Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualności
Astronomia
Struktura materii
Doświadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis treści i wyszukiwarka
Hosted by:
W kręgu fizyki LO Turek
« Poprzednia
Obiekty 
Ciemna materia
gromada Abell 520
W gromadzie Abell 520 w środku nie ma galaktyk, najprawdopodobniej znajduje się tam ciemna materia. Zaznaczona jest ona kolorem niebieskim, natomiast gorący gaz kolorem różowym.

Astronomowie analizując ruch gwiazd w galaktykach otrzymują sprzeczne wyniki. Pomiar szybkości obrotu galaktyk sugeruje, że oprócz obserwowanych gwiazd jest w nich jakaś inna materia, która wpływa na ruch. Masa znanych obiektów zawartych w galaktyce jest około 5,5 razy mniejsza od teoretyczne wyliczonej masy całej galaktyki, jaka powinna być, aby gwiazdy poruszałyby się ze zmierzonymi prędkościami. Również według wyliczeń znana masa całego Wszechświata jest zdecydowanie za mała aby po Wielkim Wybuchu mogłyby ukształtować się galaktyki. Droga Mleczna nie powinna więc w ogóle powstać.
Wobec tego we Wszechświecie brakuje masy. Najprawdopodobniej jest ona ukryta w postaci niewidzialnych obiektów, które oddziałują grawitacyjnie, ale nie emitują i nie odbijają światła, a ponadto nie wchodzą w reakcję z innymi znanymi nam substancjami. Tą brakującą masę nazwano ją ciemną materią, dla odróżnienia od świecących gwiazd. Naukowcy szacują, co jest niesamowite, że ciemna materia stanowi aż 25% składników całego Wszechświata czyli masy-energii (patrz diagram poniżej) oraz ponad 80% oddziałującej grawitacyjnie masy.
Obserwacje astronomiczne wykazały, że ciemna materia tworzy "grawitacyjne soczewki", które zakrzywiają światło docierające do Ziemi. W ten sposób można nawet dziś zbadać, gdzie się ona kumuluje. Kilka lat temu astrofizycy wykreślili mapę jej zagęszczeń w kosmosie. Okazuje się, że mniej więcej pokrywa się ona z położeniem świecącej materii, z tym że skupiska ciemnej materii są dużo rozleglejsze. Jasne gwiazdy i galaktyki są niewielkimi obiektami zanurzonymi w ogromnej sieci nieznanej ciemnej substancji. Nasza Droga Mleczna wraz z Układem Słonecznym także jest zanurzona w takim wielkim ciemnym obłoku, który sięga prawie aż do sąsiedniej dużej galaktyki Andromedy.
Ostatnie pomiary ciał okrążających naszą Ziemię na orbicie wykazały, że masa naszej planety jest o 0,005-0,008 procent większa, niż zakładaliśmy. Najprawdopodobniej cząsteczki ciemnej materii są zawieszone w całym otoczeniu Ziemi. Nie jest jej dużo, jej zawartość w przeciętnym mieszkaniu wynosi przypuszczalnie zaledwie ułamek miligrama. Jedna nie czujemy ich ponieważ nie jest ich tak dużo i bardzo słabo oddziałują z otoczeniem. Szacuje się, że zaledwie jedna cząsteczka ciemnej materii zderza się z atomem dorosłego człowieka w ciągu jednej minuty.
Próby ustalenia, czym jest ciemna materia i jaki jest jej udział w masie Wszechświata, doprowadziły do wielu odkryć, ale do dziś nie daty ostatecznych wyników. Niedawno wydawało się, że to neutrina są właśnie poszukiwaną ciemną materią. Są to bardzo
mapa gstości
Komputerowa rekonstrukcja przekroju gęstości powierzchniowej ciemnej materii uzyskanej metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego w gromadzie CL0024+1654. Rekonstrukcja wykazała, że ciemna materia znajdująca się w gromadzie przewyższa masę wszystkich gwiazd w niej zawartych aż 250 razy.
słabo oddziaływujące cząstki i w każdej sekundzie każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przeszywają bez śladu ich miliony, co więcej przechodzą bez przeszkód całą kulę ziemską. Ale w ostatnich latach zmierzono ich masę i okazało się, że ważą setki tysięcy razy mniej niż elektrony (najlżejsze ze znanych cząstek) oraz są zbyt szybkie. Stwierdzono, że ciemna materia ma tendencję do skupiania się jak materia zwykła. Tymczasem neutrina są zbyt "gorące", czyli przemierzają przestrzeń kosmiczną z prędkością podświetlną i w żaden sposób nie można ich zmusić do zgromadzenia się razem w jednym miejscu. Skupiska mogą tworzyć jedynie cząstki powolne i ciężkie, czyli "zimne".
Ciemną materię poszukuje się obecnie w trzech kierunkach. Pierwsza koncepcja to, że jest to zwykła materia barionowa (złożona z barionów: protonów i neutronów), uwięziona w ciałach, w których albo procesy termojądrowe nigdy się nie rozpoczęły (grupa I), albo już wygasły (grupa II) - takie obiekty nazywamy MACHO. Druga możliwość to nieznane cząstki elementarne zwane WIMP-ami. Istnieje jeszcze inna możliwość: być może cząstkami ciemnej materii są aksjony, hipotetyczne cząstki o małej masie, powstałe w wielkiej ilości po Wielkim Wybuchu oraz jak sądzą fizycy ciągle wytwarzane w jądrach gwiazd w czasie reakcji termojądrowej.
Pojawiają się również zupełnie inne próby wyjaśnienia zagadkowego ruchu ciał w kosmosie. Niektórzy naukowcy przypuszczają, że prawo ciążenia jest bardziej skomplikowane niż je sformułowaliśmy i w określonych warunkach, na przykład na dalekich odległościach, grawitacja działa "silniej" niż wynika to z dotychczasowych teorii.

Ciała materialne - MACHO

MACHO (z angielskiego Massive Astrophysical Compact Halo Object) czyli masywne zwarte obiekty halo to ciała niebieskie będące skupiskiem normalnej znanej materii, emitujące niewiele promieniowania i nieznajdujące się na orbicie żadnej gwiazdy. Nazwa MACHO stanowi grę słów, bowiem macho oznacza silnego faceta. Jednak założenie dużego udziału tych ciał w budowie Wszechświata implikowałoby zmianę poglądów na szybkość starzenia się gwiazd i co za tym idzie na wiek Wszechświata.
soczewkowanie
Zasada mikrosoczewkowania grawitacyjnego
Do pierwszej grupy MACHO zalicza się:
  • brązowe karły - obiekty protogwiazdowe, których masa nie przekroczyła 8% masy Słońca, czego efektem jest zbyt mała temperatura tych obiektów, więc w nich nigdy nie doszło do zainicjowania pełnych reakcji termojądrowych, dlatego te obiekty wysyłają bardzo mało światła i są niewidoczne;
  • komety;
  • planetoidy;
  • pył międzygwiazdowy i międzygalaktyczny
    Zwykły pył kosmiczny odpada, ponieważ przy dużych jego ilościach pochłaniałby światło z odległych gwiazd i galaktyk w znacznie większym stopniu, niż to obserwujemy. Planetoidy i komety małą masę i nie mogą brać dużego udziału w bilansie materii, natomiast brązowe karły byłyby dobrym kandydatem, jednak oprócz kilku
    soczewkowanie
    Krzywa obrazująca pojaśnienie gwiazdy BW7 I 117281 dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego.
    ciał odkrytych w ostatnich latach nie ma szacunków o rzeczywistej ich ilości w Kosmosie.
    W drugiej grupie wymieniane są ciała będące końcowymi etapami ewolucji gwiazd:
  • gwiazdy neutronowe
  • czarne dziury
  • białe karły i czarne karły
    Ciała MACHO są bardzo trudne do wykrycia przy pomocy współczesnych metod obserwacyjnych. Polski astrofizyk Bohdan Paczyński zaproponował metodę, dzięki której można rejestrować takie obiekty. Nazwano ją soczewkowaniem grawitacyjnym lub w przypadku małych obiektów wielkości Słońca, mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. W efekcie tym, przewidzianym już przez Einsteina, światło odległej gwiazdy lub galaktyki odchyla się w polu grawitacyjnym ciemnego obiektu. Jeśli więc obiekt znajdzie się między nami i źródłem światła, zamiast zasłonięcia stwierdzimy rozjaśnienie, podobnie jak po przejściu przez soczewkę światło trafi do nas ze znacznie szerszego stożka, niż przy bezpośredniej obserwacji. Metoda Paczyńskiego doprowadziła istotnie do wykrycia wielu ciemnych obiektów w naszej Galaktyce. Jest ich jednak za mało nawet do wytłumaczenia zaburzeń obrotu. Musza więc istnieć jeszcze inne rodzaje ciemnej materii. Metodę mikrosoczewkowani polscy astronomowie stosują do znajdowania planet pozasłonecznych.

    Słabo oddziaływujące masywne cząstki WIMP-y

    detektor LUX
    Montaż detektora LUX cząstek ciemnej materii
    Jeśli nie MACHO, to może słabo oddziałujące masywne cząstki w skrócie WIMP-y (od ang. Weakly Interacting Massive Particles) są składnikami ciemnej materii. Jest to znów gra słów, bowiem po angielsku wimp znaczy mięczak lub słabeusz. Są to nieznane jeszcze cząstki elementarne nie wchodzące w skład normalnych atomów. Każda galaktyka zanurzona byłaby w wielkim obłoku takich cząstek. Być może też WIMP-y zbudowały obok nas cały alternatywny Świat z własnymi planetami i gwiazdami? Niewiele o nich wiadomo, poza tym, że jak wskazuje ich nawa, słabo oddziaływają ze znaną materią. To zresztą jest oczywiste, bo gdyby silnie oddziaływały, to już dawno by je odkryto. Według szacunków masa WIMP-ów powinna być od 20 do 1000 razy większa od masy protonu czyli atomu wodoru.
    Większe nadzieje można wiązać z dwoma typami cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii lub superstrun, których dotąd nie odkryto: tzw. partnerami supersymetrycznymi znanych cząstek oraz tzw. cząstkami zwierciadlanego świata. Te ostatnie miałyby oddziaływać ze zwykłą materią tylko grawitacyjnie, byłyby więc naprawdę doskonale ciemną materią.
    Cząstki ciemnej materii fizycy próbują wykryć na wiele sposobów. Jednym z detektorów używanych do tego celu jest Magnetyczny Spektrometr Alfa (AMS), skonstruowany w ośrodku badań jądrowych CERN pod Genewą, a umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Cele AMS jest precyzyjny pomiar cząstek promieniowania kosmicznego, które nabiegają z różnych stron kosmosu. W 2014 roku po analizie danych stwierdzono, że strumień promieniowania kosmicznego niesie nadwyżkę pozytonów. Powinno być ich mniej więcej 10 tysięcy razy mniej niż elektronów, a było ich tylko 100 razy mniej. To zgodne z hipotezą, że kosmiczne pozytony pochodzą z anihilacji ciemnej materii, ale dane wciąż jeszcze nie wykluczają innych scenariuszy. Obecnie najwięcej zwolenników ma hipoteza, że to neutralina, cząstki pozbawione ładunku elektrycznego, które są jednym z krewniaków bozonu Higgsa w teorii supersymetrii. Powinny mieć one masę około tysiąc razy większą od protonów.
    Istnieją również próby zarejestrowania takich słabooddziałujących cząstek. W Dakocie Południowej W USA w starej kopalni złota na głębokości ponad jednego kilometra powstało laboratorium Sanford Lab, w którym zbudowano detektor LUX (Large Underground Xenon Detector, czyli Wielki Podziemny Detektor Ksenonowy). W głównym zbiorniku znajduje się 350 kg ciekłego ksenonu o temperaturze -100°C. Gruba warstwa wody i ziemi powoduje izolację od cząsteczek promieni kosmicznych. Gdy masywna cząsteczka przejdzie przez zbiornik ksenonu, może nastąpić oddziaływanie z cząsteczką ksenonu i następuje błysk światła i wyładowanie elektryczne, które dzięki specjalnym narzędziom, zostaje jeszcze wzmocnione w fotopowielaczach, po czym łatwo je dokładnie zmierzyć. Niestety takie zderzenia, jeśli w ogóle nastąpią, jak się oczekuje rejestrowane będą bardzo rzadko, zaledwie kilka na rok. W planach w tej samej kopalni jest budowa większego detektora LUX składającego się z siedmiu ton ciekłego ksenonu. Czekamy na pozytywne rezultaty.

    Aksjony

    aksjony
    Najprawdopodobniej wylatujące ze Słońca aksjony (niebieskie linie) uderzają w ziemskie pole magnetyczne (czerwone linie) i zamieniają się w promieniowanie Roentgena (pomarańczowe linie)
    Aksjony (nazwa pochodzi od popularnego w USA proszku od prania) wprowadzili fizycy aby rozwiązać problemy, jakie miała teoria oddziaływań silnych (chromodynamika kwantowa). Podstawowymi składnikami materii są kwarki, które oddziałują między sobą poprzez wymianę gluonów. Z pierwotnych wersji teorii wynikało, że oddziaływania te nie zachowują pewnych symetrii, czego jednak nigdy nie zaobserwowano doświadczalnie. Aby pogodzić teorię z rzeczywistością, konieczne było uzupełnienie jej o dodatkowe cząstki nazwane aksjonami. Aksjony, jak wszystkie inne cząstki, mogą oddziaływać grawitacyjnie.
    Aksjony mają być neutralne (pozbawione ładunku elektrycznego), bardzo lekkie, czyli prawdziwe chucherka, ich masa miliony czy miliardy razy jest mniejsza od elektronów). Dodatkowo mają bardzo słabo wchodzić w reakcje ze zwykłą materią i dlatego tak trudno je wykryć. Z jednym wyjątkiem. Teoria przewiduje, że w silnych polach elektromagnetycznych te cząstki mogą zamienić się w łatwe już do wykrycia przez nas promieniowanie rentgenowskie. Może się też stać na odwrót, promienie rentgenowskie w silnych polach elektrycznych mogą się przekształcać w aksjony.
    Fizycy niemal od razu zauważyli, że potencjalnym źródłem aksjonów powinno być wnętrze naszej gwiazdy. Jeśli teoria ma sens, to strumień tych cząstek powinien wylatywać ze Słońca i docierać do Ziemi. A kiedy słoneczne aksjony natrafią na pole elektromagnetyczne, to mogą się zamienić w promienie rentgenowskie. Na tym opiera się większość pułapek, które fizycy w ostatnich latach zastawiali na te cząstki w swoich ziemskich laboratoriach. Naukowcy zaczajają się przy potężnych elektromagnesach i wypatrują emisji rentgenowskiej od aksjonów, które w polu elektromagnetycznym zamienią się w promieniowanie.
    Fizycy z Wielkiej Brytanii wpadli na inny pomysł. Wykorzystali to, że cała Ziemia jest wielkim elektromagnesem. Jeśli więc słoneczne aksjony istnieją, to gdy wpadają w pole magnetyczne otaczające naszą planetę, niektóre z nich przekształcają się w promienie rentgenowskie.
    To promieniowanie można wykryć za pomocą europejskiego obserwatorium rentgenowskiego XMM-Newton, krążącego wokół Ziemi po orbicie. XMM-Newton zbudowany został co prawda do szukania odległych źródeł promieniowania rentgenowskiego, ale przecież powinno także zarejestrować promieniowanie z całkiem bliskich źródeł.
    Wylatujące ze Słońca aksjony (powinny uderzać w ziemskie pole magnetyczne i zamienić się w promieniowanie Roentgena. Fizyce z Wielkiej Brytanii przeanalizowali archiwalne dane z 15 lat pomiarów satelity, żeby ustalić, czy widzi on jakieś nieznane promieniowanie, które pochodzi z najbliższego otoczenia Ziemi. Po wyeliminowaniu wszystkich znanych źródeł rentgenowskich, w ich danych pozostało jeszcze pewne rentgenowskie "tło", które zmieniało się sezonowo, w rytm zmiany położenia satelity wobec Słońca i Ziemi. To się doskonale zgadza z hipotezą słonecznych aksjonów. Promieniowanie rentgenowskie od tych cząstek powinno być najsilniejsze na linii Słońce - Ziemia, bo z tego kierunku one nadlatują. Podobny sygnał wykrył amerykański satelita rentgenowski Chandra, choć nieco czasu może zająć Amerykanom jego analiza. Brytyjczycy natomiast mają teraz jeszcze dokładniej sprawdzić sygnał rejestrowany przez obserwatorium XMM-Newton.
    Aksjony powinny również powstać w wielkich ilościach po Wielkim Wybuchu, ale jak się szacuje mają one jeszcze mniejszą masę niż te powstające w jądrach gwiazd (na przykład w jądrze Słońca) i stąd jeszcze trudniej je wykryć.
    Opracowano na podstawie artykułu "Satelita wykrył sygnał od nieznanych cząstek, które wylatują ze Słońca i uderzają w ziemskie pole magnetyczne. To ciemna materia?", zamieszczonego w Gazecie Wyborczej w październiku 2014 roku.

    materia
    Składniki Wszechświata według ostatnich badań

    Ciemna energia

    Gdy wyznaczono ilości poszczególnych form materii występujących w galaktykach i gromadach galaktyk za pomocą różnych technik obserwacyjnych w zakresie optycznym, radiowym i rentgenowskim, to stwierdzono, że łączna gęstość pierwiastków chemicznych i ciemnej materii stanowi zaledwie około jednej czwartej wartości postulowanej przez większość teoretyków (tzw. gęstości krytycznej). Wielu kosmologów potraktowało to jako oznakę, że wbrew przewidywaniom teoretyków, żyjemy w rozszerzającym się w nieskończoność Wszechświecie o krzywiźnie hiperbolicznej niczym wylot trąbki. Interpretacji tej przeczyły jednak pomiary rozkładu gorących i zimnych obszarów mikrofalowego promieniowania tła, wykazujące, że przestrzeń jest płaska i całkowita gęstość energii równa gęstości krytycznej. Jeśli uwzględnimy obie te obserwacje, z prostego rachunku wynika konieczność wprowadzenia dodatkowej energii, której wkład wyrównałby brakujące trzy czwarte całkowitej gęstości materii - energii. Potwierdziły to ostatnie wyniki uzyskane z sondy WMAP. Ten brakujący składnik nazwano ciemną energią.
    Ciemna energia nie może pochłaniać ani emitować światła, gdyż w przeciwnym wypadku zostałaby już dawno wykryta. Pod tym względem ciemna energia przypomina ciemną materię. Różni się jednak od niej jednak istotnie. Jego
    supernowa
    Obserwowany w 2001 roku przez kosmiczny teleskop Hubble'a wybuch supernowej odległej o 10 mld lat świetlnych. To obserwacja dalekich obiektów dowodzi, że rozszerzanie Wszechświata ulega przyspieszeniu.
    oddziaływanie grawitacyjne musi mieć charakter odpychający, gdyż inaczej, wciągnięty w obręb galaktyk i gromad galaktyk, wpływałby dynamicznie na widoczną materię. Żadnego takiego wpływu jednak nie zaobserwowaliśmy.
    W 1998 roku dwie niezależne grupy badaczy mierząc przesunięcie linii widmowych supernowych Ia ku czerwieni, które w astronomii jest ściśle związane z odległością obiektu od obserwatora i jednocześnie moc dochodzącego promieniowania co również pozwala obliczyć odległość stwierdzili rozbieżność. Okazało się, że najdalsze supernowe Ia świecą za słabo w stosunku do oczekiwań wynikających z pomiarów przesunięcia linii widmowych ku czerwieni. Oznacza to prawdopodobnie, że w czasie, gdy światło supernowych wędrowało do teleskopów, doszło do przyspieszenia kosmicznej ekspansji pod wpływem jakiegoś czynnika, który skutecznie przeciwstawił się spowalniającej ją grawitacji.
    Za to przyspieszenie ekspansji odpowiedzialna jest ciemna energia, która jak się przypuszcza, równomiernie wypełnia przestrzeń, nie wytwarzając żadnych struktur. Wszędzie ma jednakową, lecz małą gęstość (równoważną masie kilku atomów wodoru w jednym metrze sześciennym), co na razie uniemożliwia bezpośrednie zaobserwowanie. Skutki ciemnej energii stają się widoczne dopiero na bardzo dużych odległościach.
    Kolejnego dowodu na realność kosmicznego przyspieszenia dostarczają zjawiska zachodzące w dużych gromadach galaktyk o rozmiarach od kilku do kilkunastu milionów lat świetlnych i masach miliona miliardów mas Słońca. Biegnące do nas zza takiej gromady fotony promieniowania reliktowego zwiększają swoją energię do momenty aż dojdą do środka gromady, po tym wydobywając się z niej tracą zdobytą nadwyżkę. Jeśli od wlotu do wylotu fotonu z gromady jej rozmiary nie zmieniają się zysk zostanie dokładnie zrównoważony przez stratę. Jeśli jednak gromada nieco się rozszerzy (a może to zrobić tylko pod wpływem ciemnej energii) bilans będzie dodatni i długość fali elektromagnetycznej zostaje przesunięta w kierunki fali krótszej (ku nadfioletowi). Efekt ten zaobserwowano po zbadaniu kilkudziesięciu gromad.
    Jakie jest pochodzenie i natura tej tajemniczej energii na razie nie wiemy. Dziś rozważa się dwie hipotezy. W jednej rozważana jest energia próżni, w innej nieznane pole sił (pole kwantowe zwane kwintesencją).
    Zagadkowe przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata próbuje się również wytłumaczyć innym prawem grawitacji, bez potrzeby wprowadzania pojęcia "ciemna energia". Czy istnieje ciemna energia i jaka jest jej natura możemy się dowiedzieć obserwując wybuchy bardzo dalekich supernowych. Naukowcy proponują też wiele innych metod badania ciemnej energii. Europejska Agencja Kosmiczna przygotowuje na przykład misję Euclid (Euklides), w ramach której zostanie zbudowany kosmiczny teleskop do badania ciemnej materii i ciemnej energii. W przestrzeń kosmiczną zostanie wystrzelony w 2020 roku. Należy więc niecierpliwie czekać na nowe wyniki obserwacji.

    « Poprzednia
    Obiekty