Ciemna materia i ciemna energia. Andrzej Oleś

Transkrypt

1 Ciemna materia i ciemna energia Andrzej Oleś Wstęp Dlaczego ma istnieć ciemna materia Idea pomiaru MOND Modified Newtonian Dynamics? Ciemna energia i przyszłość Wszechświata? Wstęp Obecnie przypuszcza się, że Wszechświat zbudowany jest z następujących cząstek: Rodzaj materii Typowe cząstki Liczba cząstek Wkład do masy Dowody istnienia Wszechświata ( około ) Zwykła-barionowa protony % Bezpośrednie elektrony obserwacje Promieniowanie fotony % Obserwacje Gorąca c. materia neutrina % Detekcja neutrin Zimna c. materia cząstki % Wnioskowanie supersymetryczne? z dynamiki galaktyk Ciemna energia cząstki skalarne % Wnioskowanie z ekspansji Wszechświata Dlaczego ma istnieć ciemna materia? Ciemnej materii nie umiemy obserwować bezpośrednio. Argumentu za istnieniem tego składnika Wszechświata dostarczają obserwacje orbitalnych prędkości gwiazd w dyskach galaktyk. Prędkości te uzyskujemy z obserwacji przesunięcia dopplerowskiego w widmie promieniowania emitowanego przez gwiazdę. Wyliczana siła dośrodkowa, która utrzymuje gwiazdy na orbitach jest wielokrotnie większa od grawitacji wszystkich świecących składników galaktyki. Podobnie sprawa wygląda, gdy przechodzimy do obserwacji w większej skali w gromadach galaktyk.

2 Rys.1. Wyliczona zależność prędkości gwiazdy od odległości od centrum galaktyki ( disk ). Punkty pomiarowe świadczą o stałej prędkości dla różnych odległości, co narzuca obecność ciemnej materii w postaci halo. Rysunek 1 przedstawia wyliczoną zależność prędkości gwiazdy od jej odległości od centrum galaktyki.( krzywa z maksimum ). W tym przypadku uwzględniono grawitację jedynie świecącej materii. Kwadraciki odtwarzają wyniki konkretnych pomiarów. Jak widać konieczna jest jeszcze duża niewidoczna masa stanowiąca halo galaktyki. Tak więc ciemna materia otacza znaną nam świecącą materię.

3 Rys.2. Soczewka grawitacyjna z uwzględnieniem halo ciemnej materii. Z kolei rys. 2 ilustruje działanie soczewki grawitacyjnej. Promieniowanie biegnące od bardzo odległego kwazara doznaje ugięcia w polu grawitacyjnym galaktyki. Silny efekt wymaga obecności wielkich mas zawartych w nie świecącym halo galaktyki. Jednym z argumentów przemawiającym za istnieniem ciemnej materii jest zbyt krótki czas, poczynając od Wielkiego Wybuchu ( 13,7 mld lat ), aby wytworzyły się galaktyki. Przyjęcie obecności ogromnej masy ciemnej materii usuwa trudności. Obserwacje kosmologiczne, w połączeniu z dobrze znanym prawem grawitacji narzucają konieczność przyjęcia istnienia ciemnej materii. Co więcej, przeprowadzone szacunki sugerują, że jest jej znacznie więcej ( 25% ) od zwykłej materii barionowej ( 5% ). Teoretyczny model tzw. supersymetrii przyjmuje możliwość istnienia ciemnych cząstek ( tzw. neutralin ) o bardzo wielkiej masie, które mogą niezwykle słabo oddziaływać z barionami ( tzn. ze znaną nam postacią materii ). Pojawia się możliwość badania bezpośrednio na ziemi tajemniczej ciemnej materii. Idea pomiaru Nasz układ słoneczny obiega centrum galaktyki z prędkością 220 km/s. Gaz ciemnej materii owiewa nas zatem z ogromną prędkością. Wobec ruchu Ziemi wokół Słońca należy do wymienionej prędkości dodać w lecie 15 km/s a w zimie tę wartość odjąć. Jest to rezultat czysto geometrycznych rozważań. Tak więc idea pomiaru polega na wykryciu powyższych oscylacji. Cała trudność sprowadza się do znalezienia detektora, który umożliwi rejestrację niezwykle rzadkich przypadków oddziaływania neutalina z jądrem atomowym. Gdy taki

4 rzadki przypadek zachodzi, w wyniku zderzenia cząstki z jądrem atomowym, to ostatnie doznaje odrzutu i uderza w sąsiednie atomy wyzwalając energię w formie ciepła lub światła. Cały problem polega na odróżnieniu tej energii od energii wydzielanej w innych pasożytniczych procesach np. rozpadzie promieniotwórczym ( świat zaśmiecony izotopami radioaktywnymi ). Niewątpliwie pomiary muszą być dokonywane na dużych głębokościach pod ziemią aby uchronić się przed promieniowaniem kosmicznym. W chwili obecnej prowadzi się 11 tego typu pomiarów w dużych zespołach międzynarodowych. Wyróżnia się głównie następujące detektory: kriogeniczne i jonizacyjno scyntylacyjne. Detektory kriogeniczne wykorzystują energię termiczną wydzielaną przy zderzeniu neutralin z jądrami atomowymi. Stosuje się tu czysty Ge lub Si w temperaturze ~ 25 mk. Do pomiaru wzrostu temperatury służą termistory. Ponadto korzysta się z nadprzewodnictwa i przekroczenia temperatury krytycznej w chwili wydzielania ciepła. W przypadku drugiego rodzaju detektorów korzystamy z tego, że w procesie zderzenia neutralin z jądrami atomowymi mogą być wybijane elektrony z sąsiednich atomów i powstają ekscymery. Po jakimś czasie jądra te wychwytują elektrony. co powoduje scyntylacje w gazach szlachetnych. I tak np. w ciekłym ksenonie błysk jest bardzo silny. Celem zabezpieczenia się przed tłem elektromagnetycznym korzysta się z detektorów nie tylko scyntylacyjnych, ale scyntylacyjno jonizacyjnych. Scyntylacje zachodzące np. w ciekłym ksenonie rejestrowane są przez fotopowielacze. Natomiast w komorze zawierającej gazowy ksenon ( w górnej części detektora ) dokonuje się ( w koincydencji ) rejestracji zachodzącej jonizacji. Jakie wyniki dotychczasowych badań? W jednym przypadku współpracy grupy włosko - chińskiej ( tzw. DAMA ) uzyskano w ciągu czterech lat pomiarów efekt oscylacji lato zima. Niemniej wyniki przyjmowane są z dużą rezerwą powszechnie uważa się, że pojawiły się tu pasożytnicze efekty.

5 Rys. 3. Przekrój czynny na oddziaływanie cząstki ciemnej materii z barionem w zależności od jej masy. Wyrysowane krzywe określają granice czułości detektorów stosowanych przez różne międzynarodowe grupy badawcze. O stopniu trudności wymownie informuje rys. 3. Przedstawia on prawdopodobieństwo oddziaływania neutrlina z jądrem atomowym w zależności od jego masy. Na rysunku zaznaczono granice wykrywalności efektu przez detektory konstruowane przez różne zespoły badawcze, W Wielkiej Brytanii projektowany detektor zawierający 10 ton Xe. MOND Modified Newtonian Dynamics Astronomowie szacują ilość materii we Wszechświecie na dwa sposoby. Po pierwsze, zliczają wszystko, co widać. Po drugie, wyznaczają jak szybko poruszają się widoczne ciała, i na podstawie praw fizycznych wyliczają, jakiej masy potrzeba, aby wytworzyć grawitację konieczną do ich powiązania.. Niestety obie metody dają odmienne wyniki. Na ogół wyciągają z tego wniosek o istnieniu ciemnej materii.

6 Rys. 4. Proponowana w MOND modyfikacja II Zasady Newtona. Pojawiła się idea ( M. Milgram ), że może problem tkwi nie w ilości materii a w prawach fizyki. Autor zaproponował modyfikację drugiej zasady dynamiki Newtona ( rys. 4 ). Modyfikacja ta, znana jako MOND, radzi sobie ze wspomnianymi danymi obserwacyjnym. Napotyka jednak również na poważne trudności. Wymieńmy choć dwa zastrzeżenia : - Jest to model fenomenologiczny nie opiera się na zasadach fundamentalnych. - Nie stosuje się w przypadku, gdy a < a o, ( a o = 1 A/s 2 ) a jednak występują bardzo wielkie prędkości.. Ciemna energia i przyszłość Wszechświata? W astronomii przyjmuje się jako tzw. wzorcowe świece supernowe typu 1a, których jasność określa ich odległość. Są to wybuchy naturalnych bomb termojądrowych, które pojawiają się, gdy gwiazdy wygasają. Supernowa osiąga maksymalną jasność po trzech tygodniach a następnie rozpoczyna się trwający kilka miesięcy zanik jasności. Jaśniejsze wybuchy trwają trochę dłużej niż słabsze. Ponadto przesunięcie dopplerowskie rejestrowanego widma informuje o prędkości oddalania się. Z obserwacji odległych wybuchających supernowych wynika, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Może to oznaczać, że rozpycha go nieznana, egzotyczna forma energii. Już w 1998 r. zaczęto podejrzewać, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Obserwując jeszcze dalsze supernowe odkryto, że przed fazą przyspieszenia ekspansji Wszechświat przeszedł przez fazę jej spowalniania tak jak to przewidzieli kosmolodzy. Jak twierdzą kosmolodzy, dokładne

7 określenie momentu, w którym skończyło się zwalnianie, a zaczęło przyspieszanie, pozwoli poznać naturę ciemnej energii oraz przyszłe losy Wszechświata. Teoretycy twierdzą, ze tzw. pusta przestrzeń w rzeczywistości wypełniona jest cząstkami elementarnymi, które pojawiają się i znikają zbyt szybko, aby można je było bezpośrednio wykryć. Ich obecność jest efektem działania podstawowej zasady mechaniki kwantowej w połączeniu ze szczególną teorią względności: nic nie jest dokładne, nawet nicość. Sumaryczna energia związana z tymi wirtualnymi cząstkami wywierałaby, podobnie jak inne formy energii, siłę grawitacyjną przyciągającą albo odpychająca w zależności od praw fizycznych, których jeszcze nie udało się nam zrozumieć. W skalach makroskopowych energia ta działałaby jak stała kosmologiczna zaproponowana przez Alberta Einsteina. Rys. 5. Krzywe określające przyszłe losy Wszechświata. Dla względnej gęstości materii Q > 1 przewidywany kolaps; dla Q = 1 znany nam Wszechświat płaski ; dla Q < 1 rosnący Wszechświat; t o chwila obecna. Górna krzywa przerywana uwzględnia wzrost ekspansji.. W tym miejscu należy nawiązać do modeli Friedmana ( rys. 5 ). Przyspieszenie ekspansji wskazuje, że nie grozi nam ponownie kolaps Wszechświata do jednego punktu. Raczej należy oczekiwać ciągłej, ekspansji, a w dalekiej przyszłości będą już zapewne tylko fotony.

8

9

10 tylko fotony.

11