IzpÄtiet noslÄpumainÄs melno caurumu un tumÅ”Äs matÄrijas sfÄras ā neredzamos spÄkus, kas veido Visumu. Å Ä« rokasgrÄmata aptver to dabu, atklÄÅ”anu un ietekmi uz kosmisko evolÅ«ciju.
Kosmosa atklÄÅ”ana: Melno caurumu un tumÅ”Äs matÄrijas padziļinÄta izpÄte
Visums, plaÅ”s un bijÄ«bu iedvesmojoÅ”s plaÅ”ums, glabÄ neskaitÄmus noslÄpumus, kas turpina aizraut zinÄtniekus un iedvesmot apbrÄ«nu. Starp intriÄ£ÄjoÅ”Äkajiem ir melnie caurumi un tumÅ”Ä matÄrija ā divas mÄ«klainas parÄdÄ«bas, kurÄm ir milzÄ«ga ietekme uz kosmosu, taÄu tÄs lielÄkoties paliek neredzamas. Å Ä« visaptveroÅ”Ä rokasgrÄmata iedziļinÄsies Å”o debesu parÄdÄ«bu dabÄ, pÄtot to veidoÅ”anos, Ä«paŔības un pastÄvÄ«gos centienus izprast to lomu mÅ«su novÄrotÄ Visuma veidoÅ”anÄ.
Melnie caurumi: Kosmiskie putekļsÅ«cÄji
Kas ir melnie caurumi?
Melnie caurumi ir laiktelpas reÄ£ioni, kuros ir tik spÄcÄ«ga gravitÄcijas ietekme, ka nekas ā pat daļiÅas un elektromagnÄtiskais starojums, piemÄram, gaisma ā nevar no tiem izkļūt. VispÄrÄ«gÄ relativitÄtes teorija paredz, ka pietiekami kompakta masa var deformÄt laiktelpu, veidojot melno caurumu. "Neatgriezeniskuma punkts" ir pazÄ«stams kÄ notikumu horizonts ā robeža, aiz kuras izkļūt nav iespÄjams. MelnÄ cauruma centrÄ atrodas singularitÄte ā bezgalÄ«ga blÄ«vuma punkts, kurÄ mums zinÄmie fizikas likumi sabrÅ«k.
IedomÄjieties kosmisko putekļsÅ«cÄju, kas bez mitas iesÅ«c visu, kas pietuvojas pÄrÄk tuvu. TÄds bÅ«tÄ«bÄ ir melnais caurums. To milzÄ«gÄ gravitÄcija izliec telpu un laiku ap tiem, radot deformÄcijas, kuras var novÄrot un pÄtÄ«t.
Melno caurumu veidoÅ”anÄs
Melnie caurumi veidojas dažÄdos procesos:
- ZvaigžÅu masas melnie caurumi: Tie veidojas no masÄ«vu zvaigžÅu gravitÄcijas sabrukuma to mūža beigÄs. Kad zvaigzne, kas ir daudzas reizes masÄ«vÄka par mÅ«su Sauli, iztÄrÄ savu kodoldegvielu, tÄ vairs nespÄj pretoties savai gravitÄcijai. Kodols sabrÅ«k uz iekÅ”u, saspiežot zvaigznes materiÄlu neticami mazÄ telpÄ un radot melno caurumu. Å o sabrukumu bieži pavada supernovas sprÄdziens, kas izkliedÄ zvaigznes ÄrÄjos slÄÅus kosmosÄ.
- SupermasÄ«vie melnie caurumi (SMBH): Å ie kolosÄlie melnie caurumi atrodas vairuma, ja ne visu, galaktiku centros. To masas svÄrstÄs no miljoniem lÄ«dz miljardiem reižu lielÄkÄm par Saules masu. To veidoÅ”anÄs precÄ«zie mehÄnismi joprojÄm tiek pÄtÄ«ti, bet galvenÄs teorijas ietver mazÄku melno caurumu apvienoÅ”anos, milzÄ«gu gÄzes un putekļu daudzumu akrÄciju vai masÄ«vu gÄzes mÄkoÅu tieÅ”u sabrukumu agrÄ«najÄ VisumÄ.
- VidÄjas masas melnie caurumi (IMBH): Ar masÄm starp zvaigžÅu masas un supermasÄ«vajiem melnajiem caurumiem, IMBH ir retÄk sastopami un grÅ«tÄk atklÄjami. Tie var veidoties, saplÅ«stot zvaigžÅu masas melnajiem caurumiem blÄ«vÄs zvaigžÅu kopÄs vai sabrÅ«kot ļoti masÄ«vÄm zvaigznÄm agrÄ«najÄ VisumÄ.
- PrimordiÄlie melnie caurumi: Å ie ir hipotÄtiski melnie caurumi, kas, domÄjams, izveidojÄs neilgi pÄc LielÄ sprÄdziena ekstrÄmu blÄ«vuma svÄrstÄ«bu dÄļ agrÄ«najÄ VisumÄ. To pastÄvÄÅ”ana joprojÄm ir spekulatÄ«va, bet tie potenciÄli varÄtu veidot daļu no tumÅ”Äs matÄrijas.
Melno caurumu īpaŔības
- Notikumu horizonts: Robeža, kas nosaka reÄ£ionu, no kura izkļūt nav iespÄjams. TÄs izmÄrs ir tieÅ”i proporcionÄls melnÄ cauruma masai.
- SingularitÄte: BezgalÄ«ga blÄ«vuma punkts melnÄ cauruma centrÄ, kur laiktelpa ir bezgalÄ«gi izliekta.
- Masa: GalvenÄ melnÄ cauruma Ä«paŔība, kas nosaka tÄ gravitÄcijas spÄka stiprumu un notikumu horizonta lielumu.
- LÄdiÅÅ”: TeorÄtiski melnajiem caurumiem var bÅ«t elektriskais lÄdiÅÅ”, bet sagaidÄms, ka astrofizikÄlie melnie caurumi ir gandrÄ«z neitrÄli, jo apkÄrtÄjÄ plazma efektÄ«vi neitralizÄ lÄdiÅu.
- GrieÅ”anÄs: Paredzams, ka vairums melno caurumu griežas, kas ir leÅÄ·iskÄ momenta saglabÄÅ”anÄs rezultÄts to veidoÅ”anÄs laikÄ. GriežoÅ”iem melnajiem caurumiem, kas pazÄ«stami arÄ« kÄ Kera melnie caurumi, ir sarežģītÄka laiktelpas Ä£eometrija nekÄ negriežoÅ”iem (Å varcÅ”ilda) melnajiem caurumiem.
Melno caurumu atklÄÅ”ana
TÄ kÄ melnie caurumi neizstaro gaismu, tos ir ļoti grÅ«ti atklÄt tieÅ”i. TomÄr to klÄtbÅ«tni var secinÄt, izmantojot vairÄkas netieÅ”as metodes:
- GravitÄcijas lÄcoÅ”ana: Melnie caurumi var izliekt gaismas ceļu no attÄliem objektiem, palielinot un izkropļojot to attÄlus. Å Ä« parÄdÄ«ba, kas pazÄ«stama kÄ gravitÄcijas lÄcoÅ”ana, sniedz pierÄdÄ«jumus par masÄ«vu objektu, tostarp melno caurumu, klÄtbÅ«tni.
- AkrÄcijas diski: MatÄrijai spirÄlveidÄ iekrÄ«tot melnajÄ caurumÄ, tÄ veido virpuļojoÅ”u gÄzes un putekļu disku, ko sauc par akrÄcijas disku. Berzes dÄļ materiÄls akrÄcijas diskÄ tiek uzkarsÄts lÄ«dz ekstrÄmÄm temperatÅ«rÄm, izstarojot intensÄ«vu starojumu, tostarp rentgenstarus, kurus var uztvert ar teleskopiem.
- GravitÄcijas viļÅi: Divu melno caurumu apvienoÅ”anÄs rada viļÅoÅ”anos laiktelpÄ, ko sauc par gravitÄcijas viļÅiem. Å os viļÅus var uztvert ar specializÄtiem instrumentiem, piemÄram, LIGO (LÄzera interferometra gravitÄcijas viļÅu observatorija) un Virgo, sniedzot tieÅ”us pierÄdÄ«jumus par melno caurumu esamÄ«bu un Ä«paŔībÄm.
- ZvaigžÅu orbÄ«tas: NovÄrojot zvaigžÅu orbÄ«tas ap Ŕķietami tukÅ”u punktu kosmosÄ, astronomi var secinÄt par supermasÄ«va melnÄ cauruma klÄtbÅ«tni galaktikas centrÄ. Spilgts piemÄrs ir StrÄlnieka A* (Sgr A*) melnais caurums Piena Ceļa centrÄ.
Notikumu horizonta teleskops (EHT)
Notikumu horizonta teleskops (EHT) ir globÄls radioteleskopu tÄ«kls, kas darbojas kopÄ, lai izveidotu virtuÄlu Zemes lieluma teleskopu. 2019. gadÄ EHT sadarbÄ«bas grupa publicÄja pirmo melnÄ cauruma attÄlu, konkrÄti ā supermasÄ«vÄ melnÄ cauruma attÄlu M87 galaktikas centrÄ. Å is revolucionÄrais sasniegums sniedza tieÅ”u vizuÄlu pierÄdÄ«jumu melno caurumu esamÄ«bai un apstiprinÄja daudzas vispÄrÄ«gÄs relativitÄtes teorijas prognozes. TurpmÄkie attÄli ir vÄl vairÄk uzlabojuÅ”i mÅ«su izpratni par Å”iem mÄ«klainajiem objektiem.
Ietekme uz galaktiku evolūciju
SupermasÄ«vajiem melnajiem caurumiem ir izŔķiroÅ”a loma galaktiku evolÅ«cijÄ. Tie var regulÄt zvaigžÅu veidoÅ”anos, ievadot enerÄ£iju un impulsu apkÄrtÄjÄ gÄzÄ, neļaujot tai sabrukt, lai veidotu jaunas zvaigznes. Å im procesam, kas pazÄ«stams kÄ aktÄ«vÄ galaktikas kodola (AGN) atgriezeniskÄ saite, var bÅ«t bÅ«tiska ietekme uz galaktiku izmÄru un morfoloÄ£iju.
TumÅ”Ä matÄrija: NeredzamÄ kosmosa roka
Kas ir tumÅ”Ä matÄrija?
TumÅ”Ä matÄrija ir hipotÄtiska matÄrijas forma, kas, domÄjams, veido aptuveni 85% no matÄrijas VisumÄ. AtŔķirÄ«bÄ no parastÄs matÄrijas, kas mijiedarbojas ar gaismu un citu elektromagnÄtisko starojumu, tumÅ”Ä matÄrija neizstaro, neabsorbÄ un neatstaro gaismu, padarot to neredzamu teleskopiem. TÄs pastÄvÄÅ”ana tiek secinÄta no tÄs gravitÄcijas ietekmes uz redzamo matÄriju, piemÄram, no galaktiku rotÄcijas lÄ«knÄm un Visuma lielmÄroga struktÅ«ras.
IedomÄjieties to kÄ neredzamu karkasu, kas satur kopÄ galaktikas. Bez tumÅ”Äs matÄrijas galaktikas to rotÄcijas Ätruma dÄļ izjuktu. TumÅ”Ä matÄrija nodroÅ”ina papildu gravitÄcijas spÄku, kas nepiecieÅ”ams, lai tÄs saglabÄtu neskartas.
PierÄdÄ«jumi par tumÅ”Äs matÄrijas esamÄ«bu
PierÄdÄ«jumi par tumÅ”Äs matÄrijas esamÄ«bu nÄk no dažÄdiem novÄrojumiem:
- Galaktiku rotÄcijas lÄ«knes: Zvaigznes un gÄze galaktiku ÄrÄjos reÄ£ionos riÅÄ·o ÄtrÄk, nekÄ varÄtu sagaidÄ«t, pamatojoties uz redzamÄs matÄrijas daudzumu. Tas liecina par neredzamas masas komponentes ā tumÅ”Äs matÄrijas ā klÄtbÅ«tni, kas nodroÅ”ina papildu gravitÄcijas pievilkÅ”anos.
- GravitÄcijas lÄcoÅ”ana: KÄ minÄts iepriekÅ”, masÄ«vi objekti var izliekt gaismas ceļu no attÄlÄm galaktikÄm. Izliekuma apjoms ir lielÄks, nekÄ to var izskaidrot tikai ar redzamo matÄriju, kas norÄda uz tumÅ”Äs matÄrijas klÄtbÅ«tni.
- Kosmiskais mikroviļÅu fons (KMF): KMF ir LielÄ sprÄdziena pÄcspÄ«dÄÅ”ana. KMF svÄrstÄ«bas sniedz informÄciju par matÄrijas un enerÄ£ijas sadalÄ«jumu agrÄ«najÄ VisumÄ. Å Ä«s svÄrstÄ«bas liecina par ievÄrojama daudzuma ne-barioniskÄs (kas nav veidota no protoniem un neitroniem) tumÅ”Äs matÄrijas klÄtbÅ«tni.
- LielmÄroga struktÅ«ra: TumÅ”ajai matÄrijai ir izŔķiroÅ”a loma lielmÄroga struktÅ«ru veidoÅ”anÄ VisumÄ, piemÄram, galaktikÄs, galaktiku kopÄs un superkopÄs. SimulÄcijas rÄda, ka tumÅ”Äs matÄrijas halo nodroÅ”ina gravitÄcijas karkasu Å”o struktÅ«ru veidoÅ”anai.
- Lodes kopa: Lodes kopa ir divu sadÅ«ruÅ”os galaktiku kopu pÄris. KarstÄ gÄze kopÄs ir palÄninÄjusies sadursmes rezultÄtÄ, savukÄrt tumÅ”Ä matÄrija ir izgÄjusi cauri relatÄ«vi netraucÄti. Å Ä« tumÅ”Äs matÄrijas un parastÄs matÄrijas atdalÄ«Å”anÄs sniedz spÄcÄ«gus pierÄdÄ«jumus tam, ka tumÅ”Ä matÄrija ir reÄla viela, nevis tikai gravitÄcijas modifikÄcija.
Kas varÄtu bÅ«t tumÅ”Ä matÄrija?
TumÅ”Äs matÄrijas daba ir viens no lielÄkajiem mÅ«sdienu fizikas noslÄpumiem. Ir ierosinÄti vairÄki kandidÄti, bet neviens no tiem nav galÄ«gi apstiprinÄts:
- VÄji mijiedarbojoÅ”Äs masÄ«vÄs daļiÅas (WIMP): WIMP ir hipotÄtiskas daļiÅas, kas mijiedarbojas ar parasto matÄriju caur vÄjo kodolspÄku un gravitÄciju. TÄs ir vadoÅ”ais kandidÄts tumÅ”ajai matÄrijai, jo tÄs dabiski rodas dažos daļiÅu fizikas Standarta modeļa paplaÅ”inÄjumos. Daudzi eksperimenti meklÄ WIMP, izmantojot tieÅ”o detektÄÅ”anu (to mijiedarbÄ«bas ar parasto matÄriju atklÄÅ”ana), netieÅ”o detektÄÅ”anu (to anihilÄcijas produktu atklÄÅ”ana) un paÄtrinÄtÄju ražoÅ”anu (to radÄ«Å”ana daļiÅu paÄtrinÄtÄjos).
- Aksioni: Aksioni ir vÄl viena hipotÄtiska daļiÅa, kas sÄkotnÄji tika ierosinÄta, lai atrisinÄtu problÄmu stiprajÄ kodolspÄkÄ. Tie ir ļoti viegli un vÄji mijiedarbojas, padarot tos par labu kandidÄtu aukstajai tumÅ”ajai matÄrijai. VairÄki eksperimenti meklÄ aksionus, izmantojot dažÄdas metodes.
- MasÄ«vi kompakti halo objekti (MACHO): MACHO ir makroskopiski objekti, piemÄram, melnie caurumi, neitronu zvaigznes un brÅ«nie punduri, kas potenciÄli varÄtu veidot tumÅ”o matÄriju. TomÄr novÄrojumi ir izslÄguÅ”i MACHO kÄ dominÄjoÅ”o tumÅ”Äs matÄrijas formu.
- Sterilie neitrÄ«no: Sterilie neitrÄ«no ir hipotÄtiskas daļiÅas, kas nemijiedarbojas ar vÄjo kodolspÄku. Tie ir smagÄki par parastajiem neitrÄ«no un potenciÄli varÄtu veidot daļu no tumÅ”Äs matÄrijas.
- ModificÄtÄ Å Å«tona dinamika (MOND): MOND ir alternatÄ«va gravitÄcijas teorija, kas apgalvo, ka gravitÄcija uzvedas atŔķirÄ«gi pie ļoti zemiem paÄtrinÄjumiem. MOND var izskaidrot galaktiku rotÄcijas lÄ«knes bez tumÅ”Äs matÄrijas nepiecieÅ”amÄ«bas, bet tai ir grÅ«tÄ«bas izskaidrot citus novÄrojumus, piemÄram, KMF un Lodes kopu.
TumÅ”Äs matÄrijas meklÄjumi
TumÅ”Äs matÄrijas meklÄjumi ir viena no aktÄ«vÄkajÄm pÄtniecÄ«bas jomÄm astrofizikÄ un daļiÅu fizikÄ. ZinÄtnieki izmanto dažÄdas metodes, lai mÄÄ£inÄtu atklÄt tumÅ”Äs matÄrijas daļiÅas:
- TieÅ”Äs detektÄÅ”anas eksperimenti: Å o eksperimentu mÄrÄ·is ir atklÄt tumÅ”Äs matÄrijas daļiÅu tieÅ”u mijiedarbÄ«bu ar parasto matÄriju. Tie parasti atrodas dziļi pazemÄ, lai pasargÄtu tos no kosmiskajiem stariem un cita fona starojuma. PiemÄri ir XENON, LUX-ZEPLIN (LZ) un PandaX.
- NetieÅ”Äs detektÄÅ”anas eksperimenti: Å ie eksperimenti meklÄ tumÅ”Äs matÄrijas daļiÅu anihilÄcijas produktus, piemÄram, gamma starus, antimatÄrijas daļiÅas un neitrÄ«no. PiemÄri ir Fermi Gamma staru kosmiskais teleskops un IceCube neitrÄ«no observatorija.
- PaÄtrinÄtÄju eksperimenti: Lielais hadronu paÄtrinÄtÄjs (LHC) CERN tiek izmantots, lai meklÄtu tumÅ”Äs matÄrijas daļiÅas, radot tÄs augstas enerÄ£ijas sadursmÄs.
- Astrofiziskie novÄrojumi: Astronomi izmanto teleskopus, lai pÄtÄ«tu tumÅ”Äs matÄrijas izplatÄ«bu galaktikÄs un galaktiku kopÄs, izmantojot gravitÄcijas lÄcoÅ”anu un citas metodes.
TumÅ”Äs matÄrijas pÄtniecÄ«bas nÄkotne
TumÅ”Äs matÄrijas meklÄjumi ir ilgs un sarežģīts pasÄkums, bet zinÄtnieki nepÄrtraukti virzÄs uz priekÅ”u. Tiek izstrÄdÄti jauni eksperimenti ar uzlabotu jutÄ«bu un ierosinÄti jauni teorÄtiskie modeļi. TumÅ”Äs matÄrijas atklÄÅ”ana revolucionizÄtu mÅ«su izpratni par Visumu un potenciÄli varÄtu novest pie jaunÄm tehnoloÄ£ijÄm.
MijiedarbÄ«ba starp melnajiem caurumiem un tumÅ”o matÄriju
Lai gan Ŕķietami atŔķirÄ«gi, melnie caurumi un tumÅ”Ä matÄrija, visticamÄk, ir savstarpÄji saistÄ«ti vairÄkos veidos. PiemÄram:
- SupermasÄ«vo melno caurumu veidoÅ”anÄs: TumÅ”Äs matÄrijas halo varÄtu bÅ«t nodroÅ”inÄjuÅ”i sÄkotnÄjÄs gravitÄcijas sÄklas supermasÄ«vo melno caurumu veidoÅ”anai agrÄ«najÄ VisumÄ.
- TumÅ”Äs matÄrijas anihilÄcija pie melnajiem caurumiem: TumÅ”Äs matÄrijas daļiÅas, ja tÄs pastÄv, varÄtu tikt gravitacionÄli piesaistÄ«tas melnajiem caurumiem. Augsta tumÅ”Äs matÄrijas koncentrÄcija pie melnajiem caurumiem varÄtu izraisÄ«t paaugstinÄtus anihilÄcijas Ätrumus, radot nosakÄmus signÄlus.
- PrimordiÄlie melnie caurumi kÄ tumÅ”Ä matÄrija: KÄ minÄts iepriekÅ”, primordiÄlie melnie caurumi ir hipotÄtisks melno caurumu veids, kas varÄja izveidoties agrÄ«najÄ VisumÄ un varÄtu veidot daļu no tumÅ”Äs matÄrijas.
Izpratne par mijiedarbÄ«bu starp melnajiem caurumiem un tumÅ”o matÄriju ir izŔķiroÅ”a, lai izveidotu pilnÄ«gu priekÅ”statu par kosmosu. NÄkotnes novÄrojumi un teorÄtiskie modeļi neapÅ”aubÄmi sniegs vairÄk gaismas Å”ajÄ aizraujoÅ”ajÄ saistÄ«bÄ.
NoslÄgums: MÅ«s gaida noslÄpumu pilns Visums
Melnie caurumi un tumÅ”Ä matÄrija ir divi no dziļÄkajiem noslÄpumiem mÅ«sdienu astrofizikÄ. Lai gan par Ŕīm mÄ«klainajÄm parÄdÄ«bÄm vÄl daudz kas nav zinÄms, notiekoÅ”ie pÄtÄ«jumi neatlaidÄ«gi atklÄj to noslÄpumus. No pirmÄ melnÄ cauruma attÄla lÄ«dz arvien intensÄ«vÄkiem tumÅ”Äs matÄrijas daļiÅu meklÄjumiem, zinÄtnieki paplaÅ”ina mÅ«su izpratnes robežas par Visumu. Melno caurumu un tumÅ”Äs matÄrijas izpratnes meklÄjumi nav tikai zinÄtnisku mÄ«klu risinÄÅ”ana; tas ir par realitÄtes fundamentÄlÄs dabas un mÅ«su vietas plaÅ”ajÄ kosmiskajÄ gobelÄnÄ izpÄti. TehnoloÄ£ijÄm attÄ«stoties un veicot jaunus atklÄjumus, mÄs varam gaidÄ«t nÄkotni, kurÄ kosmosa noslÄpumi tiks pakÄpeniski atklÄti, atsedzot slÄpto skaistumu un sarežģītÄ«bu VisumÄ, kurÄ mÄs dzÄ«vojam.