Materie întunecată

Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea documentarului italian cu același nume, consultați Materia oscura (film) .

Harta tridimensională a materiei întunecate compilată de NASA ,ESA și R. Massey ( CALTECH )

În cosmologia cu materie întunecată este definită o componentă ipotetică a materiei care, spre deosebire de materia cunoscută, nu ar emite radiații electromagnetice și ar fi detectabilă în prezent doar indirect prin efectele sale gravitaționale . ^[1]

Ipoteza apare pentru a justifica diferite observații astrofizice, în special estimări ale masei galaxiilor sau grupurilor de galaxii și ale proprietăților fluctuațiilor din fondul cosmologic , pe baza cărora, conform legilor gravitației standard, materia întunecată ar trebui să constituie aproape 90% din masa prezentă în univers. ^{[2] [3]}

S-au formulat diverse ipoteze asupra compoziției sale, precum gazul molecular, stelele moarte, un număr mare de pitici maronii sau găuri negre . ^{[ citație necesară ]} Cu toate acestea, estimările densității universului și ale numărului de atomi indică cel mai probabil o natură non- barionică a acestui tip de materie. Astrofizicienii fac ipoteza existenței unor particule noi, posibil superparteneri (cum ar fi neutralino ), grupate sub denumirea generică de particule masive care interacționează slab . Multe experimente pentru detectarea și studierea directă a particulelor de materie întunecată sunt în desfășurare, dar niciunul nu a avut încă succes. Materia întunecată este clasificată ca „rece”, „fierbinte” sau „foarte fierbinte” pe baza vitezei sale. Modelele actuale favorizează un scenariu de materie întunecată rece.

Pe lângă faptul că are o abundență de cel puțin cinci ori mai mare decât materia detectabilă în prezent, materia întunecată ar constitui, conform modelelor de formare și evoluție a galaxiei, aproximativ 27% din densitatea energetică totală a universului observabil; din acest motiv, majoritatea experților consideră că a avut o influență puternică asupra structurii și evoluției sale. Deși existența materiei întunecate este în general acceptată de comunitatea științifică, unii astrofizicieni, pe baza unor observații care nu sunt bine explicate chiar de această ipoteză, propun diverse modificări ale legilor relativității generale , fără a invoca materie suplimentară non-barionică.

Aspecte generale

Estimarea distribuției masei-energie în univers (sondaje din 2013): energie întunecată, materie întunecată, materie cunoscută

În ciuda hărților detaliate care acoperă spectrul emisiilor electromagnetice din Universul apropiat de la undele radio la razele gamma , au fost identificate doar aproximativ 10% din masă care ar rezulta din efectele gravitaționale observabile. Astronomul Universității Washington Washington Bruce H. Margon a declarat pentru New York Times în 2001 :

Cele mai recente măsurători indică faptul că materia întunecată ar reprezenta aproximativ 86% din masa universului și aproximativ 27% din energia sa. Inițial a fost denumit „ masă lipsă ”, un termen care poate induce în eroare, deoarece efectele sale gravitaționale par a fi observabile; totuși, instrumentele de analiză spectroscopică nu detectează radiația electromagnetică a acestei materii, de unde și adjectivul „întuneric”, deoarece ar lipsi doar „lumina” sa.

Conceptul de materie întunecată are sens în cadrul actualului model standard de cosmologie bazat pe Big Bang din două motive fundamentale:

• altfel nu s-ar putea explica formarea galaxiilor și grupurilor de galaxii în timpul calculat din evenimentul inițial al Big Bang-ului în sine.
• într-un scenariu cosmologic precum cel actual, care prevede gravitația ca singura forță cosmologică, nu ar fi posibil să se explice modul în care galaxiile pot fi păstrate intacte, având în vedere că materia vizibilă, compusă din barioni , nu este capabilă să dezvolte o atracție gravitațională suficientă .

Pe de altă parte, dacă modelul se dovedește a fi greșit, s-ar putea să nu fie nevoie de ipoteza materiei întunecate, deoarece derivă doar din încălcarea unui model matematic și nu din vreo dovadă experimentală.

Materia întunecată nu trebuie confundată cu diferitele ipoteze care poartă numele de energie întunecată .

fundal

Variația materiei întunecate cu distanța (date HST )

În 1933 astronomul Fritz Zwicky studia mișcarea grupurilor de galaxii de masă îndepărtate și mari, în acest caz grupurile Coma și Fecioară . Zwicky a estimat masa fiecărei galaxii din cluster pe baza luminozității sale și a adăugat toate masele galactice pentru a obține masa totală a clusterului. Apoi a obținut o a doua estimare independentă a masei totale, bazată pe măsurarea dispersiei vitezei individuale ale galaxiilor din cluster; această a doua estimare dinamică a masei a fost de 400 de ori mai mare decât estimarea bazată pe lumină a galaxiilor.

Deși dovezile experimentale existau deja pe vremea lui Zwicky, abia în anii 1970 oamenii de știință au început să exploreze această discrepanță în mod sistematic și că existența materiei întunecate a început să fie luată în considerare. Descoperirea sa nu numai că ar rezolva lipsa de masă în grupurile de galaxii, dar ar avea consecințe mult mai profunde asupra capacității omului de a prezice evoluția și soarta Universului .

Dovezi potențiale ale materiei întunecate

Rotația galaxiilor

Curba de rotație a galaxiei: (A): prezisă; (B): observat.

Dovezi observaționale importante pentru necesitatea materiei întunecate sunt furnizate de curbele de rotație ale galaxiilor spirale . Aceste galaxii conțin o populație mare de stele plasate pe orbite aproape circulare în jurul centrului galactic . Ca și în cazul orbitelor planetare , conform celei de-a doua legi a lui Kepler , stelele cu orbite galactice mai mari ar trebui să aibă viteze orbitale mai mici , dar această lege se aplică numai stelelor apropiate de periferia unei galaxii spirale, deoarece presupune că masa închisă de orbită este constantă .

Cu toate acestea, astronomii au efectuat observații ale vitezei orbitale ale stelelor în regiunile periferice ale unui număr mare de galaxii spirale și în niciun caz nu respectă a doua lege a lui Kepler : în loc să scadă la raze mari, viteza orbitală rămâne aproximativ constantă. Implicația este că masa închisă de orbite cu rază crescătoare crește chiar și pentru stelele care se pare că sunt aproape de marginea galaxiei. Deși sunt situate lângă marginea părții luminoase a galaxiei, aceasta are un profil de masă care se pare că continuă cu mult dincolo de regiunile ocupate de stele.

Având în vedere stelele din apropierea periferiei unei galaxii spirale, cu viteze orbitale observate în mod normal de 200 km / s , dacă galaxia ar fi compusă doar din materie vizibilă, aceste stele ar părăsi-o într-un timp scurt, deoarece viteza lor orbitală este de patru ori mai mare mare de viteza de evadare din galaxie. Deoarece nu se observă că galaxiile se dispersează în acest fel, trebuie să existe o masă în interiorul lor, care să nu fie luată în considerare la calcularea întregii mase vizibile.

Lentilele gravitaționale

Lentila gravitațională într-un grup de galaxii

O altă posibilă dovadă a existenței materiei întunecate este dată de observarea efectelor gravitaționale ale lentilelor în prezența unei mase vizibile care este insuficientă pentru a le justifica. În 2008, un grup de cercetători, inclusiv francezi și canadieni coordonați de Institutul de astrofizică din Paris, folosind telescopul Canada-Franța-Hawaii (CFHT) situat pe Muntele Mauna Kea din Hawaii , au studiat mii de imagini observând abaterea că lumina era experimentat și în locuri unde nu erau vizibile masele.

Alte aspecte experimentale

La 21 august 2006, NASA a lansat un comunicat de presă potrivit căruia telescopul spațial Chandra a găsit dovezi directe ale existenței materiei întunecate în coliziunea a două grupuri de galaxii. ^[4] La începutul anului 2007, astronomii de la Cosmic Evolution Survey și Hubble Space Telescope , folosind informații obținute de la telescopul Hubble și instrumentele de la sol, au cartografiat materia întunecată și au constatat că aceasta pătrunde în univers; acolo unde se găsește materia vizibilă, trebuie să existe și o cantitate mare de materie întunecată, dar aceasta este prezentă și în zonele în care nu există materie vizibilă. ^[5]

La 3 aprilie 2013, oamenii de știință ai NASA au raportat că primele rezultate ale experimentului spectrometrului magnetic alfa de pe Stația Spațială Internațională arată un exces de pozitroni de mare energie în razele cosmice , dintre care unul ar putea fi prezența materiei întunecate. ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]} .

Ipoteza asupra materiei întunecate

Numeroase teorii au apărut în literatură pentru a explica natura așa-numitei „mase lipsă”, legată de diverse fenomene. Materia întunecată ar fi localizată în „negru” care înconjoară stelele și se distinge practic în barion și non-barion:

• Materia întunecată barionică este aceea alcătuită din materie foarte asemănătoare cu cea care constituie stelele, planetele , praful interstelar etc., care însă nu emite radiații. Alți posibili constituenți ai materiei întunecate barionice au fost indicați în MACHO ( Massive Compact Halo Objects ), obiecte compacte de mare masă din halou galactic.
• Materia întunecată non-barionică este reprezentată în principal de ipoteticele particule WIMP (particule masive care interacționează slab), cu o masă unitară mare, compusă din materie intrinsec diferită de barionul obișnuit și care interacționează slab cu acesta și, prin urmare, este dificil de detectat. Se presupune că pot fi particule supersimetrice, cum ar fi neutralini sau neutrini masivi, sau axii sau alte particule niciodată observate și supuse doar forței gravitaționale și interacțiunii nucleare slabe . Trei tipuri de experimente încearcă să dezvăluie aceste particule: I) producția lor în acceleratoare de particule , II) observarea energiei pe care ar trebui să o elibereze atunci când se ciocnesc cu materia obișnuită, III) anihilarea dintre particulele de materie întunecată prezente în jurul centrului galaxiei sau soarele ar putea da particule normale, cum ar fi neutrini, pozitroni, anti-protoni . Mai mult, descoperirea că neutrino are masă, deși extrem de scăzută, îl face candidat să reprezinte cel puțin o porțiune de materie întunecată și ar putea explica parțial masa excesivă de clustere și superclustere de galaxii, dar nu și a galaxiilor individuale, deoarece se deplasează cu o viteză apropiată de cea a luminii, mai devreme sau mai târziu scăpând de atracția gravitațională și ieșind din ele.

Ipoteze suplimentare privesc primordiale gauri negre , maro, stele solitare stele, bozonici stele, cuarci pepite.

Se crede că cel puțin 90% din materia întunecată este non-barionică. De fapt, fiind abundența cosmică a deuteriului (un atom de deuteriu pentru fiecare 100 000 de hidrogen ) extrem de sensibilă la densitatea materiei sub formă de barioni , o densitate mai mare a barionului ar avea, prin urmare, o prezență mult mai mică a deuteriului. Dimpotrivă, abundența observată de deuteriu este compatibilă cu densitatea materiei detectabile.

O distincție se face și în materia întunecată rece , reprezentată în esență de ipoteticele particule „lente” WIMP și în materia întunecată fierbinte , reprezentată de neutrini care sunt particule super-rapide. Actualul model standard al cosmologiei prezice că materia întunecată este aproape rece.

În teoria corzilor , în special în variantele lumii brane și ale universului ecpirotic , materia întunecată nu este altceva decât gravitatea materiei obișnuite a unei alte brane, apropiată, dar invizibilă, alcătuită din corzi . ^[12]

Teorii alternative

O abordare alternativă este de a nu respecta legile gravitației corecte pentru valori de densitate atât de scăzute și / sau scări spațiale atât de mari. Din acest motiv, mulți fizicieni au încercat să dezvolte teorii gravitaționale capabile să descrie observații experimentale fără a presupune existența materiei întunecate, câteva exemple sunt:

• Arrigo Finzi , teoria gravitației modificată, 1963 ^[13]
• John W. Moffatt , gravitația nesimetrică (NGT, Teoria gravitațională nesimetrică), 1994 ^[14]
• Mordehai Milgrom , teoria MOND , acronim pentru Modified Newtonian Dynamics , 1981. ^[15] Prevede că pe scalele de accelerație tipice zonelor exterioare ale galaxiilor, legea gravitației universale a lui Newton trebuie să fie ușor modificată, pentru a ține seama de rotația plană. curbe fără a recurge la materia întunecată. Teoria MOND a fost susținută și refăcută și de pionierul termodinamicii găurilor negre, Jacob David Bekenstein.
• Jacob Bekenstein , gravitație tensor-vector-scalară (TeVeS), 2004. ^[16]
• Fizicianul CERN Dragan Slavkov Hajdukovic a propus o nouă teorie ^[17] care presupune că materia întunecată este o iluzie creată de polarizarea gravitațională.
• Alexander Kashlinsky, cercetător la Centrul Spațial Goddard al NASA, a speculat că materia întunecată este alcătuită din găuri negre primordiale. Această ipoteză a fost propusă prin studierea datelor privind radiațiile infraroșii de fond observate de telescopul Spitzer și datele Chandra privind emisiile de raze X în aceleași regiuni ale cerului. ^{[18] [19]}

Începând cu 2020, nu s-a construit încă o astfel de teorie, dar din moment ce nu s-au găsit încă dovezi experimentale ale materiei întunecate, cercetările în această direcție continuă.

Notă

Bibliografie

• Lawrence Krauss, Misterul masei dispărute în Univers , Milano, Raffaello Cortina Editore , 2000, ISBN 978-88-7078-652-1 .
• Jonathan Feng, Mark Trodden, Partea întunecată a universului ^{[ link broken ]} , în Le Scienze , n. 509, ianuarie 2011, pp. 34-41, ISSN 0036-8083.
• Richard Panek, 4% din univers. Istoria descoperirii materiei întunecate și a energiei întunecate , 2012, Editions Code , ISBN 978-88-7578-309-9
• Lisa Randall , Universul invizibil, de la dispariția dinozaurilor la materia întunecată. Conexiunile imprevizibile ale lumii noastre, 2015, Il Saggiatore, ISBN 978-88-428-2283-7 .

Elemente conexe

• Energie întunecată
• XENON Dark Matter Search Experiment

Alte proiecte

• Wikicitatul conține citate din sau despre materia întunecată
• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre materie întunecată

linkuri externe

• ( EN ) Materie întunecată , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• În căutarea materiei întunecate, cale informativă - ScienzaPerTutti , pe Scienzapertutti.lnf.infn.it .

Experimente de cercetare a materiei întunecate:

• DAMA , pe people.roma2.infn.it .
• WARP , pe warp.lngs.infn.it. Adus la 1 noiembrie 2015 (arhivat din original la 12 decembrie 2010) .
• CDMS , la cdms.berkeley.edu .
• CRESST , pe mppmu.mpg.de . Adus la 3 martie 2006 (arhivat din original la 11 februarie 2006) .
• EDELWEISS , pe edelweiss.in2p3.fr .
• XENON , pe astro.columbia.edu . Adus la 3 martie 2006 (arhivat din original la 30 noiembrie 2005) .
• Proiectul UKDM , pe hepwww.rl.ac.uk . Adus la 3 martie 2006 (arhivat din original la 16 aprilie 2008) .
• AMS , pe ams02.org . Adus la 4 aprilie 2013 (arhivat din original la 1 septembrie 2011) .
• PAMELA , pe pamela.roma2.infn.it .

Știri despre materia întunecată:

• Dovada existenței materiei întunecate , pe corriere.it .
• Harta tridimensională a materiei întunecate , pe astrocultura.uai.it .
• Conferință video despre materia întunecată de pe site-ul INAF , pe server11.infn.it . Adus la 3 septembrie 2008 (arhivat din original la 7 februarie 2011) .

Portalul de astronomie

Portalul de fizică