3 dział – ciała niebieskie – 4.2 ciemna materia:

Składamy się z materii. Ze zwykłej materii. Czy są jakieś jej odmiany? Typy? Czy istnieje jakaś inna jej forma? Odkrycie ciemnej materii było zaskoczeniem. Nie wiadomo do końca czym jest ale na pewno musi być.

Powstanie galaktyk:

Galaktyki powstały dawno temu. Jak to się stało? Jeszcze do końca tego nie wiemy, ale ciemna materia najprawdopodobniej miała dużo z tym wspólnego.

Naukowcy mierzyli prędkości ramion niektórych spiralnych galaktyk. W niektórych przypadkach wyszło na to, że z obserwowaną prędkością te ramiona powinny już dawno opuścić galaktykę. Chyba, ze miały by kilkakrotnie większą masę. Wtedy po raz pierwszy „narodziła się” idea ciemnej materii nazwaną wówczas „brakującą masą”. Żeby galaktyki wirowały z takimi prędkościami potrzeba było zwiększyć ich masę. Widzialna materia to było kilka razy za mało.

Trudno określić czym jest ciemna materia. Jej nazwa pochodzi od tego, że jej nie widać i że jest jakąś forma materii. W większości tworzy halo galaktyk czyli kulisty obszar wokół centrum galaktyki.

Przeprowadzono symulacje komputerowe powstania galaktyk. Wpisano potrzebne dane i rozpoczęto symulacje. Spodziewano się, że uformują się piękne galaktyki, i rzeczywi8scie się uformowały, ale za chwilę się rozpadły. Nie tego to mu nie obserwujemy. Czegoś brakuje. Dodano czynnik czyli opis ciemnej materii i powtórzono symulacje. Tym razem powstały galaktyki i nie rozpadły się. Zachowywały się tak jak to obserwujemy. Symulacje zdają się więc potwierdzić tą ideę.

Czym jest ciemna materia?

Poszukiwania ciemnej materii nie są łatwe. Było wielu kandydatów na to nawet czarne dziury. Ale dziś mówi się o WIMPach i aksjonach – cząstkach egzotycznej ciemnej materii.

            Po odkryciu ciemnej materii zaczęto szukać czym ona może być. Czy to jest inna nieświecąca forma zwykłej materii? Czy składa się z takich samych cząstek? Czy może jest czymś zupełnie innym? Wiadomo, że ciemna materia stanowi dużą część masy. Tak więc w poszukiwaniu ciemnej materii wskazywano na wielu kandydatów. Były nimi m.in. neutrina. Jednak ciemna materia powinna składać się z cząstek ciężkich i zimnych, a nie szybkich i ruchliwych jak neutrina. Neutrina maja znikomą masę, ale jest ich dużo. Jednak suma mas wszystkich neutrin to za mało by były ciemną materią.

            Dziś w odniesieniu do ciemnej materii mówi się o innych cząstkach, które miałyby mieć cechy ciemnej materii. Są to WIMPy i aksjony. Nie udało się jeszcze ich zaobserwować.

Oddziaływanie ciemnej materii na zwykłą:

Ciemna materia oddziałuje ze zwykłą grawitacyjnie. Ciemna materia nie emituje ani nie odbija światła. Nie wchodzi z nim w żadne interakcje.

            Ciemna materia „daje” nadwyżkę masy, dzięki czemu galaktyki mogą pozostać w formie jakiej są wirując z dużymi prędkościami. Gdyby nie ona galaktyk by nie było. Supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki nie jest w stanie utrzymać całej galaktyki w całości. Poza grawitacyjnym oddziaływanie ciemna materia nie wchodzi w żadne interakcje. Ale można zobaczyć jej wpływ. Znamy już to, bo można dzięki temu potwierdzić istnienie czarnych dziur.

Soczewkowanie grawitacyjne:

            Ciemna materia ma dużą masę. Może więc zagiąć tor światła które „biegnie” za nią i obraz widzielibyśmy jak przez soczewkę – zostałby wzmocniony. Dzięki temu zjawisku można potwierdzić istnienie czarnych dziur. Gwiazda świecąca w nasza stronę jeśli napodka na swojej drodze masywny obiekt to tor tego światła odchyli się. Tak działa soczewka. Zakrzywia światło dostające się do siatkówki i koryguje obraz. To powstaje pod wpływem grawitacji dlatego nazywa się to soczewkowaniem grawitacyjnym. Jeśli wiec można użyc tego zjawiska do czarnych dziur można także użyć do innych masywnych obiektów.

Rozkład ciemnej materii we wszechświecie:

Gdy dokonano obrazu rozkładu ciemnej materii we wszechświecie i porównano do miejsc występowania zwykłej materii okazało się, że się pokrywają. Ciemna materia jest czym w rodzaju rusztowania dla materii którą widzimy. Można to porównać do światełek choinkowych. Z większej odległości w ciemności nie widzimy kabla, tylko zapalone lampki. Wiemy, że kabel musi tam być ale go nie widzimy. Podobnie jest z ciemną materią. Z tym, ze nie wiemy do końca czym ona jest.

Na dziś to tyle. Zapraszam na następne posty. Następny będzie o ciemnej energii, można by stwierdzić że „wroga” ciemnej materii. Jakby toczyły walkę a to kto wygra miałoby wpływ na to jak skończy się wszechświat. Ale o tym następnym razem. Dz i pozdrawiam J

3 dział – ciała niebieskie – 4.1 zwykła materia:

Wszystkie ciała niebieskie oraz my sami składamy się z materii. Czym jest więc materia? W ilu% składu wszechświata stanowi. Może jest też jakaś inna materia, odmienna od tej co znamy? W tym poście opiszę zwykłą materię, z której składamy się my, planety, gwiazdy itd.

·        Czym jest materia?

Materia z której się składamy jest jednorodna i pełna. Ale czy na pewno? Mówiąc materia mamy na myśli cząstki które mają masę i rozmiar. Ile % więc zajmują cząstki mające masę i rozmiar (materia) naszych ciał? W ok 99.9999% nasze ciała to pusta przestrzeń. Jak to możliwe? Materia składa się z atomów a te z kolei składają się z elektronów okrążających jadro atomowe. Atomy przypominają maleńkie Układy Słoneczne. Słońce to jadro, a planety odpowiadałyby elektrony krążące po orbitach elektronowych. Jest oczywiście kilka istotnych różnic. Pominę je bo do tego postu nie są wymagane te różnice. Wracając do alegorii to oprócz Słońca i planet, pomijając asteroidy i inne tego typu śmieci, jest coś jeszcze. To przestrzeń. Tu jest właśnie to „nic”. Jeśliby „wypompować” to „nic” a pozostałość upchać tak by się stykało pozostałby bardzo mały rozmiar wielkości gródki kurzu. Ale bardzo ciężkiego kurzu. Ważyłby on dokładnie tyle samo co z „niczym”. I pewnie wiele z was zada pytanie jak to możliwe, że nie zauważylibyśmy tego, przecież nasze ciała są bardzo namacalne. Przyczyną jest rozmiar atomu. Mierzy on kilka nm. Jest więc za mały by go dostrzec gołym okiem. Nasze ciała składają się z wielu bln atomów. Przez co nie widzimy pustki.

·        Z czego składa się wszechświat?

Zapewne na pytanie o to co wypełnia wszechświat odpowiemy że gwiazdy, galaktyki, materia. Ale czy mielibyśmy rację? Po części nie. Materia z której składamy się my, gwiazdy, pył to tylko 4% składu wszechświata. Od razu nasuwa się pytanie czym jest pozostałe 96%? Wszystko wskazuje na to, że 25% to ciemna materia – egzotyczna, tajemnicza forma materii, którą opisze w następnym poście. Pozostałe 71% miałaby stanowić ciemna energia, która powodowała by przyśpieszanie ekspansji wszechświata. Jej tez poświęcę jeden post.

·        Zwykła materia:

To co widzimy, materia to mniej niż 4% składu wszechświata. Wszystkie pierwiastki z układu okresowego mieszczą się w tej wartości. Składa się ona z fermionów, a siły pól tworzą bozony, a niektóre z bozonów utrzymują materię taka jaka jest. Fermiony to cząstki tworzące wszystko co znamy. Są to zarówno cząstki lekkie – leptony (elektron jest leptonem) oraz ciężkie jak bariony. Do barionów należą kwarki, które tworzą protony i neutrony (każdy proton i każdy neutron składa się z 3 kwarków). Te z kolei tworzą jądra a jądra wraz z elektronami to atomy. Różna ilość protonów odpowiada różnym pierwiastkom.

·        Powstanie materii i pierwiastków:

Jeśli chodzi o powstanie materii to nie jest to zbyt dobrze znane. Przypuszcza się, że na początku wszechświata powstały pierwsze pierwiastki – wodór, hel i śladowe ilości litu. To w jaki one sposób powstały jest trochę skomplikowane i pominiemy większość. Opisze to w skrócie i mam nadzieję że zrozumiale. Na początku po powstaniu wszechświata mogłaby wykreować się materia i antymateria. Większość anihilowałaby ze sobą (zamieniłyby się w czystą energię), ale na szczęście powstało nieco więcej cząstek niż antycząstek. Część z nich była kwarkami oraz były wolne elektrony. Kwarki po obniżeniu się temp. zaczynały się łączyć ze sobą tworząc protony i neutrony. Protony i neutrony mogły się przekształcać w siebie (poprzez zderzenia się z innymi cząstkami). Proton mógł się stać neutronem, a ten protonem. Neutron jest nieznacznie cięższy od protonu przez co po obniżaniu się energii zderzeń protonowi ciężej było się zmienić w cięższy neutron, a neutron mógł łatwo zmienić się w proton. Przez to powstało więcej protonów niż neutronów. Temperatura wszechświata była nadal bardzo wysoka. Jednak na tyle niska by mogły utworzyć się pierwsze atomy wodoru najprostsze (jeden proton w jądrze i jeden elektron). Jednak część wodoru zamieniła się w hel i lit. Ok 25% wodoru przekształciło się w hel, a litu powstało dużo mniej niż 1%. Wodoru wiec było (i jest) najwięcej. No dobrze wiemy mniej więcej jak mógł powstać wodór, hel i lit ale to tylko 3 z ponad 100 pierwiastków układu okresowego. Jak powstały inne? Odpowiedzią są gwiazdy. Tyle, że powstały one znacznie później. W jądrach gwiazd, np. Słońca dochodzi do syntezy (łączenia) wodoru w hel. W temp kilkunastu mln*C jądra atomów wodoru przekształca się w jądra atomu helu. Z tym, że masa cięższego jądra jest nieco mniejsza niż suma mas jader lżejszych z których powstają. Różnica powstaje na skutek tego, że gwiazda świeci i korzysta z energii powstałej z przemiany masy w energię. Duże gwiazdy mają większe temp niż Słońce, które jest średnią gwiazdą. Synteza cięższych pierwiastków wymaga właśnie wyższej energii niż lżejsze. Pierwsze gwiazdy składały się wyłącznie z wodoru i helu. Były bardzo masywne i niestabilne. W ich jądrach po spaleniu wodoru powiększały swoje rozmiary i rozpoczynały fuzję helu. Potem coraz cięższe pierwiastki ale tylko do żelaza. Z syntezy żelaza powstaje mniej energii, niż zużywa. W jadrach gwiazd więc powstały pierwiastki lżejsze od żelaza. Ale przecież mamy złoto, które jest cięższe od żelaza. Skąd się ono wzięło? Pierwiastki cięższe od żelaza powstały podczas wybuchów gwiazd lub ich zderzeń. W supernowych albo np. zderzeń gwiazd neutronowych powstały kolejne pierwiastki. Dziś mamy ich ponad 100. Cały układ okresowy. To tylko zwykła materia. 4% składu zadziwiającego i pięknego wszechświata.

Dziś opisałem zwykłą materię, dziękuję za przeczytanie i zapraszam na następne posty o ciemnej materii i jeszcze później ciemnej energii. Dz i pozdrawiam J