¿Qué es la materia negra? teoría de la materia oscura

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Última modificación: 2024-02-12 06:08

¿Qué fue primero: el huevo o la gallina? Los científicos de todo el mundo han estado luchando con esta simple pregunta durante décadas. Surge una pregunta similar sobre lo que fue al principio, en el momento de la creación del Universo. Pero, ¿fue esta creación, o los universos son cíclicos o infinitos? ¿Qué es la materia negra en el espacio y en qué se diferencia de la materia blanca? Dejando de lado varios tipos de religión, intentemos acercarnos a las respuestas a estas preguntas desde un punto de vista científico. En los últimos años, los científicos han logrado hacer lo impensable. Probablemente por primera vez en la historia, los cálculos de los físicos teóricos coincidieron con los cálculos de los físicos experimentales. Varias teorías diferentes se han presentado a la comunidad científica a lo largo de los años. Sin embargo, con mayor o menor precisión, de manera empírica, a veces casi científica, los datos teóricos calculados fueron confirmados por experimentos, algunos incluso con un retraso de más de una docena de años (el bosón de Higgs, por ejemplo).

Materia oscura - energía negra

Hay muchas teorías de este tipo, por ejemplo: Teoría de cuerdas, Teoría del Big Bang, Teoría del universo cíclico, Teoría del universo paralelo, Dinámica newtoniana modificada (MOND), F. Hoyle y otros. Sin embargo, en la actualidad se considera generalmente aceptada la teoría de un Universo en constante expansión y evolución, cuyas tesis encajan bien en el marco del concepto del Big Bang. Al mismo tiempo, casi empíricamente (es decir, empíricamente, pero con grandes tolerancias y con base en las teorías modernas existentes sobre la estructura del microcosmos), se obtuvieron datos de que todas las micropartículas que conocemos representan solo el 4,02% del volumen total de toda la composición del Universo. Este es el llamado "cóctel bariónico", o materia bariónica. Sin embargo, la mayor parte de nuestro Universo (más del 95%) son sustancias de un plan diferente, composición y propiedades diferentes. Esta es la llamada materia negra y energía negra. Se comportan de manera diferente: reaccionan de manera diferente a varios tipos de reacciones, no están fijados por los medios técnicos existentes y exhiben propiedades previamente inexploradas. De esto podemos concluir que estas sustancias obedecen a otras leyes de la física (física no newtoniana, un análogo verbal de la geometría no euclidiana), o nuestro nivel de desarrollo de la ciencia y la tecnología está solo en la etapa inicial de su formación.

¿Qué son los bariones?

Según el modelo actual de interacciones fuertes entre quarks y gluones, solo hay dieciséis partículas elementales (y el reciente descubrimiento del bosón de Higgs lo confirma): seis tipos (sabores) de quarks, ocho gluones y dos bosones. Los bariones son partículas elementales pesadas con una fuerte interacción. Los más famosos son los quarks, los protones y los neutrones. Familias de tales sustancias, que difieren engiro, masas, su "color", así como los números de "encantamiento", "extrañeza", son precisamente los bloques de construcción de lo que llamamos materia bariónica. La materia negra (oscura), que constituye el 21,8 % de la composición total del Universo, se compone de otras partículas que no emiten radiación electromagnética y no reaccionan con ella de ninguna manera. Por tanto, al menos para la observación directa, y más aún para el registro de tales sustancias, es necesario primero comprender su física y acordar las leyes a las que obedecen. Muchos científicos modernos están haciendo esto actualmente en institutos de investigación de todo el mundo.

La opción más probable

¿Qué sustancias se consideran posibles? Para empezar, cabe señalar que solo hay dos opciones posibles. Según GR y SRT (Relatividad General y Especial), en términos de composición, esta sustancia puede ser tanto materia oscura bariónica como no bariónica (negra). Según la teoría principal del Big Bang, cualquier materia existente se representa en forma de bariones. Esta tesis ha sido probada con una precisión extremadamente alta. En la actualidad, los científicos han aprendido a capturar partículas formadas un minuto después del estallido de singularidad, es decir, después de la explosión de un estado superdenso de la materia, con una masa corporal que tiende a infinito y dimensiones corporales que tienden a cero. El escenario con partículas bariónicas es el más probable, ya que de ellas se compone nuestro Universo ya través de ellas continúa su expansión. materia negra,según esta suposición, consiste en partículas básicas generalmente aceptadas por la física newtoniana, pero que por alguna razón interactúan débilmente de forma electromagnética. Por eso los detectores no los detectan.

No va tan bien

Este escenario conviene a muchos científicos, pero todavía hay más preguntas que respuestas. Si tanto la materia blanca como la negra están representadas solo por bariones, entonces la concentración de bariones ligeros como porcentaje de los pesados, como resultado de la nucleosíntesis primaria, debería ser diferente en los objetos astronómicos iniciales del Universo. Y experimentalmente, no se ha revelado la presencia en nuestra galaxia de un número suficiente de equilibrio de grandes objetos gravitatorios, como agujeros negros o estrellas de neutrones, para equilibrar la masa del halo de nuestra Vía Láctea. Sin embargo, las mismas estrellas de neutrones, halos galácticos oscuros, agujeros negros, enanas blancas, negras y marrones (estrellas en diferentes etapas de su ciclo de vida), muy probablemente, son parte de la materia oscura de la que está hecha la materia oscura. La energía negra también puede complementar su relleno, incluidos los objetos hipotéticos predichos, como los preones, los quarks y las estrellas Q.

Candidatos no bariónicos

El segundo escenario implica un origen no bariónico. Aquí, varios tipos de partículas pueden actuar como candidatos. Por ejemplo, los neutrinos ligeros, cuya existencia ya ha sido probada por los científicos. Sin embargo, su masa, del orden de una centésima a unadiezmilésima eV (electron-Volt), prácticamente las excluye de posibles partículas debido a la inalcanzabilidad de la densidad crítica necesaria. Pero los neutrinos pesados, emparejados con los leptones pesados, prácticamente no se manifiestan en interacciones débiles en condiciones normales. Dichos neutrinos se denominan estériles; con su masa máxima de hasta una décima parte de un eV, es más probable que sean candidatos a partículas de materia oscura. Se han introducido artificialmente axiones y cosmiones en ecuaciones físicas para resolver problemas de cromodinámica cuántica y en el modelo estándar. Junto con otra partícula supersimétrica estable (SUSY-LSP), bien pueden calificar como candidatas, ya que no participan en interacciones electromagnéticas y fuertes. Sin embargo, a diferencia de los neutrinos, siguen siendo hipotéticos, su existencia aún debe probarse.

Teoría de la materia negra

La f alta de masa en el Universo da lugar a diferentes teorías al respecto, algunas de las cuales son bastante consistentes. Por ejemplo, la teoría de que la gravedad ordinaria no es capaz de explicar la extraña y exorbitantemente rápida rotación de las estrellas en las galaxias espirales. A tales velocidades, simplemente saldrían volando, si no fuera por algún tipo de fuerza de retención, que aún no es posible registrar. Otras tesis de teorías explican la imposibilidad de obtener WIMPs (partículas masivas de interacción electrodébil-compañeras de subpartículas elementales, supersimétricas y superpesadas, es decir, candidatas ideales) en condiciones terrestres, ya que viven en n-dimensión, que es diferente de nuestras tres-dimensiones. uno dimensional. De acuerdo con la teoría de Kaluza-Klein, tales medidas no están disponibles para nosotros.

Estrellas cambiantes

Otra teoría describe cómo las estrellas variables y la materia negra interactúan entre sí. El brillo de una estrella de este tipo puede cambiar no solo debido a los procesos metafísicos que ocurren en su interior (pulsación, actividad cromosférica, eyección de prominencia, desbordamientos y eclipses en sistemas estelares binarios, explosión de supernova), sino también debido a las propiedades anómalas de la materia oscura.

Unidad WARP

Según una teoría, la materia oscura se puede utilizar como combustible para motores subespaciales de naves espaciales que operan con la tecnología hipotética WARP (motor WARP). Potencialmente, tales motores permiten que la nave se mueva a velocidades superiores a la velocidad de la luz. Teóricamente, son capaces de doblar el espacio delante y detrás de la nave y moverlo incluso más rápido de lo que acelera una onda electromagnética en el vacío. El barco en sí no acelera localmente, solo se dobla el campo espacial frente a él. Muchas historias de fantasía utilizan esta tecnología, como la saga Star Trek.

Crecimiento en condiciones terrestres

Los intentos de generar y obtener materia negra en la Tierra aún no han tenido éxito. Actualmente, se están realizando experimentos en el LHC (Large Andron Collider), exactamente donde se registró por primera vez el bosón de Higgs, así como en otros menos potentes, incluidos los colisionadores lineales en busca desocios estables, pero electromagnéticamente débilmente interactuantes de partículas elementales. Sin embargo, aún no se han obtenido ni fotino, ni gravitino, ni higsino, ni sneutrino (neutralino), ni otros WIMP. Según una cautelosa estimación preliminar de los científicos, para obtener un miligramo de materia oscura en condiciones terrestres, se necesita el equivalente a la energía consumida en los Estados Unidos durante el año.