Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 147
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Частное профессиональное образовательное учреждение
«Сочинский финансово-юридический колледж»
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
«Вселенная и темная материя»
Работу выполнил:
Задорожко Денис Антонович
Руководитель:
Трубохина Мария Фёдоровна
Г. Сочи, 2022
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3
Глава I Темная материя
-
История темной материи……..................................................................4 -
Барионная темная материя……...............................................................6 -
Небарионная темная материя…………………………………………...7 -
Классификация темной материи..............................................................8 -
Свойства темной материи.........................................................................9 -
Физическое обнаружение гипотетических частиц темной энергии…9
Глава II Темная энергия
2.1 Темная энергия в космологии…............................................................10
2.2 Гипотеза о темной энергии и скрытой массе.......................................11
2.3 Космологическая постоянная…………………………………………12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................15
ВВЕДЕНИЕ
Тысячи лет мы смотрели в ночное небо и верили, что светлое вещество, было то, что выдумала наша вселенная. Сейчас ученые понимают, что ни то, что излучает свет, а то, что скрыто во тьме, содержит тайны нашего неба. Эта таинственная темная материя, которая связывает звезды и галактики воедино. Эта темная энергия отталкивания, которая создает пространство во вселенной, но движет галактики дальше и дальше на встречу зловещей гибели. Объединенная темная материя и темная энергия составляют 96% вселенной, а раскрыть их секреты 1/1000000. Если раскрыть их, то конечная судьба вселенной может быть определена. Она разрушится и сгорит под ужасающими воздействиями сил гравитации, или темная энергия разорвет вселенную на части. Еще есть мнение, что вселенная погибнет во льду. Понимание этих двух величин, темной материи и темной энергии, очень существенно для понимания вселенной.
В данной исследовательской работе рассматривается вопрос, почему существует темная материя. Также, изучение свойств темной материи и темной энергии. Нахождение космологических данных, свидетельствующих о существовании темной материи и темной энергии. Для достижения поставленной цели, нами была сформулирована задача исследования. Проанализировать существующие в отечественной и зарубежной науке теоретические подходы. Гипотеза исследования: мы предполагаем, что темная материя и темная энергия существует, и в данной работе попытаемся найти космологические данные, свидетельствующие о существовании темной материи и темной энергии.
Глава I Темная материя
1.1 История темной материи
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическое вещество, которое не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним.
Темная материя непохожа ни на что, с тем, с чем мы, когда-либо сталкивались на земле.
Миллиарды этих необычных частиц проходят сквозь все, с чем сталкиваются каждую секунду, они на столько огромны по весу, что оказывают влияние на галактики, на то, как они образуются и на, то, как быстро вращаются.
Невидимое присутствие темной материи есть везде, или это так, кажется? Ученые не доказали на прямую существование темной материи, есть много предположений, но нет ответов. А наблюдать за тем, что вы не можете видеть, не легко. Она не излучает свет и не поглощает его, она никак не взаимодействует со светом вообще. Она не только не светится, мы не можем свободно увидеть ее во тьме.
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. 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 тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными. Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии. 3.Открытие тёмной материи. В истории науки встречались ситуации, когда движение небесных тел не подчинялось законам небесной механики; как правило, это явление находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус B. В 1922 году астрономы Джеймс Джинс и Якобус Каптейн исследовали движение звёзд в нашей Галактике и пришли к выводу, что большая часть вещества в галактике невидима; в этих работах, вероятно, впервые появился термин «тёмная материя» Начиная с 1960-х годов, когда начался бурный прогресс наблюдательных средств астрономии, число аргументов в пользу существования тёмной материи быстро росло. При этом оценки её параметров, полученные из разных источников и разными методами, в целом согласуются между собой. При исследовании движения спутников галактик и близко расположенных шаровых скоплений было подтверждено, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу её звёзд. Было проведено изучение движения в системах двойных галактик и в галактических скоплениях.
Оказалось, что в этих масштабах доля тёмной материи намного выше, чем внутри галактик. Звёздная масса эллиптических галактик, согласно расчётам, недостаточна для удержания входящего в галактику горячего газа, если не учесть тёмную материю. Оценка массы скоплений галактик, осуществляющих гравитационное линзирование, даёт результаты, включающие вклад тёмной материи и близкие к полученным другими методами. Большой вклад внесли в конце 1960-х и начале 1970-х годов астрономы Вера Рубин из Института Карнеги и Кент Форд — они были первыми, кто провёл точные и надёжные вычисления, указывающие на наличие тёмной материи. Они работали с новым, более чувствительным спектрографом, который мог гораздо точнее измерять скорость вращения диска спиральных галактик даже при виде «с ребра». Рубин и Форд заявили на конференции Американского Астрономического Общества в 1975 году об открытии: большинство звёзд в спиральных галактиках двигаются по орбитам примерно с одинаковой угловой скоростью, что приводит к мысли, что плотность массы в галактиках одинакова и для тех регионов, где находится большинство звёзд (балдж), и для тех регионов (на краю диска), где звёзд мало. Похожий вывод был сделан независимо в 1978 году. В 1980 году работа Рубин была окончательно признана астрономическим сообществом.
1.2 Барионная темная материя
Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным излучением и потому не обнаружимого 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: чёрные 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, 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.
1.3 Небарионная темная материя
Теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи.
1) Лёгкие нейтрино Нейтрино имеют явное преимущество перед другими веществами - они точно существуют. Количество нейтрино во вселенной сравнимо с количеством фотонов, но масса нейтрино слишком мала, чтобы составлять основную часть тёмной материи.
2) Тяжёлые нейтрино из данных о ширине распада Z-бозона следует, что число поколений лептонов — слабо взаимодействующих частиц (электронов, мюонов и таонов и их нейтрино) — равно 3. Эти данные верны для числа поколений лептонов с массой менее 45 ГэВ. Таким образом, тяжёлые нейтрино с необходимостью являются так называемыми «стерильными», то есть не проявляющимися в слабых взаимодействиях в обычных условиях.
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.
4) Первичные чёрные дыры. Первичная чёрная дыра — возможный вид чёрных дыр, которые образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, а в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной после Большого взрыва.
Согласно модели Большого взрыва, после так называемой, планковской эпохи давление и температура во Вселенной были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи были достаточно значительными, чтобы способствовать возникновению чёрных дыр. Хотя большинство областей с высокой плотностью в связи с расширением Вселенной удалились друг от друга, первичные чёрные дыры, будучи стабильными, могли сохраниться до настоящего времени. Космологами высказано предположение, что первичные чёрные дыры с массами в диапазоне от 1014 кг до 1023 кг могут составлять тёмную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы тёмной материи. Чёрные дыры с такими массами (типичный диапазон масс астероидов) включают объекты как достаточно мелкие, чтобы они могли сохраниться до настоящего времени, и при этом достаточно большие, чтобы объяснить наблюдаемый эффект гравитационных линз.
1.4 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 определённый момент времени температура упала настолько, что среднее время пролёта частиц ТМ в плазме превысило хаббловское, и взаимодействия с барионным веществом прекратились. В зависимости от температуры, при которой это произошло, ТМ делят на «горячую», «холодную» и «тёплую».
Если в момент выхода из равновесия энергия частиц сильно превышала их массу, ТМ называют горячей. Такими могли бы быть лёгкие частицы типа нейтрино, но космологические данные исключают возможность того, что последние составляют значительную долю ТМ.
Если частицы ТМ отщепились от космической плазмы уже будучи нерелятивистскими, такую ТМ называют «холодной».