Distribucija i detekcija tamne materije u kosmosu

Дистрибуција и детекција тамне материје у

космосу

дипломски рад

Ментор:

Кандидат:

Проф. др Душан Мрђа Александра Божиловић

Нови Сад, 2021.

УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ

ПРИРОДНО-МАТЕМАТИЧКИ

ФАКУЛТЕТ

ДЕПАРТМАН ЗА ФИЗИКУ

Дистрибуција и детекција тамне материје у космосу

Овим путем желим да се захвалим свом ментору проф. др Душану Мрђи на великој

помоћи, бескрајном стрпљењу и разумевању приликом израде овог рада.

Захваљујем се својој породици и пријатељима који су увек били уз мене и пружали ми

подршку и помоћ.

Дистрибуција и детекција тамне материје у космосу

Увод

Начини кретања објеката у свемиру не поклапају се увек са претходно

створеним  теоријским  предвиђањима  о  њима.  Овај  јаз,  између  стварних  и  теоријски
претпостављених  резултата,  премошћен  је  тако  што  је  уведен  појам  тамне  материје.
Ова  хипотетичка  врста  материје  гравитационо  интерагује  са  видљивом  материјом  у
космосу, али сама не емитује нити апсорбује електромагнетно зрачење.

Данашње процене говоре нам да видљива материја чини само око 5% садржаја

свемира, док остатак сачињавају тамна материја – око 26% и тамна енергија – око 69%.
Постоје разне теорије о томе шта би тамна материја могла да буде, али ниједна још
није поткрепљена јасним доказима.

У овом раду је планиран приказ актуелног стања у овој области, укључујући и

методе детекције тамне материје, али и поједностављено моделирање ротационе криве
спиралне галаксије, у циљу добијања одговарајућих квантитативних резултата. Такође,
циљ је да се применом Монте-Карло симулација добије одговарајући спектар CaWO

детектора у интеракцији са космичким неутронима, имајући у виду да такви догађаји
представљају фон, односно ометајуће догађаје за могућу детекцију честица тамне
материје, тачније WIMP-ова (слабоинтерагујућих масивних честица).

Дистрибуција и детекција тамне материје у космосу

Видљива и невидљива материја

1.1

Кратак историјски увод

Лорд Келвин, шкотско-ирски физичар, био је један од првих научника који је,

крајем XIX века, покушао да процени број невидљивих (,,тамних“) тела у Млечном
путу. Посматрао је и мерио дисперзију брзине кружења звездa око језгра галаксије, а
ови подаци омогућили су му да процени њену укупну масу. Испоставило се да постоји
разлика између масе коју je прорачунао и укупне масе звезда које можемо видети. На
једном од својих предавања закључио је да „многе наше звезде, можда велика већина
њих, могу бити тамна тела“.

Анри Поанкаре (Henri Poincaré), француски математичар и физичар,

коментаришући идеје лорда Келвина у свом делу „Млечни пут и теорија гасова“ из
1906, експлицитно је искористио израз „тамна материја“, или на француском „matière
obscure“.

Швајцарско-амерички астроном Фриц Цвики (Fritz Zwicky) вероватно је

најпознатији пионир у области проучавања тамне материје. Када је 1933. године
проучавао јато галаксија Кома, утврдио је да оно не садржи довољно видљиве материје
да се одржи на окупу. Он је запазио да би осамсто галаксија које је издвојио требало да
има дисперзију брзине од 80 km/s, међутим стварна вредност била је ближа 1000 km/s.
Да се ове галаксије не би разлетеле, тј. да се јато не би у потпуности расуло, маса овог
јата би морала да буде огромна.

Цвики је на основу добијених резултата у свом раду закључио: ,,Ако би ово

било потврђено, добили бисмо изненађујући резултат да је тамна материја присутна у
много већој количини од луминозне материје.“ Откриће Фрица Цвикија, међутим, није
било нарочито цењено и остало је непримећено наредних 40ак година.

Као и други пре њега, Цвики је и претпостављао да се тамна материја састоји од

ствари попут хладних звезда, других чврстих тела и гасова. Научна заједница до тада
није имала убедљиве доказе да би ова недостајућа маса могла бити било шта друго.

Потрага за тамном материјом истински је почела тек 70-их година прошлог века

када је америчка астрономкиња Вера Рубин открила сличан проблем са недостајућом
масом, проучавајући ротационе криве спиралних галаксија, о чему ће детаљније бити
речи у поглављима која следе. У најкраћим цртама, Рубин је открила да су се звезде у
далеким спољним регионима ових спиралних галаксија кретале невероватно брзо,
односно једнаким брзинама као и звезде близу галактичког центра, што је било
противно свим прорачунима.

Њено откриће показало је да галаксије морају садржати око десет пута више

„тамне“ масе него што се може објаснити видљивим звездама. Укратко, најмање
деведесет посто масе у галаксијама, па самим тим и у космосу, је невидљиво и
неидентификовано.

Током 1970-их година, и други научници су, упркос почетном скептицизму,

потврдили ове налазе. Откриће је подстакло постепену промену у начину на који је
тамна материја замишљана. Више на њу није гледано само као на неоткривене хладне
звезде и чврста тела, већ као на материјал који сачињава већину универзума.

Дистрибуција и детекција тамне материје у космосу

1.3

Ротационе криве галаксија

Спиралне галаксије представљају скупине великог броја звезда у облику

спљоштеног ротирајућег диска (слика 1). Ротациона крива галаксије приказује брзину
материје која ротира у спиралном диску, у зависности од радијуса од центра.

Брзина ротације појединих звезда око центра галаксије одређује се из услова за

стабилну орбиту. На основу једнакости центрифугалне и гравитационе силе

???

брзина ротације је дата са

?(?) = √

где

, означава укупну масу у оквиру радијуса

. Ефекти утицаја масе изван радијуса

поништавају се међусобно у случају идеалне сферне или цилиндричне симетрије. У

првој апроксимацији, за језгро галаксије се може претпоставити да је сферно, тј.

= ?̅

4
3