ما تخفيه المادة المظلمة ولماذا لم يتمكن العلماء من إثبات وجودها

في المسائل المتعلقة بطبيعة وخصائص المادة المظلمة ، لا يزال علماء الفلك في مرحلة مبكرة.

الدراسة ، أولا وقبل كل شيء ، لأن واقع وجودها لم يثبت بعد.

كانت نظرية وجود هذه المادةتم إطلاقه منذ أكثر من 40 عامًا كتفسير للتناقض بين كتلة جميع الكائنات المرئية في المجرة وكتلة المجرة نفسها. قرر الفلكي فيرا روبين ، الذي اكتشف الاختلاف لأول مرة ، أن هذه المادة غير المرئية شائعة للغاية ، وتتكون من جزء كبير من الكون. اليوم نحن نعرف هذه المادة كمادة مظلمة.

فيرا روبن. الصورة: معهد كارنيجي للعلوم / carnegiescience.edu

على الرغم من أن علماء الفلك لديهم ثلاثة على الأقلدليل على وجود مادة مظلمة ، ولم تنجح أي من محاولات الكشف عن الأدلة المباشرة لوجودها وتحديد خواصها.

ومع ذلك ، فإن عمل العلماء من جامعة ييل فيبقيادة بيتر فان دوكوم ، الذي نشر في مجلة نيتشر في مارس 2018 ، جعل العلماء أكثر من أي وقت مضى العلماء أقرب إلى إيجاد دليل آخر على وجود هذه المادة.

ماذا يعرف علماء الفلك عن المادة المظلمة؟

المادة المظلمة هي مادة ليست كذلكيتفاعل مع المسائل الأخرى عن طريق القوى الكهرومغناطيسية (EM) أو القوى النووية القوية. يعني عدم وجود تفاعلات كهرمغنطيسية أنه لا يمكن أن ينبعث أو يمتص أو يعكس أو ينكسر أو ينشر الضوء. هذا ، بالطبع ، يجعله موضوعًا معقدًا للمراقبة. ومع ذلك ، فإن حوالي 85 ٪ من جميع المواد في الكون هي مادة مظلمة.

حتى الآن ، ليس لدى العلماء دليل عملي على وجود المادة المظلمة بالفعل ، لكن هناك نظرية. وهنا الثلاثة الرئيسية.

منحنيات دوران المجرة

عندما يدور كائن حول الآخر ،يجب تسريع جسم ما في المدار باستمرار إلى المركز (أو بدقة أكبر ، كلاهما يتسارعان إلى مركز الكتلة المشترك بينهما). بدون هذا التسارع ، فإن الجسم المداري ببساطة يطير بعيدا.

أسرع الجسم يتحرك المداري ، ومطلوب مزيد من التسارع لإبقائه في المدار. لأنه في هذه الحالة يكون التسارع بسبب الجاذبية ، وهذا يعني أن الكتلة المركزية يجب أن تكون أكبر.

هذه المعرفة تتيح للعلماء "وزن" مختلفةأجزاء من المجرة ، بالإضافة إلى قياس سرعات الدوران ، ومقارنة الانزياحات الحمراء على جوانب الاقتراب والانحسار في المجرة. عند الترجيح ، يرى علماء الفلك تباينًا بين كتلة جميع الكائنات في المجرة وكتلتها الكلية.

الانزياح نحو الأحمر - تحول الخطوط الطيفية للعناصر الكيميائية فيأحمر (الطول الموجي الطويل) الجانب. قد تكون هذه الظاهرة تعبيرًا عن الانتثار الضعيف المنتشر ، أو تأثير دوبلر أو الانزياح نحو الأحمر الجاذبية ، أو مزيج منها. ولأول مرة ، وصف الفيزيائي الفرنسي هيبوليت فيزو تحول الخطوط الطيفية في أطياف الأجرام السماوية في عام 1848 واقترح تأثير دوبلر الناجم عن السرعة الشعاعية للنجم لتفسير هذا التحول.

عدسة الجاذبية

وفقا لنظرية النسبية العامة ، أيالوقت الذي يمر عبر حقل الجاذبية هو مشوه قليلا. إنها بمثابة عدسة الجاذبية ويمكن أن تنتج ، على سبيل المثال ، "حلقات أينشتاين" ، كما في الصورة أدناه.

تنص نظرية أينشتاين العامة للنسبيةأن ثقل الأجسام الفضائية الكبيرة مثل المجرات ينحني الفضاء من حولها وينحرف أشعة الضوء. عندما يحدث هذا ، صورة مشوهة لمجرة أخرى - مصدر الضوء.

"حلقة أينشتاين" في الصورة أعلاه هيصورة مشوهة لأحد المجرات (مظللة باللون الأزرق) ، تقع خلف المجرة (الحمراء) الأخرى في الوسط. ينتشر الضوء الأزرق في جميع الاتجاهات ، ولكنه ينحني بسبب خطورة المجرة الحمراء. هذا يعني أن الضوء ، الذي تم توجيهه في الأصل على الأرض مباشرة ، لن يصل أبداً إلى كوكبنا - على عكس الضوء الذي كان له اتجاه مختلف ، ولكن تم تشويهه بواسطة عدسة ويستمر كما لو كان من جميع الاتجاهات في وقت واحد. تشرح هذه العملية مظهر الخاتم.

في العدسات الجاذبية ضعيفة الإحصائيةإن تحليل التشوهات في الضوء الذي نتلقاه يسمح لنا "بإشعار" مجال الجاذبية بين الأرض والمجرات البعيدة. في كثير من الأحيان في هذا المجال ، هناك كتلة أكبر - على التوالي ، وأكثر أهمية - مما يمكن للعلماء أن يشرحواه.

مثال على عدسة الجاذبية ، والتي من وجهة نظر النظرية القائمة تثبت وجود المادة المظلمة ، هي صورة لمجموعة بوليت من المجرات الموجودة في كوكبة كارينا.

توضح الصورة عواقب تصادم مجرتين. يظهر اللون الأحمر في الصورة مساحات مرئية ، المادة زرقاء داكنة ، يتم تحديد وجودها بواسطة عدسة الجاذبية.

هذا التمييز يرجع إلى حقيقة أنمعظم المادة المضيئة في مجموعة من المجرات هي في وسط intracluster - في بلازما حارة كثيفة. عندما تصطدم أجزاء من البلازما مع بعضها البعض ، تتباطأ كمية كبيرة من المادة وتبقى في الوسط. لكن المادة المظلمة تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة ، لذلك يمكن لمكوناتها من المجموعتين المرور بحرية عبر بعضها البعض - وهذا يؤدي إلى الفصل الموضح في الصورة.

بقايا الإشعاع

خلال أول مئات الآلاف من السنين بعدالانفجار الكبير كان الكون حارًا بدرجة كافية للتأين بقوة. وهذا ما جعله مؤقتًا للضوء تقريبًا - فالفوتونات تدور مثل أي جسيم آخر. ومع ذلك ، عندما كان كل شيء باردًا بدرجة كافية ، اندمجت كميات كبيرة من البروتونات والإلكترونات في الهيدروجين المحايد ، الذي أصبح شفافًا بما يكفي لمعظم الضوء المحيط. حدثت هذه العملية بسرعة إلى حد ما (من حيث الوقت الكوني) - كنتيجة لذلك ، تم إطلاق كل الضوء الموجود في الكون ، بشكل نسبي ، فجأة في الخارج ، والتقاط صورة في تلك المرحلة من تطورها. لذلك يمكنك ببساطة وصف الإشعاع بقايا.

لإصلاح هذا الضوء ، يمكن للعلماءإرسال التلسكوبات اللاسلكية في أي اتجاه - واعتمادًا على مجال المراقبة ، ستختلف درجة الحرارة قليلاً. الفرق في درجة الحرارة يرجع إلى وجود أو غياب المادة المظلمة في هذه المنطقة.

ما هو غير عادي وجدت في المجرة الأولى؟

DF2 - مجرة ​​تنتمي إلى مجموعة كبيرةبقيادة المجرة الإهليلجية الضخمة NGC 1052. جذبت المجرة انتباه العلماء من حقيقة أنها بدت مختلفة في الصور الفوتوغرافية التي التقطت بواسطة Dragonfly و Sloan Digital Sky Survey (SDSS). في البداية ، كانت المجرة بقعة من الضوء الضعيف ، بينما في المجموعة الثانية ، مجموعة من الأجسام النقطية.

استنادا إلى هذه الملاحظات ، بقيادة العلماءتعرف بيتر فان دوكوم على عشر مجموعات كروية (مجموعات كبيرة من النجوم القديمة) داخل المجرة ووجد أنها تتحرك أبطأ ثلاث مرات من وجود كمية كبيرة من المادة المظلمة. الحقيقة هي أنه إذا كانت كتلة المجرة أكبر من كتلة الأجسام المرئية ، فإن المجموعات سوف تدور بشكل أسرع.

المجتمع العلمي تقييم المنشور بشكل نقدي- كخطأ ، أطلق الباحثون ما لاحظوه فقط لعشر مجموعات ولمدة ليلتين فقط. شعر المتشككون أن العلماء ربما أغفلوا التفاصيل الرئيسية لحركة مجموعات النجوم ، ونتيجة لذلك شوهوا تقديرهم لكتلة المجرة ومادتها الظاهرة.

وفي الثانية؟

الطريقة الوحيدة لإثبات صحةكانت الملاحظة هي البحث عن مجرة ​​ثانية ، والتي قد تحتوي على الحد الأدنى من المادة المظلمة - وفي مارس 2019 ، تم اكتشاف هذه المجرة.

نشر الباحثون مقالتين علميتينأولاً ، قاموا بإعادة قياس كتلة DF2 باستخدام كاميرا Hubble المحسنة وتلسكوب Keck Observatory الذي يبلغ طوله 10 أمتار في هاواي. هذه المرة ، لاحظ علماء الفلك ليس فقط سرعة حركة المجموعات ، ولكن أيضا سرعة دوران النجوم بداخلها. نتيجةً لذلك ، وجد العلماء أن DF2 هي مجرة ​​فائقة الشفاف ، حجمها يتوافق تقريبًا مع مجرة ​​درب التبانة. فقط النجوم فيها اتضح أنها أصغر بنحو 200 مرة.

المادة الثانية كانت مكرسة لاكتشاف هذامجرات DF2 - DF4 ، التي تقع في نفس المجموعة بجوار المجرة NGC 1052. يعتقد الباحثون ، أولاً ، أن المجرات ذات الحد الأدنى من المادة المظلمة ليست غير شائعة ، وثانياً ، أن المجرة الكبيرة يمكن أن "تسرق" الظلام المسألة من جيرانهم الأصغر.

كيف يمكن أن يكون غياب المادة المظلمة دليلاً على وجودها؟

لفهم البيان أن غياب الظلامتؤكد المادة في مجرتين وجودها في الكون وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، الأمر يستحق التفكير في انتقاد فكرة وجود المادة المظلمة.

بعض العلماء لا يوافقون على ذلك في الكونهناك مادة مظلمة ، ويعزى الدليل النظري لوجودها إلى ما يسمى بالديناميات النيوتونية المعدلة (MOND). تقول هذه النظرية البديلة أن الجاذبية على نطاق كوني لا تعمل بالطريقة التي تنبأ بها إسحاق نيوتن أو ألبرت أينشتاين. هذا يعني أن نظرية النسبية العامة ، التي بنيت عليها نظريات حول وجود المادة المظلمة ، لا تعمل مع المجرات.

على سبيل المثال ، الفيزيائي النظري اريك فيرليند مننشرت جامعة أمستردام في عام 2016 مقالة علمية اعتبرت فيها الجاذبية منتجًا ثانويًا للتفاعلات الكمومية ، واقترحت أن الجاذبية الإضافية المنسوبة إلى المادة المظلمة هي تأثير الطاقة المظلمة - طاقة الخلفية المنسوجة في نسيج الزمكان في الفضاء.

بمعنى آخر ، يعتقد فيرليند أن المادة المظلمة ليست مهمة ، ولكن فقط التفاعل بين المادة العادية والطاقة المظلمة.

اكتشاف علماء من جامعة ييليوضح أنه يمكن فصل المادة المظلمة عن المادة العادية ، شريطة أن تتصرف كل من المجرات المكتشفة وفقًا لنظرية الجاذبية القياسية. أي أنه يمكن شرح العمليات التي تحدث فيها باستخدام المعادلات التي اكتشفها نيوتن وكيبلر.

ما هي الأسئلة

اكتشاف علماء الفلك إذا نجحنؤكد أخيرا في سياق الملاحظات المستقبلية ، يتحدى النظرية الحالية حول تشكيل المجرات. على وجه الخصوص ، نحن نتحدث عن الافتراض بأن NGC 1052 الأكبر يمكن أن "يسرق" المادة المظلمة من DF2 و DF4. إذا كان هذا ممكنًا بالفعل في ظل شرط الحفاظ على الانتظام الذي يتم ملاحظته في كل من المجرات المرصودة ، فسيتعين على الفلكيين إعادة النظر بالكامل في آلية تكوينهم ووجودهم.

"نأمل في معرفة مدى شيوعهاهذه المجرات وعما إذا كانت موجودة في مناطق أخرى من الكون. نريد أن نجد المزيد من الأدلة التي من شأنها أن تساعدنا على فهم مدى توافق خصائصها أو عدم توافقها مع نظرياتنا الحالية. وقال Dokkum في محادثة مع علم الفلك ، نأمل أن هذا سوف يسمح لنا باتخاذ خطوة أخرى في فهم واحدة من أعظم الألغاز في عالمنا - طبيعة المادة المظلمة.