foi, esta criação, ou os universos são cíclicos ou infinitos? O que é matéria negra no espaço e como ela difere da matéria branca? Deixando de lado vários tipos de religião, vamos tentar abordar as respostas a essas perguntas de um ponto de vista científico. Nos últimos anos, os cientistas conseguiram fazer o impensável. Provavelmente pela primeira vez na história, os cálculos dos físicos teóricos concordaram com os cálculos dos físicos experimentais. Várias teorias diferentes foram apresentadas à comunidade científica ao longo dos anos. Mais ou menos precisamente, de forma empírica, às vezes quase cientificamente, porém, os dados teóricos calculados foram, no entanto, confirmados por experimentos, alguns até com um atraso de mais de uma dúzia de anos (o bóson de Higgs, por exemplo).

Matéria escura - energia negra

Existem muitas dessas teorias, por exemplo: Teoria das Cordas, Teoria do Big Bang, Teoria do Universo Cíclico, Teoria do Universo Paralelo, Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), F. Hoyle e outros. No entanto, atualmente, a teoria de um Universo em constante expansão e evolução é considerada geralmente aceita, cujas teses se encaixam bem na estrutura do conceito do Big Bang. Ao mesmo tempo, quase empiricamente (ou seja, empiricamente, mas com grandes tolerâncias e com base em teorias modernas existentes sobre a estrutura do microcosmo), foram obtidos dados de que todas as micropartículas conhecidas por nós representam apenas 4,02% do volume total de toda a composição do Universo. Este é o chamado "coquetel bariônico", ou matéria bariônica. No entanto, a maior parte do nosso Universo (mais de 95%) são substâncias de um plano diferente, composição e propriedades diferentes. Esta é a chamada matéria negra e energia negra. Eles se comportam de maneira diferente: reagem de maneira diferente a vários tipos de reações, não são fixados pelos meios técnicos existentes e exibem propriedades anteriormente inexploradas. A partir disso, podemos concluir que ou essas substâncias obedecem a outras leis da física (física não newtoniana, um análogo verbal da geometria não euclidiana), ou nosso nível de desenvolvimento da ciência e tecnologia está apenas no estágio inicial de sua formação.

O que são bárions?

De acordo com o atual modelo quark-glúon de interações fortes, existem apenas dezesseis partículas elementares (e a recente descoberta do bóson de Higgs confirma isso): seis tipos (sabores) de quarks, oito glúons e dois bósons. Os bárions são partículas elementares pesadas com uma forte interação. Os mais famosos são quarks, prótons e nêutrons. Famílias de tais substâncias, diferindo emspin, massas, sua “cor”, assim como os números de “encantamento”, “estranheza”, são justamente os blocos de construção do que chamamos de matéria bariônica. A matéria preta (escura), que compõe 21,8% da composição total do Universo, consiste em outras partículas que não emitem radiação eletromagnética e não reagem com ela de forma alguma. Portanto, pelo menos para observação direta, e ainda mais para o registro de tais substâncias, é necessário primeiro entender sua física e concordar com as leis às quais elas obedecem. Muitos cientistas modernos estão atualmente fazendo isso em institutos de pesquisa ao redor do mundo.

A opção mais provável

Quais substâncias são consideradas possíveis? Para começar, deve-se notar que existem apenas duas opções possíveis. De acordo com GR e SRT (Relatividade Geral e Especial), em termos de composição, essa substância pode ser tanto matéria escura bariônica quanto não bária (preta). De acordo com a principal teoria do Big Bang, qualquer matéria existente é representada na forma de bárions. Esta tese foi comprovada com altíssima precisão. Atualmente, os cientistas aprenderam a capturar partículas formadas um minuto após a explosão da singularidade, ou seja, após a explosão de um estado superdenso da matéria, com uma massa corporal tendendo ao infinito e as dimensões corporais tendendo a zero. O cenário com partículas de bárions é o mais provável, pois é delas que nosso Universo se constitui e através delas continua sua expansão. matéria negra,de acordo com essa suposição, consiste em partículas básicas geralmente aceitas pela física newtoniana, mas por algum motivo interagindo fracamente de maneira eletromagnética. É por isso que os detectores não os detectam.

Não está indo tão bem

Este cenário agrada a muitos cientistas, mas ainda há mais perguntas do que respostas. Se tanto a matéria preta quanto a branca são representadas apenas por bárions, então a concentração de bárions leves como porcentagem dos pesados, como resultado da nucleossíntese primária, deve ser diferente nos objetos astronômicos iniciais do Universo. E experimentalmente, a presença em nossa galáxia de um número suficiente de equilíbrio de grandes objetos gravitacionais, como buracos negros ou estrelas de nêutrons, não foi revelado para equilibrar a massa do halo de nossa Via Láctea. No entanto, as mesmas estrelas de nêutrons, halos galácticos escuros, buracos negros, anãs brancas, pretas e marrons (estrelas em diferentes estágios de seu ciclo de vida), muito provavelmente, fazem parte da matéria escura da qual a matéria escura é feita. A energia negra também pode complementar seu preenchimento, incluindo objetos hipotéticos previstos como preon, quark e estrelas Q.

Candidatos não bariônicos

O segundo cenário implica uma origem não bariônica. Aqui, vários tipos de partículas podem atuar como candidatas. Por exemplo, neutrinos leves, cuja existência já foi comprovada por cientistas. No entanto, sua massa, da ordem de um centésimo para umdécimo milésimo eV (elétron-Volt), praticamente os exclui de possíveis partículas devido à inatingibilidade da densidade crítica necessária. Mas neutrinos pesados, emparelhados com léptons pesados, praticamente não se manifestam em interações fracas em condições normais. Esses neutrinos são chamados estéreis; com sua massa máxima de até um décimo de eV, eles são mais propensos a serem candidatos a partículas de matéria escura. Axions e cosmions foram artificialmente introduzidos em equações físicas para resolver problemas em cromodinâmica quântica e no modelo padrão. Juntamente com outra partícula supersimétrica estável (SUSY-LSP), eles podem se qualificar como candidatos, uma vez que não participam de interações eletromagnéticas e fortes. No entanto, ao contrário dos neutrinos, eles ainda são hipotéticos, sua existência ainda precisa ser comprovada.

Teoria da matéria negra

A f alta de massa no Universo dá origem a diferentes teorias a este respeito, algumas das quais bastante consistentes. Por exemplo, a teoria de que a gravidade comum não é capaz de explicar a rotação estranha e exorbitantemente rápida das estrelas em galáxias espirais. Em tais velocidades, eles simplesmente voariam para fora dela, se não fosse por algum tipo de força de retenção, que ainda não é possível registrar. Outras teses de teorias explicam a impossibilidade de se obter WIMPs (partículas massivas de interação eletrofraca-parceiras de subpartículas elementares, supersimétricas e superpesadas - ou seja, candidatas ideais) em condições terrestres, pois vivem em n-dimensão, diferente das nossas três-dimensões. um dimensional. De acordo com a teoria Kaluza-Klein, tais medidas não estão disponíveis para nós.

Estrelas em mudança

Outra teoria descreve como estrelas variáveis e matéria negra interagem entre si. O brilho de tal estrela pode mudar não apenas devido a processos metafísicos que ocorrem em seu interior (pulsação, atividade cromosférica, ejeção de proeminências, transbordamentos e eclipses em sistemas estelares binários, explosão de supernova), mas também devido às propriedades anômalas da matéria escura.

unidade WARP

De acordo com uma teoria, a matéria escura pode ser usada como combustível para motores subespaciais de espaçonaves operando na hipotética tecnologia WARP (WARP Engine). Potencialmente, esses motores permitem que o navio se mova a velocidades superiores à velocidade da luz. Teoricamente, eles são capazes de dobrar o espaço na frente e atrás da nave e movê-la ainda mais rápido do que uma onda eletromagnética acelera no vácuo. A nave em si não acelera localmente - apenas o campo espacial à sua frente é dobrado. Muitas histórias de fantasia usam essa tecnologia, como a saga Star Trek.

Crescimento em condições terrestres

As tentativas de gerar e obter matéria negra na Terra ainda não foram bem sucedidas. Atualmente, experimentos estão sendo realizados no LHC (Large Andron Collider), exatamente onde o bóson de Higgs foi registrado pela primeira vez, bem como em outros, menos potentes, incluindo colisores lineares em busca deparceiros estáveis, mas de interação eletromagnética fraca de partículas elementares. No entanto, nem fotino, nem gravitino, nem higsino, nem sneutrino (neutralino), nem outros WIMPs ainda foram obtidos. De acordo com uma estimativa preliminar cautelosa dos cientistas, para obter um miligrama de matéria escura em condições terrestres, é necessário o equivalente à energia consumida nos Estados Unidos durante o ano.