Mõisted tume energia ja tume aine ei ole täielikult edukad ja tähistavad sõna otseses tähenduses, kuid mitte semantilist tõlget inglise keelest. Füüsilises mõttes tähendavad need mõisted ainult seda, et need ained ei interakteeru footonitega ning neid võiks sama hästi nimetada nähtamatuks või läbipaistvaks aineks ja energiaks.
Tume aine astronoomias ja kosmoloogias, aga ka teoreetilises füüsikas on hüpoteetiline mateeria vorm, mis ei eralda ega mõjuta koos elektromagnetilist kiirgust. Selle mateeria vormi see omadus muudab selle otsese vaatlemise võimatuks.
Järeldus tumeda aine olemasolu kohta tehakse arvukate, üksteisega kooskõlas olevate, kuid kaudsete tunnuste põhjal astrofüüsikaliste objektide käitumisest ja nende tekitatavatest gravitatsioonilistest mõjudest. Tumeda aine olemuse avastamine aitab lahendada varjatud massi probleemi, mis seisneb eeskätt galaktikate välispiirkondade ebanormaalselt suure pöörlemiskiirusega.
Vaatame selle kõige kohta lähemalt …
Tume aine ja tume energia pole silmaga nähtavad, kuid nende olemasolu on universumi vaatluste abil tõestatud. Miljardid aastaid tagasi sündis meie universum pärast katastroofilist suurt pauku. Kui varajane universum aeglaselt jahtus, hakkas elu selles arenema. Selle tulemusel moodustusid tähed, galaktikad ja muud selle nähtavad osad. Meie universumi suurus on lihtsalt jahmatav. Näiteks miljonist planeedist Maa moodi valgustamiseks ja soojendamiseks piisab ühest Päikesest. Sel juhul on Päike keskmise suurusega täht ja ainuüksi meie galaktika koosneb 100 miljardist tähest. See arv ületab väikeses rannas liivaterade arvu. Kuid see pole veel kõik.
Nagu teate, koosneb universum mitmest miljardist galaktikast, kus eksisteerib mitmesuguseid aineid. Kas on võimalik, et mõni neist asjadest oli silmale nähtamatu. Tõenäoliselt, kuna hiljutiste uuringute tulemused on näidanud, et võime näha ainult kümnendikku universumist. See tähendab, et enam kui 90% ainest ei ole inimene lihtsalt spetsiaalse varustuse abil võimeline uurima. Astronoomid nimetavad seda küsimust tumedaks.
On teada, et tume aine interakteerub "helendava" (baryonic), vähemalt gravitatsioonilisel viisil, ja see on sööde, mille keskmine kosmoloogiline tihedus on mitu korda suurem kui baroonide tihedus. Viimaseid püütakse tumeaine kontsentratsiooni gravitatsioonilistesse šahtidesse. Seetõttu, kuigi tumeda aine osakesed ei interakteeru valgusega, kiirgatakse valgust just seal, kus on tumedat ainet. See tähelepanuväärne gravitatsioonilise ebastabiilsuse omadus võimaldas uurida tumeaine kogust, olekut ja jaotust vaatlusandmetest raadioulatusest röntgenikiirgusse.
Reklaamvideo:
Avaldatud 2012. aastal enam kui 400 tähe liikumise uuring Päikesest kuni 13 000 valgusaasta kaugusel ei leidnud mingeid tõendeid tumeda aine olemasolu kohta suures ruumis Päikese ümber. Teooriate ennustuste kohaselt pidanuks Päikese läheduses olev tumeda aine keskmine hulk olema umbes 0,5 kg Maa ruumis. Mõõtmised andsid selle ruumala väärtuseks aga 0,00 ± 0,06 kg tumedat ainet. See tähendab, et näiteks tumeaine osakeste registreerimine Maal, näiteks tumeda aine osakeste harvaesineva koostoimega "tavalise" ainega, on vaevalt edukas.
2013. aasta märtsis avaldatud Plancki kosmosevaatluskeskuse vaatluste kohaselt, mida on tõlgendatud, võttes arvesse standardset kosmoloogilist Lambda-CDM mudelit, on vaadeldava universumi kogumassienergia 4,9% tavalisest (baryoonilisest) ainest, 26,8% tumedast aines ja 68,3% tumedast energiast. Seega koosneb universum 95,1% ulatuses tumedast ainest ja tumedast energiast.
Tumeda aine olemasolu tõestuseks on selle raskus - gravitatsioonijõud, mis nagu liim säilitab Universumi terviklikkuse. Kõik universumi osad on üksteise vastu köidetud. Tänu sellele said teadlased arvutada nähtava Universumi kogumassi, samuti gravitatsioonijõudude näitajaid. Arvutuste käigus ilmnes nende parameetrite oluline tasakaalustamatus, mis andis alust arvata, et on olemas mõni nähtamatu aine, millel on teatud mass ja mis on ka raskusjõu all.
Tumeda aine uurimine Lisaks oli tõendusmaterjaliks tumeda aine olemasolu kohta selle gravitatsiooniline mõju teistele objektidele, sealhulgas tähtede ja galaktikate liikumise trajektoor. On leitud, et paljud galaktikad pöörlevad oodatust kiiremini. A. Einsteini gravitatsiooniteooria kohaselt peaksid nad lendama eri suundades. Midagi nähtamatut näib neid siiski koos hoidvat.
Samuti võib tume aine mõjutada valguse levimise teed. Uuriti gravitatsioonilise läätse nähtust, mis seisneb selles, et tihedad objektid suudavad peegeldada kaugete objektide valgust, muutes valgusvoogude trajektoori. See põhjustab pildi moonutamist ning tähtede ja galaktikate miraažide ilmumist. Teadlased registreerivad neid valguse painutusi, kuid ei oska selle nähtuse olemust nimetada.
Tume aine meie universumis võib eksisteerida massiivsete astronoomiliste haloobjektide (MAGO) kujul. Nende hulka kuuluvad planeedid, kuud, pruunid ja valged kääbused, tolmupilved, neutronitähed ja mustad augud. Reeglina on need liiga väikesed, et inimesed saaksid nende valgust tuvastada, kuid nende olemasolu saab arvutada gravitatsioonilise mõju kaudu valgusvoogudele. Viimastel aastatel on astronoomid avastanud mitut tüüpi MAGO-objekte. Need võivad koosneda nii tavalistest baryoonilistest osakestest kui ka aksiinidest, neutriinidest, wimpilitest ja supersümmeetrilisest tumeainest.
Tumeaine ja tumeda energia uurimine
Kuna huvi tumeda aine vastu kasvab jätkuvalt, ilmuvad uued tööriistad, mis aitaksid sellest salapärasest nähtusest laiemalt aru saada. Näiteks Hubble'i kosmoseteleskoop on andnud väga väärtuslikku teavet nähtava universumi suuruse ja massi kohta. Need andmed olid esimene ja väga oluline samm universumis oleva tumeda aine tõelise hulga uurimise suunas.
Oluline on mõista, et Universumi struktuur pole juhuslik ja Hubble'i abil saate selle struktuuri detailselt kirjeldada. On kindlalt teada, et galaktikad asuvad klastrites ja need klastrid asuvad superklastrites. Kosmiliste kehade superparved asuvad käsnakujulises struktuuris, kus on ulatuslikud tühimikud. Ilmselt on sellise struktuuri teke väga konkreetsetel põhjustel. Chandra observatooriumi röntgenteleskoobid aitavad nendes klastrites uurida kuuma gaasi suuri pilvi. Teadlased leidsid, et ka neis piirkondades peab leiduma tumedat ainet, vastasel juhul pääseb gaas klastrist välja. Lisaks töötatakse praegu välja uusi tööriistu, mis lõpuks aitavad meil näha seda universumi tumedat poolt.
Lähenemisviisid ja meetodid tumeaine osakeste uurimiseks
Praegu proovivad teadlased kogu maailmas igal võimalikul viisil maapealsetes tingimustes tumeaine osakesi avastada või kunstlikult saada, kasutades selleks spetsiaalselt loodud ülitehnoloogilisi seadmeid ja paljusid erinevaid uurimismeetodeid, kuid seni pole kõiki töid õnnestunud kroonida.
Millest universum koosneb
Üks meetoditest hõlmab katsete tegemist suure energiatarbimisega kiirenditega, mida tavaliselt nimetatakse kokkupõrgeteks. Teadlased arvavad, et tumeda aine osakesed on prootonist 100-1000 korda raskemad, eeldades, et need peavad tekkima tavaliste osakeste kokkupõrkel, mida kiirendab põrketiirus suureks energiaks. Teise meetodi olemus on tumeda aine osakeste registreerimine, mis asuvad meie ümber. Nende osakeste registreerimisel on peamiseks raskuseks asjaolu, et neil on väga nõrk koostoime tavaliste osakestega, mis on nende jaoks olemuselt läbipaistvad. Ja veel, tumeda aine osakesed esinevad väga harva, kuid põrkuvad aatomituumadega kokku ja varem või hiljem on teatav lootus selle nähtuse registreerimiseks.
Pimeda aine osakeste uurimiseks on ka teisi lähenemisviise ja meetodeid ning milline neist toob esmalt edu, näitab ainult aeg, kuid igal juhul on nende uute osakeste avastamine suur teaduslik saavutus.
Gravitatsioonivastane aine
Tume energia on veelgi ebaharilikum aine kui sama tume aine. Sellel puudub võime klompidesse koguneda, mille tulemusel jaguneb see kogu Universumis ühtlaselt. Kuid selle kõige ebatavalisem omadus on praegu gravitatsioonivastane jõud.
Tänu kaasaegsetele astronoomilistele meetoditele on praegusel ajal võimalik kindlaks teha Universumi paisumise kiirus ja simuleerida selle muutumise protsessi varasema ajaga. Selle tulemusel saadi teavet, et nii praegu kui ka lähiminevikus meie universum laieneb, samal ajal kui selle protsessi kiirus kasvab pidevalt. Sellepärast ilmus hüpotees tumeda energia antigravitatsiooni kohta, kuna tavalisel gravitatsioonilisel atraktsioonil oleks aeglane mõju "galaktikate majanduslanguse" protsessile, piirates Universumi paisumiskiirust. See nähtus ei ole vastuolus üldise relatiivsusteooriaga, kuid samal ajal peab tumedal energial olema negatiivne rõhk - omadus, mida ühelgi praegu teadaoleval ainel pole.
"Tume energia" rolli kandidaadid
Abel 2744 klastri galaktikate mass on vähem kui 5 protsenti selle kogumassist. See gaas on nii kuum, et see helendab ainult röntgenikiirgus (sellel pildil punane). Nähtamatu tumeaine jaotus (moodustades umbes 75 protsenti selle klastri massist) on siniseks värvitud.
Üks tumeda energia rolli oletatavaid kandidaate on vaakum, mille energiatihedus jääb Universumi paisumise ajal muutumatuks ja kinnitab seeläbi vaakumi negatiivset rõhku. Teine oletatav kandidaat on "kvintessents" - varem uurimata ülivõrreväli, mis väidetavalt läbib kogu universumit. Võimalikke kandidaate on ka teisi, kuid mitte ükski neist pole praegu aidanud täpse vastuse saamisele küsimusele: mis on tume energia? Kuid on juba selge, et tume energia on midagi täiesti üleloomulikku, jäädes 21. sajandi fundamentaalfüüsika peamiseks mõistatuseks.
