Co temná hmota skrývá a proč vědci ještě nedokázali prokázat svou existenci

Ve věcech týkajících se povahy a vlastností temné hmoty jsou astronomové stále v rané fázi.

studie, především proto, že realita její existence dosud nebyla prokázána.

Teorie existence této látky bylaTo bylo vypuštěno před více než 40 lety jako vysvětlení nesouladu mezi hmotou všech viditelných objektů v galaxii a hmotností samotné galaxie. Astronom Vera Rubin, který poprvé objevil tento rozpor, zjistil, že tato neviditelná látka je nesmírně běžná a sestává z velké části vesmíru. Dnes tuto látku známe jako temnou hmotu.

Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu

Ačkoli astronomové mají nejméně třidůkaz, že temná hmota existuje, žádný z pokusů o zjištění přímého důkazu její existence a stanovení jejích vlastností nebyl úspěšný.

Nicméně, práce vědců z Yale University v USA. \ TVedení Peter van Dokkum, publikované v časopise Nature v březnu 2018, vědci více než kdy jindy přivedli vědce blíže k nalezení dalšího důkazu o existenci této látky.

Co astronomové vědí o temné hmotě?

Temná hmota je látka, která neníinteraguje s jinými záležitostmi pomocí elektromagnetických (EM) nebo silných jaderných sil. Absence elektromagnetických interakcí znamená, že nemůže emitovat, absorbovat, odrážet, refrakovat nebo difuzní světlo. To, samozřejmě, dělá to poměrně komplikovaný předmět pro pozorování. Přibližně 85% veškeré hmoty ve vesmíru je však temná hmota.

Vědci zatím nemají žádný praktický důkaz, že temná hmota skutečně existuje, ale existuje teoretická. Zde jsou tři hlavní.

Galaktické rotační křivky

Když se jeden objekt otáčí kolem druhého,objekt na oběžné dráze musí být neustále zrychlován na centrální (přesněji řečeno, oba zrychlují na své kombinované těžiště). Bez tohoto zrychlení bude orbitální tělo prostě odletět.

Čím rychleji se těleso pohybuje, tímpro udržení na oběžné dráze je zapotřebí více zrychlení. Protože v tomto případě je zrychlení způsobeno gravitací, znamená to, že centrální hmota musí být větší.

Tato znalost umožňuje vědcům „vážit“ jinéČásti galaxie, stejně jako rychlost rotace, porovnávají červené posuny na blížících se a ustupujících stranách galaxie. Při vážení astronomové vidí nesoulad mezi hmotností všech objektů v galaxii a její celkovou hmotností.

Redshift - posun spektrálních čar chemických prvků včervená (dlouhá vlnová délka). Tento jev může být vyjádřením slabého difuzního rozptylu, Dopplerova efektu nebo gravitačního červeného posunu nebo jejich kombinace. Poprvé byl posun spektrálních čar ve spektrech nebeských těles popsán francouzským fyzikem Hippolyte Fizeauem v roce 1848 a navrhl Dopplerův efekt způsobený radiální rychlostí hvězdy, která vysvětlila posun.

Gravitační čočky

Podle obecné teorie relativity, nějakádoba, kterou prochází gravitačním polem, je mírně zkreslená. Působí jako gravitační čočka a může produkovat například „Einsteinovy ​​prstence“, jak je vidět na obrázku níže.

Einsteinova obecná teorie relativitygravitace takových velkých prostorových objektů, jak galaxie ohýbají prostor kolem ní a odklánějí paprsky světla. Když k tomu dojde, zkreslený obraz jiné galaxie - zdroje světla.

„Einsteinův prsten“ na obrázku nahoře jezkreslený obraz jedné galaxie (je zvýrazněn modře), umístěný za druhou (červenou) galaxií ve středu. Světlo z modré se šíří ve všech směrech, ale je ohnuté gravitací červené galaxie. To znamená, že světlo, které bylo například původně nasměrováno přímo na Zemi, se nikdy nedostane na naši planetu - na rozdíl od světla, které mělo jiný směr, ale bylo zkresleno čočkou a postupovalo jako by ze všech směrů najednou. Tento proces vysvětluje vzhled prstence.

Ve slabých gravitačních čočkách statistickéanalýza deformací ve světle, které přijímáme, nám umožňuje „si všimnout“ gravitačního pole mezi Zemí a vzdálenými galaxiemi. Často v této oblasti existuje více hmot - resp. Více hmoty - než vědci mohou vysvětlit.

Příkladem gravitačních čoček, které z hlediska existující teorie dokládají přítomnost temné hmoty, je fotografie hvězdokupy galaxií, které se nacházejí v souhvězdí Cariny.

Obrázek ukazuje důsledky kolize dvou galaxií. Červená na obrázku ukazuje oblasti viditelné hmoty, modrá - tmavá hmota, jejíž přítomnost je určena gravitační čočkou.

Toto rozlišení je způsobeno tím, žeVětšina světelných látek ve shluku galaxií je v intraklusterovém médiu - v horké, husté plazmě. Když se části plazmy srazí mezi sebou, významné množství látky se zpomalí a zůstane ve středu. Temná hmota však slabě spolupůsobí s hmotou, takže její složky ze dvou klastrů mohou volně procházet navzájem - to vede k oddělení uvedenému na fotografii.

Reliktické záření

Během prvních několika set tisíc let potéVelký třesk Vesmír byl dost horký, aby silně ionizoval. Toto dočasně učinilo jej téměř neprůhledným pro světlo - fotony se otáčely jako každá jiná částice. Když však bylo všechno dost chladné, značná množství protonů a elektronů se spojila do neutrálního vodíku, který se stal dostatečně transparentním pro většinu okolního světla. Tento proces nastal poměrně rychle (z hlediska kosmologického času) - výsledkem bylo, že veškeré světlo obsažené ve vesmíru, relativně řečeno, bylo náhle vypuštěno ven, přičemž v tomto stadiu jeho vývoje vyfotilo. Takže můžete jednoduše popsat reliktní záření.

K vyřešení tohoto světla mohou vědcivysílat rádiové dalekohledy v libovolném směru - a v závislosti na poli pozorování se teplota bude mírně lišit. Rozdíl teplot je způsoben přítomností nebo nepřítomností tmavé hmoty v této oblasti.

Co je v první galaxii neobvyklé?

DF2 - galaxie, která patří do velké skupinyvedená masivní eliptickou galaxií NGC 1052. Galaxie přitahovala pozornost vědců tím, že na fotografiích pořízených průzkumem Dragonfly a Sloan Digital Sky Survey (SDSS) to vypadalo jinak. Na první, galaxie byla místo slabého světla, zatímco na druhé skupině bodových objektů.

Na základě těchto pozorování vedli vědciPeter van Dokkum identifikoval v galaxii deset kulových shluků (velké skupiny starých hvězd) a zjistil, že se pohybují třikrát pomaleji než v přítomnosti velkého množství temné hmoty. Faktem je, že kdyby hmotnost galaxie byla větší než hmotnost viditelných objektů, shluky by se otáčely rychleji.

Vědecká obec kriticky hodnotila publikaci- jako omyl vědci říkali, co pozorovali pouze pro deset klastrů a pouze na dvě noci. Skeptici měli pocit, že vědci možná přehlédli klíčové detaily pohybu hvězdokup, což v důsledku toho zkreslilo jejich odhad hmotnosti galaxie a její zdánlivé hmoty.

A ve druhém?

Jediný způsob, jak dokázat jejich správnostPozorování bylo hledání druhé galaxie, která by obsahovala minimální množství temné hmoty - a v březnu 2019 byla taková galaxie objevena.

Výzkumníci publikovali dva vědecké články - inNejprve změřili hmotnost DF2 pomocí vylepšené kamery Hubble Camera a desetimetrového dalekohledu Keck Observatory na Havaji. Tentokrát astronomové pozorovali nejen rychlost pohybu klastrů, ale také rychlost rotace hvězd v nich. V důsledku toho vědci zjistili, že DF2 je transparentní ultradifuzní galaxie, jejíž velikost zhruba odpovídá Mléčné dráze. Ukázalo se, že pouze hvězdy v něm jsou asi 200krát menší.

Druhý článek byl věnován objevení takovýchDF2 galaxie - DF4, který se nachází ve stejném klastru vedle galaxie NGC 1052. Vědci se domnívají, že za prvé, galaxie s minimálním množstvím temné hmoty nejsou neobvyklé, a za druhé, že velká galaxie by mohla „ukrást“ temnotu. od svých menších sousedů.

Jak může být absence temné hmoty důkazem její existence?

Rozumět tvrzení, že nepřítomnost tmyhmota ve dvou galaxiích potvrzuje svou přítomnost ve vesmíru v souladu s obecnou teorií relativity, stojí za to kritizovat myšlenku přítomnosti temné hmoty.

Někteří vědci s tím nesouhlasí ve vesmíruje zde temná hmota a teoretický důkaz o její přítomnosti je přisuzován tzv. modifikované newtonovské dynamice (MOND). Tato alternativní teorie říká, že gravitace na kosmickém měřítku nefunguje tak, jak Isaac Newton nebo Albert Einstein předpověděli. To znamená, že v případě galaxií nefunguje obecná teorie relativity, na které jsou postaveny teorie o existenci temné hmoty.

Například teoretický fyzik Eric Verlinde zUniverzita v Amsterdamu v roce 2016 zveřejnila vědecký článek, v němž považovala gravitaci za vedlejší produkt kvantových interakcí a navrhla, že dodatečná gravitace přisuzovaná temné hmotě je vlivem temné energie - energie pozadí protkaná do vesmírné struktury vesmíru.

Jinými slovy Verlinde věří, že temná hmota není hmota, ale pouze interakce mezi obyčejnou hmotou a temnou energií.

Objev vědců z Yale Universitydemonstruje, že temná hmota může být oddělena od běžné hmoty, za předpokladu, že obě detekované galaxie se chovají v souladu se standardní teorií gravitace. To znamená, že procesy, které se v nich vyskytují, lze vysvětlit pomocí rovnic objevených Newtonem a Keplerem.

Jaké jsou otázky

Objev astronomů, pokud uspějenakonec potvrdit v průběhu budoucích pozorování, zpochybňuje existující teorii o vzniku galaxií. Jedná se zejména o předpoklad, že větší NGC 1052 může „ukrást“ temnou hmotu z DF2 a DF4. Pokud je to skutečně možné pod podmínkou zachování řádnosti, která je pozorována v obou pozorovaných galaxiích, pak astronomové budou muset kompletně revidovat mechanismus jejich vzniku a existence.

"Doufáme, že zjistíme, jak často."tyto galaxie a zda existují v jiných oblastech vesmíru. Chceme najít více důkazů, které nám pomohou pochopit, jak jsou jejich vlastnosti konzistentní nebo nejsou v souladu s našimi současnými teoriemi. Doufáme, že nám to umožní další krok v porozumění jedné z největších záhad v našem vesmíru - povaze temné hmoty, “řekl Dokkum v rozhovoru s Astronomií.