ГБОУ СПО МУ № 19 ДЗМ Внеаудиторная самостоятельная работа по дисциплине : Физика по теме : Темная дыра и темная материя. Выполнила: студентка группы 11-тл⁹ Волошина В.А. Проверила: преподаватель дисциплины " Физика " Пушканцева Н.И. Москва,2013 г. Темная материя. Тёмная материя в астрономии и космологии — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик. Состав Вселенной по данным WMAP. Данные наблюдений.

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.

Непосредственное изучение распределения тёмной материи в скоплениях галактик стало возможным после получения их высокодетализированных изображений в 1990-х годах. При этом изображения более удалённых галактик, проецирующихся на скопление, оказываются искажёнными или даже расщепляются из-за эффекта гравитационного линзирования. По характеру этих искажений становится возможным восстановить распределение и величину массы внутри скопления независимо от наблюдений галактик самого скопления. Таким образом, прямым методом подтверждается наличие скрытой массы и тёмной материи в галактических скоплениях.

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными. Кандидаты на роль темной материи.

• Барионная тёмная материя Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды также могут являться частью барионной тёмной материи.

Проблемы такого подхода проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя представлена барионами, то соотношение концентраций лёгких элементов после первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

• Небарионная тёмная материя

Теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи. Перечислим некоторые из них. 1. Лёгкие нейтрино.

В отличие от остальных кандидатов, нейтрино обладают явным преимуществом: известно, что они существуют. Поскольку число нейтрино во Вселенной сравнимо с числом фотонов, то, обладая даже малой массой, нейтрино вполне могут определять динамику Вселенной. Для достижения Q=p/p_c=1 , где p_c — так называемая критическая плотность , необходимы нейтринные массы порядка (15/65)/N_v эВ, где N_v обозначает число типов легких нейтрино. Эксперименты, проводимые на сегодняшний день, дают оценку масс нейтрино порядка 10^-2-10^-3 эВ. Таким образом, лёгкие нейтрино практически исключаются в качестве кандидата на доминирующую фракцию тёмной материи. 2. Тяжёлые нейтрино.

Из данных о ширине распада Z-бозона следует, что число поколений слабо взаимодействующих частиц (в том числе нейтрино) равно 3. Таким образом, тяжёлые нейтрино V_s (по крайней мере, с массой менее 45 ГэВ) с необходимостью являются т. н. «стерильными», то есть не взаимодействующими слабым образом частицами. Теоретические модели предсказывают массу V_s в очень широком диапазоне значений (в зависимости от природы этого нейтрино). Из феноменологии для V_s следует диапазон масс приблизительно 0.1-10 эВ, таким образом, стерильные нейтрино вполне могут составлять существенную часть тёмной материи.

3. Аксионы.

Аксионы представляют собой гипотетические нейтральные псевдоскалярные частицы, введённые для решения проблемы сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике. Хотя считается, что аксионы должны быть очень лёгкими, они могут составлять существенную часть холодной тёмной материи. Космологические данные ограничивают массу аксиона на уровне не менее 10^-5 эВ, иначе слишком много вещества было бы представлено аксионами.

4. Суперсимметричные частицы

В рамках суперсимметричных (SUSY) теорий существует по меньшей мере одна стабильная частица, которая является новым кандидатом на роль тёмной материи. Предполагается, что эта частица (LSP) не принимает участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. В качестве LSP-частицы могут выступать фотино, гравитино, хиггсино (суперпартнеры фотона, гравитона и бозона Хиггса соответственно), а также снейтрино, вино, и зино. В большинстве теорий LSP-частица представляет собой комбинацию перечисленных выше SUSY-частиц с массой порядка 10 ГэВ.

5. Космионы

Космионы были введены в физику для разрешения проблемы солнечных нейтрино, состоящей в существенном отличии потока нейтрино, детектируемых на Земле, от значения, предсказываемого стандартной моделью Солнца. Однако эта проблема нашла разрешение в рамках теории нейтринных осцилляций и эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, так что космионы, по всей видимости, исключаются из претендентов на роль тёмной материи.

6. Топологические дефекты пространства-времени

Согласно современным космологическим представлениям, энергия вакуума определяется неким локально однородным и изотропным скалярным полем. Это поле необходимо для описания так называемых фазовых переходов вакуума при расширении Вселенной, во время которых происходило последовательное нарушение симметрии, приводящее к разъединению фундаментальных взаимодействий. Фазовый переход — это скачок энергии вакуумного поля, стремящегося к своему основному состоянию (состоянию с минимальной энергией при данной температуре). Различные области пространства могли испытывать такой переход независимо, в результате чего образовывались области с определенной «выстроенностью» скалярного поля, которые, расширяясь, могли войти в соприкосновение друг с другом. В точках встречи областей с различной ориентацией могли образоваться стабильные топологические дефекты различной конфигурации: точечно-подобные частицы (в частности, магнитные монополи), линейные протяжённые объекты (космические струны), двумерные мембраны (доменные стенки), трехмерные дефекты (текстуры). Все эти объекты обладают, как правило, колоссальной массой и могли бы давать доминирующий вклад в тёмную материю. На текущий момент (2012 год) подобные объекты во Вселенной не обнаружены.

Классификация тёмной материи.

Ключевое предположение приводимой ниже классификации состоит в том, что частицы ТМ находились в термодинамическом равновесии с частицами космической плазмы на ранних стадиях эволюции Вселенной. В определенный момент времени температура упала настолько, что среднее время пролета частиц ТМ в плазме превысило хаббловское (реакция "заморозилась"), и взаимодействия с барионным веществом прекратились. В зависимости от температуры, при которой это произошло, ТМ делят на "горячую", "холодную" и "теплую".

• Горячая тёмная материя.

Если в момент выхода из равновесия энергия частиц много превышала их массу, ТМ называют горячей. Такими могли бы быть легкие частицы типа нейтрино, но космологические данные исключают возможность того, что последние составляют значительную долю ТМ.

• Холодная тёмная материя

Если частицы ТМ отщепились от космической плазмы уже будучи нерелятивистскими, такую ТМ называют «холодной». Она наиболее предпочтительна с точки зрения космологии, так как частицы горячей ТМ при движении с релятивистскими скоростями разглаживали бы неоднородности плотности материи на масштабах порядка хаббловского в ту эпоху и, таким образом, препятствовали бы образованию крупномасштабных структур, что противоречит наблюдательным данным. К числу кандидатов на роль частиц холодной ТМ относится в первую очередь класс частиц, называемых вимпами (WIMP — weakly interacting massive particle), чья масса варьируется от нескольких десятков ГэВ до нескольких ТэВ, а сечения аннигиляции и рассеяния на частицах барионного вещества сравнимы с сечениями слабых процессов. Преимущество вимпов в том, что их остаточная концентрация естественным образом дает нужный вклад в баланс энергии в современной Вселенной, а величина взаимодействий с частицами барионного вещества делает возможным их прямое обнаружение. Чаще всего на роль вимпа предлагается легчайшая (и, таким образом, стабильная) частица суперсимметричного расширения Стандартной модели, являющаяся суперпозицией суперпартнеров калибровочных и хиггсовских бозонов.

• Теплая тёмная материя.

Теплой называют ТМ, составленную из частиц массой больше или порядка 1 эВ. Естественно, они были релятивистскими в момент выхода из равновесия. В отдельный вид ТМ эти частицы выделяют потому, что горячая ТМ является релятивистской на момент перехода от радиационно-доминированной к пылевидной стадии расширения Вселенной (который случился при температурах порядка 1 эВ), а теплая уже не является. Это важно, поскольку рост возмущений плотности происходит существенно по-разному на этих стадиях, и этот рост существенно зависит от того, является ли ТМ релятивистской или нет на пылевидной стадии.

Обнаружение.

Основная трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что все они электрически нейтральны. Имеются два варианта поиска: прямое и косвенное. При прямом поиске изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами с помощью наземной аппаратуры. Косвенные методы основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц, которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.

Эксперимент EDELWEISS направлен на прямое обнаружение частиц WIMP. В качестве мишени служат полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько мК.

Альтернативные теории-Модифицированная ньютоновская динамика

В массовой культуре.

В серии игр Mass Effect тёмная материя и тёмная энергия в форме так называемого «Нулевого элемента» необходимы для движения со сверхсветовыми скоростями. Некоторые люди, биотики, используя тёмную энергию, могут контролировать поля эффекта массы.

В мультсериале «Футурама» тёмная материя используется в качестве топлива для космического корабля компании «Межпланетный экспресс». Появляется материя на свет в виде испражнений инопланетной расы «зубастильонцы» и по плотности крайне велика. Где сосредоточена темная материя? Тёмной материи во Вселенной значительно больше, чем материи обычной. Но где конкретно она сосредоточена? Похоже, наблюдения международной группы астрономов из коллаборации «Планк>», проведённые при помощи одноимённого телескопа космического базирования, дают нам ключ к ответу на этот вопрос.

Космическая обсерватория «Планк» была запущена в 2009 году для изучения вариаций микроволнового фона — реликтового излучения, считающегося следом Большого взрыва. Накопленные им данные позволили профессору Института Нильса Бора при Копенгагенском университете (Дания) Субиру Саркару и его коллегам проверить теоретически расчёты, сделанные ими ранее. Так, некоторое время назад учёные предсказали, что частицы тёмной материи могут быть очень тяжёлыми, в 1 000 раз тяжелее протона.

Следы необычного синхротронного излучения из ядра нашей Галактики, зарегистрированные «Планком» Слово профессору Института Нильса Бора Павлу Насельскому, одному из соавторов работы: «Мы наблюдали весьма редкую эмиссию радиоизлучения из самого центра нашей Галактики. Используя различные методы отделения сигнала в весьма широком диапазоне длин волн, мы смогли определить его спектр. Оно порождено синхротронным излучением, то есть электронами и позитронами высоких энергий, циркулирующими по магнитным линиям в центре Галактики [с релятивистскими скоростями]. И есть весомые признаки того, что это могло быть порождено тёмной материей».

Что это за признаки? Дело в том, что, кроме гипотезы г-на Саркара, в настоящий момент нет вообще никаких приемлемых объяснений столь мощному синхротронному излучению. Ну а из теории вытекало, что в галактическом ядре, где концентрация таких тяжёлых частиц чрезвычайно велика, они периодически должны сталкиваться между собой. А поскольку их много, столкновения приводят к определённого рода результатам, а именно образованию электронов и позитронов, которые начинают вращаться вдоль линий магнитного поля в галактическом ядре и, делая это, порождают столь необычное синхротронное излучение. Очевидно, если эти процессы идут длительное время, то у земных астрономов есть шанс заметить их.

Анализ исходящего их этих районов микроволнового излучения в разных диапазонах даёт сходные результаты. Причём это излучение, по мнению г-на Насельского, не может объясняться никакими известными природными феноменами — ни галактического, ни звёздного (взрыв сверхновых) масштаба: «Мы полагаем, что это может быть доказательством существования тёмной материи. В противном случае мы открыли некий абсолютно новый (и неизвестный физикам) механизм ускорения частиц в центре Галактики». Как часто тёмная материя взаимодействует с человеческим телом? Одна из самых больших проблем современной космологии — так называемая скрытая масса. Известно, что галактики удерживаются гравитацией — силой, которая зависит от массы вещества, составляющего галактику. В то же время они вращаются, то есть наделены центробежной силой. Поскольку ещё ни разу не удалось увидеть, как галактики разлетаются в разные стороны, логично предположить, что они создают достаточную гравитацию, чтобы этого не случилось.

В этом и заключается суть загадки. Расчёты массы видимого вещества галактик не дают искомого результата. Либо гравитация в галактических масштабах приобретает дополнительную силу, либо часть массы где-то прячется — например, в тёмной материи. Тогда на последнюю приходится около 80% массы галактик, то есть она должна быть повсюду, но ни одному физику, ни одному детектору пока не удалось её обнаружить.

Если гипотеза о существовании тёмной материи верна, Земля должна проходить через плотные облака этой непонятной субстанции. Кэтрин Фриз из Мичиганского университета (США) и Кристофер Саваж из Стокгольмского университета (Швеция) решили выяснить, что это может означать для нас с вами.

Результаты расчётов (приняты во внимание разные типы частиц тёмной материи). Очевидно, тёмная материя не очень-то охотно взаимодействует с обычной, иначе последствия таких реакций нам были бы известны. Получается, что большинство частиц тёмной материи (так называемых вимпов) проходит сквозь нас беспрепятственно, но вероятность столкновения с атомным ядром в нашем теле всё же существует.

Исследователи попытались рассчитать, сколько раз атомные ядра куска мяса могут столкнуться с частицами тёмной материи. Речь идёт о примерно 70-килограммовых кусках, состоящих в основном из кислорода, водорода, углерода и азота.

По мнению авторов, тёмная материя, скорее всего, будет сталкиваться с ядрами кислорода и водорода. Если учесть общепринятые предположения, касающиеся тёмной материи, это происходит примерно 30 раз в год. Если же верны последние экспериментальные результаты, и взаимодействия случаются чаще, то в год каждый человек переживает около 100 тыс. столкновений.

Авторы не решились на оценку потенциального влияния на здоровье. Всё зависит не от количества столкновений, а от энергии и движения ядра после взаимодействия. Разумеется, в любом случае риск для одного человека ничтожен. А в масштабах всего человечества? Ну что ж, подождём, когда у какой-нибудь группы биофизиков появится свободное время.

Черная дыра. Чёрная дыра— область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда.

Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ. Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря 1967 года. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр (но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей, см.: Альтернативные теории гравитации). Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория не является экспериментально подтверждённой для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от чёрных дыр звёздных масс (однако хорошо подтверждена в условиях, соответствующих сверхмассивным чёрным дырам). Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, в том числе и в этой статье ниже, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.

Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре — например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения, так как наблюдательные проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света.