čo je hmota?

Tento obrázok Hyper Suprime-Cam ukazuje malú časť (14 oblúkových minút krát 9,5 oblúkových minút) sekciu kopy galaxií s obrysmi koncentrácie tmavej hmoty a časťou ďalšej, vyznačenou obrysovými čiarami. Hviezdy a galaxie sa skladajú z pravidelnej „žiarivej“ hmoty. Teleskop Subaru/Národné astronomické observatórium Japonska

Sme obklopení hmotou. V skutočnosti sme hmota. Všetko, čo vo vesmíre zisťujeme, je tiež hmota. Je to také zásadné, že jednoducho akceptujeme, že všetko sa skladá z hmoty. Je to základný stavebný kameň všetkého: života na Zemi, planéty, na ktorej žijeme, hviezd a galaxií. Zvyčajne sa definuje ako čokoľvek, čo má hmotnosť a zaberá určitý objem priestoru.

Stavebné bloky hmoty sa nazývajú „atómy“ a „molekuly“. Aj oni sú hmota. Hmota, ktorú dokážeme normálne zistiť, sa nazýva „baryonická“ hmota. Existuje však aj iný typ hmoty, ktorý sa nedá priamo zistiť. Ale jeho vplyv môže. Volá sa temná hmota .

Normálna záležitosť

Je ľahké študovať normálnu hmotu alebo „baryonickú hmotu“. Dá sa rozložiť na subatomárne častice nazývané leptóny (napríklad elektróny) a kvarky (stavebné bloky protónov a neutrónov). To sú to, čo tvorí atómy a molekuly, ktoré sú zložkami všetkého od ľudí po hviezdy.

Počítačová ilustrácia modelu atómu obsahujúceho atómy, protóny, neutróny a elektróny. Toto sú stavebné kamene normálnej hmoty. Vedecká fotografická knižnica/Getty Images

Normálna hmota je svetelná, to znamená, že interaguje elektromagneticky a gravitačne s inou hmotou a s ňou žiarenia . Nemusí nevyhnutne svietiť tak, ako si myslíme, že svieti hviezda. Môže vyžarovať iné žiarenie (napríklad infračervené).

Ďalším aspektom, ktorý sa objavuje, keď sa hovorí o hmote, je niečo, čo sa nazýva antihmota. Predstavte si to ako opak normálnej hmoty (alebo možno jej zrkadlový obraz). Často o tom počujeme, keď o tom hovoria vedci reakcie hmoty/antihmoty ako zdroje energie . Základnou myšlienkou antihmoty je, že všetky častice majú antičasticu, ktorá má rovnakú hmotnosť, ale opačný spin a náboj. Keď sa hmota a antihmota zrazia, navzájom sa anihilujú a vytvárajú čistú energiu vo forme gama lúčov . Táto tvorba energie, ak by sa dala využiť, by poskytla obrovské množstvo energie každej civilizácii, ktorá by dokázala prísť na to, ako to urobiť bezpečne.

Temná hmota

Na rozdiel od normálnej hmoty je tmavá hmota materiál, ktorý nesvieti. To znamená, že neinteraguje elektromagneticky, a preto sa javí ako tmavý (t. j. nebude odrážať ani vydávať svetlo). Presná povaha tmavej hmoty nie je dobre známa, hoci jej vplyv na iné hmoty (napríklad galaxie) zaznamenali astronómovia ako Dr. Vera Rubin a ďalšie. Jeho prítomnosť sa však dá zistiť podľa gravitačného účinku, ktorý má na normálnu hmotu. Jeho prítomnosť môže napríklad obmedziť pohyb hviezd v galaxii.

Temná hmota vo vesmíre. Mohol by byť vyrobený z WIMP? Tento obrázok Hyper Suprime-Cam ukazuje malý (14 oblúkových minút krát 9,5 oblúkových minút) sekciu zhlukov galaxií s obrysmi jednej koncentrácie tmavej hmoty a časťou inej, vyznačenými obrysovými čiarami. Teleskop Subaru/Národné astronomické observatórium Japonska

V súčasnosti existujú tri základné možnosti pre „veci“, ktoré tvoria temnú hmotu:

• Studená temná hmota (CDM): Existuje jeden kandidát nazývaný slabo interagujúca masívna častica (WIMP), ktorý by mohol byť základom studenej temnej hmoty. Vedci však o nej veľa nevedia ani o tom, ako mohla vzniknúť na začiatku histórie vesmíru. Ďalšie možnosti pre častice CDM zahŕňajú axióny, tie však nikdy neboli zistené. Nakoniec sú tu MACHO (MAssive Compact Halo Objects), ktoré by mohli vysvetliť nameranú hmotnosť tmavej hmoty. Tieto objekty zahŕňajú čierne diery , starodávny neutrónové hviezdy aplanetárne objektyktoré sú všetky nesvietiace (alebo takmer tak), ale stále obsahujú značné množstvo hmoty. To by pohodlne vysvetlilo temnú hmotu, ale je tu problém. Muselo by ich byť veľa (viac, ako by sa dalo očakávať vzhľadom na vek určitých galaxií) a ich distribúcia by musela byť neuveriteľne dobre rozložená po celom vesmíre, aby sa vysvetlila temná hmota, ktorú astronómovia našli „tam vonku“. Takže studená temná hmota zostáva „nedokončenou prácou“.
• Teplá temná hmota (WDM): Predpokladá sa, že sa skladá zo sterilných neutrín. Sú to častice, ktoré sú podobné normálnym neutrínam, s výnimkou skutočnosti, že sú oveľa hmotnejšie a neinteragujú prostredníctvom slabej sily. Ďalším kandidátom na WDM je gravitino. Toto je teoretická častica, ktorá by existovala, ak by teória supergravitácie bola zmiešaná všeobecná relativita a supersymetria - získajte trakciu. WDM je tiež atraktívnym kandidátom na vysvetlenie temnej hmoty, ale existencia buď sterilných neutrín alebo gravitín je prinajlepšom špekulatívna.
• Horúca temná hmota (HDM): Častice považované za horúcu tmavú hmotu už existujú. Nazývajú sa „neutrína“. Cestujú na takmer rýchlosťou svetla a „nezhlukovať sa“ spôsobom, akým by sme si to predstavovali temnou hmotou. Taktiež vzhľadom na to, že neutríno je takmer bezhmotné, na vytvorenie množstva tmavej hmoty, o ktorej je známe, že existuje, by ich bolo potrebné neuveriteľné množstvo. Jedným z vysvetlení je, že existuje ešte nezistený typ alebo príchuť neutrína, ktoré by boli podobné tým, o ktorých už vieme, že existujú. Mal by však výrazne väčšiu hmotnosť (a teda možno aj pomalšiu rýchlosť). Ale toto by sa asi viac podobalo teplej tmavej hmote.

Spojenie medzi hmotou a žiarením

Hmota vo vesmíre presne neexistuje bez vplyvu a medzi žiarením a hmotou existuje zvláštne spojenie. Toto spojenie nebolo dobre pochopené až do začiatku 20. storočia. Vtedy Albert Einstein začal premýšľať o spojení medzi nimi záležitosť a energie a žiarenia. Tu je to, na čo prišiel: podľa jeho teórie relativity sú hmotnosť a energia ekvivalentné. Ak sa dostatok žiarenia (svetla) zrazí s inými fotónmi (iné slovo pre svetelné „častice“) s dostatočne vysokou energiou, môže vzniknúť hmota. Tento proces vedci skúmajú v obrovských laboratóriách so zrážačmi častíc. Ich práca sa ponorí hlboko do srdca hmoty a hľadá najmenšie častice, o ktorých je známe, že existujú.

Takže, zatiaľ čo žiarenie nie je výslovne považované za hmotu (nemá hmotnosť alebo zaberá objem, aspoň nie presne definovaným spôsobom), je spojené s hmotou. Je to preto, že žiarenie vytvára hmotu a hmota vytvára žiarenie (ako keď sa hmota a antihmota zrazia).

Temná energia

Ak ideme v súvislosti medzi hmotou a žiarením o krok ďalej, teoretici tiež tvrdia, že v našej planéte existuje záhadné žiarenie vesmír . Volá sa temná energia . Jeho povaha nie je vôbec pochopená. Možno, keď pochopíme temnú hmotu, pochopíme aj podstatu temnej energie.

Upravil a aktualizovalCarolyn Collins Petersen.