По въпроси, свързани с природата и свойствата на тъмната материя, астрономите досега саса в начален етап
Теорията за съществуването на това вещество бешепредставен преди повече от 40 години като обяснение за несъответствието между масата на всички видими обекти в една галактика и масата на самата галактика. Астрономът Вера Рубин, която първа откри несъответствието, установи, че това невидимо вещество е изключително често срещано и съставлява по-голямата част от Вселената. Днес познаваме това вещество като тъмна материя.
Вера Рубин. Снимка: Научен институт Карнеги / carnegiescience.edu
Въпреки че астрономите имат най-малко триДоказателствата, че съществува тъмна материя, нито един от опитите за откриване на пряко доказателство за неговото съществуване и определяне на неговите свойства не е бил успешен.
Въпреки това, работата на учени от Йейлския университет връководен от Питър ван Докум, публикуван в списание Nature през март 2018 г., учените повече от всякога доближаваха учените до намирането на още едно доказателство за съществуването на това вещество.
Какво знаят астрономите за тъмната материя?
Тъмната материя е вещество, което не евзаимодейства с други въпроси посредством електромагнитни (ЕМ) или силни ядрени сили. Липсата на електромагнитни взаимодействия означава, че тя не може да излъчва, абсорбира, отразява, пречупва или дифузна светлина. Това, разбира се, го прави доста сложен обект на наблюдение. Около 85% от цялата материя във Вселената обаче е тъмна материя.
Досега учените нямат практически доказателства, че тъмната материя наистина съществува, но има теоретично. Ето и трите основни.
Галактически криви на въртене
Когато един обект се върти около друг,един обект в орбита трябва непрекъснато да се ускорява до централната (или по-точно, и двете ускоряват до комбинирания център на масата). Без това ускорение орбиталното тяло просто ще отлети.
Колкото по-бързо се движи орбиталното тяло, толкова повечеизисква се повече ускорение, за да се задържи в орбита. Тъй като в този случай ускорението се дължи на гравитацията, това означава, че централната маса трябва да бъде по-голяма.
Това знание позволява на учените да „претеглят” различночасти от галактиката, както и измерване на скоростите на въртене, сравнявайки червените премествания на приближаващите се и отстъпващи страни на галактиката. Когато претеглят, астрономите виждат несъответствие между масата на всички обекти в галактиката и нейната обща маса.
червено отместване— изместване на спектралните линии на химичните елементикъм червената (с дълга дължина на вълната) страна. Това явление може да е израз на слабо дифузно разсейване, ефект на Доплер или гравитационно червено отместване, или комбинация от тях. Изместването на спектралните линии в спектрите на небесните тела е описано за първи път от френския физик Иполит Физо през 1848 г. и предлага ефектът на Доплер, причинен от радиалната скорост на звездата, за да обясни изместването.
Гравитационно лещиране
Според общата теория на относителността, всякавремето, през което преминава гравитационното поле, е леко изкривено. Той действа като гравитационна леща и може да произвежда, например, "пръстените на Айнщайн", както е показано на изображението по-долу.
Общата теория на относителността на Айнщайнче гравитацията на такива големи космически обекти като галактики огъва пространството около него и отклонява лъчите на светлината. Когато това се случи, изкривен образ на друга галактика - източник на светлина.
"Айнщайн пръстен" на изображението по-горе еизкривена картина на една галактика (тя е подчертана в синьо), разположена зад другата (червена) галактика в центъра. Светлината от синьото се разпространява във всички посоки, но се огъва от гравитацията на червената галактика. Това означава, че светлината, която първоначално е била насочена директно към Земята, никога няма да достигне нашата планета - за разлика от светлината, която е имала различна посока, но е изкривена от лещата и продължава от всички посоки едновременно. Този процес обяснява външния вид на пръстена.
При слаби гравитационни лещи, статистическианализирането на изкривяванията в светлината, която получаваме, ни позволява да „забележим“ гравитационното поле между Земята и далечните галактики. Често има повече маса - и следователно повече материя - в тази област, отколкото учените могат да обяснят.
Пример за гравитационни лещи, който от гледна точка на съществуващата теория доказва наличието на тъмна материя, е снимка на галактическия куп Bullet, разположен в съзвездието Carina.
Изображението показва последствията от сблъсъка на две галактики. Червеното на изображението показва области с видима материя, синьото показва тъмна материя, чието наличие се определя чрез гравитационни лещи.
Това разграничение се дължи на факта, чеПо-голямата част от светлинната материя в купчина галактики е в интракластерна среда - в гореща, плътна плазма. Когато части от плазмата се сблъскат помежду си, значителна част от веществото се забавя и остава в центъра. Но тъмната материя слабо взаимодейства с материята, така че нейните компоненти от двете групи могат свободно да преминават една от друга - това води до разделянето, показано на снимката.
Реликова радиация
През първите няколкостотин хиляди години след товаПри Големия взрив Вселената е била достатъчно гореща, за да стане силно йонизирана. Това временно го направи почти непрозрачен за светлина - фотоните се въртяха като всяка друга частица. Въпреки това, когато нещата се охладиха достатъчно, значителни количества протони и електрони се комбинираха, за да образуват неутрален водород, който стана достатъчно прозрачен за по-голямата част от заобикалящата го светлина. Този процес се случи доста бързо (от гледна точка на космологичното време) - в резултат на това цялата светлина, съдържаща се във Вселената, относително казано, внезапно беше освободена навън, правейки моментна снимка на този етап от нейната еволюция. Това е опростен начин за описание на космическото микровълново фоново лъчение.
За да открият тази светлина, учените могатнасочете радиотелескопите във всяка посока и в зависимост от зоната на наблюдение температурата ще се промени леко. Разликата в температурата се обяснява с наличието или отсъствието на тъмна материя в тази област.
Какво е необичайно открито в първата галактика?
DF2 е галактика, която е част от голяма групаводена от масивната елиптична галактика NGC 1052. Галактиката привлече вниманието на учените, защото изглеждаше различно на снимките, направени от Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). В първия галактиката изглежда като петно от слаба светлина, докато във втория е група от точкови обекти.
Въз основа на тези наблюдения учените, водени отПитър ван Докум идентифицира десет кълбовидни купа (големи групи от стари звезди) в галактиката и установи, че те се движат три пъти по-бавно, отколкото ако има много тъмна материя. Факт е, че ако масата на галактиката беше по-голяма от масата на видимите обекти, клъстерите биха се въртели по-бързо.
Научната общност оцени публикацията критично— грешката на изследователите беше, че те наблюдаваха само десет клъстера и само за две нощи. Скептиците смятат, че учените може да са пренебрегнали ключови подробности за движението на звездните купове, което е довело до изкривяване на техните оценки за масата на галактиката и видимата материя.
А във втория?
Единственият начин да се докаже тяхната коректностНаблюдението е търсенето на втора галактика, която да съдържа минималното количество тъмна материя - и през март 2019 г. такава галактика е била открита.
Изследователите публикуваха две научни статии - вТе бяха първите, които преизмериха масата на DF2, използвайки усъвършенстваната камера на Хъбъл и 10-метровия телескоп в обсерваторията Кек в Хавай. Този път астрономите наблюдаваха не само скоростта на движение на клъстерите, но и скоростта на въртене на звездите вътре в тях. В резултат на това учените са установили, че DF2 е прозрачна ултра-дифузна галактика, чийто размер е приблизително същият като Млечния път. Само че в него имаше около 200 пъти по-малко звезди.
Втората статия беше посветена на откриването на такаваDF2 галактики - DF4, които се намират в същия купчина до галактиката NGC 1052. Изследователите смятат, че на първо място, галактиките с минимално количество тъмна материя не са необичайни, и второ, че голяма галактика може да „открадне” тъмнината по-малките им съседи.
Как може липсата на тъмна материя да бъде доказателство за нейното съществуване?
За да разберем твърдението, че липсата на тъмноматерията в две галактики потвърждава присъствието си във Вселената в съответствие с Общата теория на относителността, заслужава да се разгледа критиката на идеята за наличието на тъмна материя.
Някои учени не са съгласни, че във Вселенатаима тъмна материя и теоретичните доказателства за неговото присъствие се приписват на така наречената модифицирана нютонова динамика (MOND). Тази алтернативна теория казва, че гравитацията в космически мащаб не работи така, както са предсказали Исак Нютон или Алберт Айнщайн. Това означава, че Общата теория на относителността, върху която се строят теории за съществуването на тъмна материя, не работи в случая с галактиките.
Например теоретичният физик Ерик Верлинде отУниверситетът на Амстердам публикува научна статия през 2016 г., която изследва гравитацията като страничен продукт на квантовите взаимодействия и предполага, че допълнителната гравитация, приписвана на тъмната материя, е ефект на тъмна енергия - фонова енергия, вплетена в тъканта на пространство-времето на Вселената.
С други думи, Верлинде смята, че тъмната материя не е материя, а само взаимодействие между обикновената материя и тъмната енергия.
Откриване на учени от университета в Йейлпоказва, че тъмната материя може да бъде отделена от обикновената материя, при условие че и двете открити галактики се държат в съответствие със стандартната теория на гравитацията. Това означава, че процесите, протичащи в тях, могат да бъдат обяснени чрез уравненията, открити от Нютон и Кеплер.
Какви са въпросите
Откритие от астрономи, ако е успешнокатегорично потвърдено чрез бъдещи наблюдения, предизвиква съществуващата теория за образуването на галактики. По-специално, ние говорим за предположението, че по-голямата NGC 1052 може да „открадне“ тъмна материя от DF2 и DF4. Ако това наистина е възможно, при условие че се запази редът, който се наблюдава в двете наблюдавани галактики, тогава астрономите ще трябва напълно да преразгледат механизма на тяхното формиране и съществуване.
"Надяваме се да разберем колко честотези галактики и дали съществуват в други области на Вселената. Искаме да намерим повече доказателства, които ще ни помогнат да разберем как техните свойства са последователни или несъвместими с настоящите ни теории. Надяваме се, че това ще ни позволи да предприемем още една стъпка в разбирането на една от най-големите загадки в нашата вселена - природата на тъмната материя - каза Докум в разговор с астрономията.