Studená temná hmota

Teleskop Subaru/Národné astronomické observatórium Japonska

Vesmír sa skladá minimálne z dvoch druhov hmoty. V prvom rade je tu materiál, ktorý dokážeme odhaliť a ktorý astronómovia nazývajú „baryonickou“ hmotou. Považuje sa to za „bežnú“ hmotu, pretože sa skladá z protónov a neutrónov, ktoré sa dajú merať. Baryonická hmota zahŕňa hviezdy a galaxie a všetky objekty, ktoré obsahujú.

Vo vesmíre sú tiež „veci“, ktoré nemožno odhaliť bežnými pozorovacími prostriedkami. Napriek tomu existuje, pretože astronómovia môžu merať jeho gravitačný účinok na baryonickú hmotu. Astronómovia nazývajú tento materiál „temná hmota“, pretože je tma. Neodráža ani nevyžaruje svetlo. Táto záhadná forma hmoty predstavuje niektoré veľké výzvy pre pochopenie veľkého množstva vecí o vesmíre, siahajúc až na počiatok, asi pred 13,7 miliardami rokov.

Objav temnej hmoty

Pred niekoľkými desaťročiami astronómovia zistili, že vo vesmíre nie je dostatok hmoty na vysvetlenie vecí, ako je rotácia hviezd galaxie a pohyby hviezdokôp. Hmotnosť ovplyvňuje pohyb objektu vo vesmíre, či už je to galaxia, hviezda alebo planéta. Súdiac podľa spôsobu rotácie niektorých galaxií sa napríklad zdalo, že niekde tam bolo viac hmoty. Nebolo to zistené. Akosi to „chýbalo“ v inventári hmoty, ktorú zostavili pomocou hviezd a hmlovín na priradenie danej hmotnosti galaxii. Dr. Vera Rubin a jej tím pozorovali galaxie, keď si prvýkrát všimli rozdiel medzi očakávanými rýchlosťami rotácie (na základe odhadovaných hmotností týchto galaxií) a skutočnými rýchlosťami, ktoré pozorovali.

Výskumníci sa začali hlbšie zaoberať tým, kde sa stratila všetka chýbajúca hmota. Uvažovali, že možno naše chápanie fyziky, t.j. všeobecná relativita , bol chybný, ale príliš veľa iných vecí nepridalo. Tak sa rozhodli, že tá hmota tam možno stále je, ale jednoducho nie je viditeľná.

Aj keď je stále možné, že nám v našich teóriách gravitácie niečo zásadné chýba, pre fyzikov bola druhá možnosť príjemnejšia. Z tohto odhalenia sa zrodila myšlienka temnej hmoty. Existujú pozorovacie dôkazy v okolí galaxií a teórie a modely poukazujú na účasť temnej hmoty na začiatku formovania vesmíru. Takže astronómovia a kozmológovia vedia, že je to tam vonku, ale zatiaľ neprišli na to, čo to je.

Studená temná hmota (CDM)

Čo by teda mohla byť temná hmota? Zatiaľ existujú iba teórie a modely. V skutočnosti ich možno rozdeliť do troch všeobecných skupín: horúca tmavá hmota (HDM), teplá tmavá hmota (WDM) a studená tmavá hmota (CDM).

Z týchto troch je CDM už dlho hlavným kandidátom na to, čo je táto chýbajúca hmota vo vesmíre. Niektorí výskumníci stále uprednostňujú kombinovanú teóriu, kde aspekty všetkých troch typov temnej hmoty existujú spoločne, aby vytvorili celkovú chýbajúcu hmotu.

CDM je druh temnej hmoty, ktorá, ak existuje, sa pohybuje pomaly v porovnaní s rýchlosťou svetla. Predpokladá sa, že bol prítomný vo vesmíre od úplného začiatku a veľmi pravdepodobne ovplyvnil rast a vývoj galaxií. ako aj vznik prvých hviezd. Astronómovia a fyzici si myslia, že ide s najväčšou pravdepodobnosťou o nejakú exotickú časticu, ktorá ešte nebola detekovaná. S najväčšou pravdepodobnosťou má niektoré veľmi špecifické vlastnosti:

Musela by mu chýbať interakcia s elektromagnetickou silou. To je celkom zrejmé, pretože temná hmota je temná. Preto neinteraguje, neodráža ani nevyžaruje žiadny druh energie v elektromagnetickom spektre.

Každá kandidátska častica, ktorá tvorí studenú tmavú hmotu, by však musela brať do úvahy, že musí interagovať s gravitačným poľom. Na dôkaz toho si astronómovia všimli, že akumulácia temnej hmoty v kopách galaxií má gravitačný vplyv na svetlo zo vzdialenejších objektov, ktoré náhodou prechádzajú okolo. Tento tzv „efekt gravitačnej šošovky“ bol pozorovaný mnohokrát.

Kandidát na objekty studenej temnej hmoty

Zatiaľ čo žiadna známa hmota nespĺňa všetky kritériá pre studenú temnú hmotu, na vysvetlenie CDM (ak existujú) boli vyvinuté najmenej tri teórie.

Masívne častice so slabou interakciou :Taktiež známy ako WIMPs tieto častice podľa definície spĺňajú všetky potreby CDM. Žiadna takáto častica však nikdy neexistovala. WIMP sa stali univerzálnym termínom pre všetkých kandidátov na studenú tmavú hmotu, bez ohľadu na to, prečo sa predpokladá, že častica vzniká. Axions :Tieto častice majú (aspoň okrajovo) potrebné vlastnosti tmavej hmoty, ale z rôznych dôvodov pravdepodobne nie sú odpoveďou na otázku studenej tmavej hmoty. MUŽI :Toto je skratka pre Masívne kompaktné halo objekty , čo sú predmety ako čierne diery , starodávny neutrónové hviezdy , hnedí trpaslíci aplanetárne objekty. Všetky sú nesvietivé a masívne. Ale kvôli ich veľkým rozmerom, pokiaľ ide o objem aj hmotnosť, by sa dali relatívne ľahko odhaliť monitorovaním lokalizovaných gravitačných interakcií. S hypotézou MACHO sú problémy. Pozorovaný pohyb galaxií je napríklad jednotný spôsobom, ktorý by bolo ťažké vysvetliť, ak by chýbajúcu hmotu dodali MACHO. Okrem toho by hviezdokopy vyžadovali veľmi rovnomerné rozloženie takýchto objektov v rámci svojich hraníc. To sa zdá byť veľmi nepravdepodobné. Tiež samotný počet MACHO, ktorý by musel byť dosť veľký, aby vysvetlil chýbajúcu hmotnosť.

Záhada temnej hmoty zatiaľ nemá jasné riešenie. Astronómovia pokračujú v navrhovaní experimentov na hľadanie týchto nepolapiteľných častíc. Keď prídu na to, čo sú a ako sú rozmiestnené po celom vesmíre, odomknú ďalšiu kapitolu v našom chápaní vesmíru.