Què és la matèria negra? teoria de la matèria fosca

2024 Autora: Henry Conors | [email protected]. Última modificació: 2024-02-12 04:55

Què va ser primer: l'ou o la gallina? Científics de tot el món han estat lluitant amb aquesta senzilla pregunta durant dècades. Una pregunta semblant sorgeix sobre el que va ser al principi, en el moment de la creació de l'Univers. Però va ser aquesta creació, o els universos són cíclics o infinits? Què és la matèria negra a l'espai i en què es diferencia de la matèria blanca? Deixant de banda diversos tipus de religió, intentem abordar les respostes a aquestes preguntes des d'un punt de vista científic. Durant els últims anys, els científics han aconseguit fer allò impensable. Probablement per primera vegada a la història, els càlculs dels físics teòrics coincidien amb els càlculs dels físics experimentals. Al llarg dels anys s'han presentat a la comunitat científica diverses teories diferents. Amb més o menys precisió, de manera empírica, de vegades quasi científicament, però, les dades calculades teòricament es van confirmar, tanmateix, per experiments, alguns fins i tot amb un retard de més d'una dotzena d'anys (el bosó de Higgs, per exemple).

Matèria fosca - energia negra

Hi ha moltes teories d'aquest tipus, per exemple: teoria de cordes, teoria del Big Bang, teoria de l'univers cíclic, teoria de l'univers paral·lel, dinàmica newtoniana modificada (MOND), F. Hoyle i altres. No obstant això, en l'actualitat es considera generalment acceptada la teoria d'un Univers en constant expansió i evolució, les tesis de les quals encaixen bé en el marc del concepte Big Bang. Al mateix temps, de manera quasi empírica (és a dir, empíricament, però amb grans toleràncies i basant-se en les teories modernes existents sobre l'estructura del microcosmos), es van obtenir dades que totes les micropartícules que coneixem només representen el 4,02% del volum total de tota la composició de l'Univers. Es tracta de l'anomenat "cóctel bariònic", o matèria bariònica. Tanmateix, la major part del nostre Univers (més del 95%) són substàncies d'un pla diferent, composició i propietats diferents. Aquesta és l'anomenada matèria negra i energia negra. Es comporten de manera diferent: reaccionen de manera diferent a diversos tipus de reaccions, no estan fixats per mitjans tècnics existents i presenten propietats inexplorades prèviament. D'això podem concloure que o bé aquestes substàncies obeeixen altres lleis de la física (física no newtoniana, un anàleg verbal de la geometria no euclidiana), o bé el nostre nivell de desenvolupament de la ciència i la tecnologia es troba només en l'etapa inicial de la seva formació.

Què són els baryons?

Segons el model actual d'interaccions fortes quark-gluó, només hi ha setze partícules elementals (i el recent descobriment del bosó de Higgs ho confirma): sis tipus (sabors) de quarks, vuit gluons i dos bosons. Els barions són partícules elementals pesades amb una forta interacció. Els més famosos d'ells són els quarks, el protó i el neutró. Famílies d'aquestes substàncies, que es diferencien engir, les masses, el seu "color", així com els números d'"encantament", "estranyesa", són precisament els blocs de construcció del que anomenem matèria bariònica. La matèria negra (fosca), que representa el 21,8% de la composició total de l'Univers, està formada per altres partícules que no emeten radiació electromagnètica i no hi reaccionen de cap manera. Per tant, almenys per a l'observació directa, i encara més per al registre d'aquestes substàncies, cal entendre primer la seva física i acordar les lleis a les quals obeeixen. Actualment, molts científics moderns estan fent això en instituts de recerca d'arreu del món.

L'opció més probable

Quines substàncies es consideren possibles? Per començar, cal tenir en compte que només hi ha dues opcions possibles. Segons GR i SRT (relativitat general i especial), pel que fa a la composició, aquesta substància pot ser tant matèria fosca barió com no barió (negra). Segons la teoria principal del Big Bang, qualsevol matèria existent es representa en forma de barions. Aquesta tesi ha estat provada amb una precisió extremadament alta. Actualment, els científics han après a capturar partícules formades un minut després de l'esclat de la singularitat, és a dir, després de l'explosió d'un estat superdens de la matèria, amb una massa corporal que tendeix a l'infinit i les dimensions corporals tendeixen a zero. L'escenari amb partícules bariones és el més probable, ja que és a partir d'elles que consta el nostre Univers i a través d'elles continua la seva expansió. matèria negra,segons aquesta suposició, consisteix en partícules bàsiques generalment acceptades per la física newtoniana, però per alguna raó que interaccionen dèbilment de manera electromagnètica. És per això que els detectors no els detecten.

No va tan bé

Aquest escenari s'adapta a molts científics, però encara hi ha més preguntes que respostes. Si tant la matèria blanca com la negra estan representades només per barions, aleshores la concentració de barions lleugers com a percentatge dels pesats, com a resultat de la nucleosíntesi primària, hauria de ser diferent en els objectes astronòmics inicials de l'Univers. I experimentalment, no s'ha revelat la presència a la nostra galàxia d'un nombre suficient en equilibri d'objectes gravitacionals grans, com ara forats negres o estrelles de neutrons, per equilibrar la massa de l'halo de la nostra Via Làctia. Tanmateix, les mateixes estrelles de neutrons, halos galàctics foscos, forats negres, nanes blanques, negres i marrons (estrelles en diferents etapes del seu cicle de vida), molt probablement, formen part de la matèria fosca de la qual està formada la matèria fosca. L'energia negra també pot complementar el seu farcit, incloent objectes hipotètics predits com ara preons, quarks i estrelles Q.

Candidats no bariònics

El segon escenari implica un origen no bariònic. Aquí, diversos tipus de partícules poden actuar com a candidats. Per exemple, els neutrins lleugers, l'existència dels quals ja ha estat provada pels científics. Tanmateix, la seva massa, de l'ordre de la centèsima a unadeu mil·lèssim eV (electró-volt), pràcticament els exclou de possibles partícules a causa de la inassolible de la densitat crítica necessària. Però els neutrins pesats, combinats amb leptons pesats, pràcticament no es manifesten en interaccions febles en condicions normals. Aquests neutrins s'anomenen estèrils; amb la seva massa màxima de fins a una desena part d'eV, és més probable que siguin candidats a partícules de matèria fosca. Els axions i els cosmions s'han introduït artificialment en equacions físiques per resoldre problemes de cromodinàmica quàntica i en el model estàndard. Juntament amb una altra partícula supersimètrica estable (SUSY-LSP), poden qualificar-se com a candidats, ja que no participen en interaccions electromagnètiques i fortes. Tanmateix, a diferència dels neutrins, encara són hipotètics, la seva existència encara s'ha de demostrar.

Teoria de la matèria negra

La manca de massa a l'Univers dóna lloc a diferents teories sobre aquest punt, algunes de les quals són força coherents. Per exemple, la teoria que la gravetat ordinària no és capaç d'explicar l'estranya i desorbitadament ràpida rotació de les estrelles a les galàxies espirals. A aquestes velocitats, simplement volarien fora d'ella, si no fos per algun tipus de força de retenció, que encara no és possible registrar. Altres tesis de teories expliquen la impossibilitat d'obtenir WIMP (partícules massives electrodèbilment interactuants-partícules de subpartícules elementals, supersimètriques i superpesades -és a dir, candidates ideals) en condicions terrestres, ja que viuen en dimensió n, que és diferent de les nostres tres- dimensional un. Segons la teoria de Kaluza-Klein, aquestes mesures no estan disponibles per a nos altres.

Estrelles canviants

Una altra teoria descriu com les estrelles variables i la matèria negra interactuen entre elles. La brillantor d'aquesta estrella pot canviar no només a causa dels processos metafísics que es produeixen a l'interior (pulsació, activitat cromosfèrica, ejecció de prominència, vessaments i eclipsis en sistemes estel·lars binaris, explosió de supernoves), sinó també a causa de les propietats anòmales de la matèria fosca.

Unitat WARP

Segons una teoria, la matèria fosca es pot utilitzar com a combustible per als motors subespacials de les naus espacials que funcionen amb la hipotètica tecnologia WARP (WARP Engine). Potencialment, aquests motors permeten que el vaixell es mogui a velocitats superiors a la velocitat de la llum. Teòricament, són capaços de doblegar l'espai davant i darrere de la nau i moure'l fins i tot més ràpid que una ona electromagnètica en el buit. El vaixell en si no accelera localment: només el camp espacial que hi ha davant està doblegat. Moltes històries de fantasia fan servir aquesta tecnologia, com ara la saga Star Trek.

Creixement en condicions terrestres

Els intents de generar i obtenir matèria negra a la terra encara no han tingut èxit. Actualment, s'estan duent a terme experiments a l'LHC (Large Andron Collider), exactament on es va registrar per primera vegada el bosó de Higgs, així com a altres menys potents, inclosos col·lisionadors lineals a la recerca desocis de partícules elementals estables, però amb interacció electromagnètica dèbil. Tanmateix, encara no s'han obtingut ni fotino, ni gravitino, ni higsino, ni sneutrino (neutralino), ni altres WIMP. Segons una estimació preliminar prudent dels científics, per obtenir un mil·ligram de matèria fosca en condicions terrestres, cal l'equivalent a l'energia consumida als Estats Units durant l'any.