Hvad er mørkt stof?
Mørkt stof i astronomi og kosmologi, såvel som i teoretisk fysik - form
Begrebet mørkt stof introduceres til det teoretiskeforklaringer på det skjulte masseproblem i virkningerne af uregelmæssigt høj rotationshastighed i de ydre områder af galakser og tyngdekraften (de involverer stof, hvis masse er meget større end massen af almindeligt synligt stof); blandt andre er det den mest tilfredsstillende.
Sammensætningen og karakteren af mørkt stof på det virkeligeøjeblik ukendt. Inden for rammerne af den generelt accepterede kosmologiske model betragtes modellen for koldt mørkt stof som den mest sandsynlige. De mest sandsynlige kandidater til partiklernes rolle er wimps. På trods af aktive søgninger er de endnu ikke fundet eksperimentelt.
Selve udtrykket "mørkt stof" kan være første gangblev brugt til at estimere massen af stjernerne i galaksen baseret på fordelingen af deres hastigheder. I sidste ende begyndte udtrykket at blive brugt netop i betydningen uobserverbart stof, hvis eksistens kun kan bedømmes ud fra dets gravitationseffekt.
Tredimensionelt kort over fordelingen af mørkt stof bygget ved hjælp af metoden med svag tyngdekraftlinse inden for rammerne af COSMOS-projektet.
Alternative teorier om eksistensen af mørkt stof
- Alternative teorier om tyngdekraft
Når man prøver at forklare de observerede fænomener,På grundlag af hvilket der samlet blev foretaget en konklusion om nødvendigheden af eksistensen af mørkt stof uden at involvere dette koncept, blev først overvejelser udtrykt med hensyn til gyldigheden af de generelt accepterede love om tyngdekraftsinteraktion på store afstande.
Den mest berømte er den modificeredeNewtonsk dynamik (MOND) er en teori foreslået i begyndelsen af 1980'erne af den israelske astrofysiker Mordechai Milgrom, der er en modifikation af tyngdeloven, der frembringer stærkere vekselvirkninger i nogle områder af rummet på en måde, der forklarer den observerede form af rotationskurver for galakser. .
I 2004, teoretisk fysiker YaakovBekenstein, også fra Israel, udviklede en relativistisk generalisering af denne hypotese - den tensor-vektor-skalære teori om tyngdekraften, som også forklarer de observerede effekter af gravitationslinser.
Derudover foreslog den canadiske fysiker John Moffat i 2007 sin teori om modificeret tyngdekraft, også kaldet skalar-tensor-vektor-teori om tyngdekraft.
Tilhængere af teorier om modificeret tyngdekraftbetragte den nuværende mangel på positive resultater fra eksperimenter med direkte påvisning af mørkt stof partikler som et argument til deres fordel.
I mellemtiden er de fleste videnskabsmænd i øjeblikketgenkender ikke MOND, da beregninger baseret på den indikerer dens inkonsistens. Problemet med alternative teorier om tyngdekraft er, at selvom de giver et rationale for individuelle effekter, der er konsekvenser af eksistensen af mørkt stof, tager de stadig ikke højde for dem som en helhed.
De forklarer ikke den observerede adfærdkolliderende galaksehobe og er uoverensstemmende med de kosmologiske argumenter for tilstedeværelsen af store mængder ikke-baryonisk usynlig stof i det tidlige univers.
Abell 2218 Cluster of Galaxies
- Plasmakosmologi
Denne teori blev udviklet i 1960'erneaf en svensk fysiker ved navn Hannes Alfven (1970-nobelpristager for opdagelser inden for magnetodynamik) - på den måde brugte han oplevelsen af sine studier af nær-jordens plasma (aurora borealis) og det tidlige arbejde af Christian Birkeland.
Grundlaget for teorien er antagelsen om, atElektriske kræfter er mere betydningsfulde ved store afstande (skala af galakser og galaksehobe) end tyngdekraften. Hvis vi antager, at plasma fylder hele universet og har god ledningsevne, så kan det lede enorme elektriske strømme (ca. 1017-1019 ampere) på skalaer af titusinder af megaparsek.
Sådanne strømme skaber et kraftigt galaktisk magnetfelt, som igen danner strukturen af både galakser og deres klynger (galaktiske tråde eller filamenter).
Tilstedeværelsen af et så stærkt felt forklarer letdannelsen af galaktiske arme (der er endnu ingen konsensus om årsagen til dannelsen af galaktiske arme), fordelingen af rotationshastigheden af galaktiske skiver fra radius, eliminerer behovet for at indføre en mørk stof-halo.
Men i øjeblikket observerer moderne astrofysik ikke så kraftige strømme på en skala på titusinder af megaparsek, og heller ikke høje intergalaktiske og intragalaktiske magnetfelter.
Plasma kosmologiske antagelser omUniversets filamentøse cellestruktur og homogenitet i store skalaer (den såkaldte Large-Scale Structure of the Universe), lavet af Alfvén og Anthony Perrat, blev uventet bekræftet af observationer i slutningen af 1980'erne og 1990'erne, men disse observationer er også forklaret inden for rammerne af almindeligt accepterede kosmologiske modeller.
For at forklare universets filamentære struktur iI øjeblikket anvendes teorien om dannelsen af filamenter på grund af gravitationel ustabilitet (i første omgang er en næsten ensartet massefordeling koncentreret om kaustik og fører til dannelse af filamenter), på voksende strukturer af mørkt stof, langs hvilke strukturen af synligt stof stof dannes (oprindelsen af en sådan struktur af mørkt stof forklares af kvanteudsving i inflationsprocessen).
I øjeblikket er plasmakosmologi somteorien er upopulær, da den benægter universets udvikling langs Big Bang-stien. På den anden side, hvis vi opgiver Big Bang-teorien og betragter universets alder som meget større end 13,5 milliarder år, så kan den skjulte masse i vid udstrækning forklares med sådanne MACHO-objekter som sorte dværge, der udvikler sig fra hvide dværge, der er kølet ned i titusinder af milliarder år ...
- Materie fra andre dimensioner (parallelle universer)
Nogle ekstradimensionelle teorier accepterer tyngdekraften som en unik type kraft, der kan virke på vores ekstradimensionelle rum.
Denne antagelse hjælper med at forklareden relative svaghed ved tyngdekraftsinteraktionen i sammenligning med de tre andre grundlæggende interaktioner (elektromagnetisk, stærk og svag): tyngdekraften er svagere, da den kan interagere med massiv stof i ekstra dimensioner, trænge ind i en barriere, der er utilgængelig for andre interaktioner.
Det følger heraf, at effekten af mørkt stof kanlogisk forklares ved samspillet mellem synligt stof fra vores almindelige dimensioner med massivt stof fra andre (ekstra, usynlige) dimensioner gennem tyngdekraften. Samtidig kan disse dimensioner og dette stof i dem ikke mærke andre typer interaktioner på nogen måde, kan ikke interagere med det.
Stof i andre dimensioner (faktisk iparallelt univers) kan dannes til strukturer (galakser, galaksehobe, filamenter) på en måde, der ligner vores målinger eller danne deres egne, eksotiske strukturer, som i vores målinger mærkes som en gravitationshalo omkring synlige galakser.
Resultater af numerisk modellering af udviklingen af universets struktur
- Topologiske rumfejl
Mørkt stof kan bare være oprindeligt(opstår på tidspunktet for Big Bang) defekter i rummet og / eller topologien af kvantefelter, der kan indeholde energi og derved forårsager tyngdekrafter.
Denne antagelse kan udforskes ogverificeret ved hjælp af et kredsløbsnetværk af rumsonder (rundt om Jorden eller i solsystemet) udstyret med et nøjagtigt, kontinuerligt synkroniseret (ved hjælp af GPS) atomur, der vil registrere passagen af en sådan topologisk defekt gennem dette netværk.
Effekten vises som uforklarlig (almindeligrelativistiske årsager) uoverensstemmelse mellem forløbet af disse ure, som har en klar begyndelse og med tiden slutningen (afhængigt af bevægelsesretningen og størrelsen af en sådan topologisk defekt).
Galaxy uden mørkt stof
Forskere finder galakser uden mørkt stof, men der er ingen måde at forklare, hvordan de dannede sig.
- NGC1052-DF2
I galaksen NGC1052-DF2 er der mindst 400 gange mindre mørkt stof, end der burde være.
Resultater af målinger udført vhaKeck-observatoriets 10 meter teleskop og Hubble-rumteleskopet (disse er de bedste astronomiske instrumenter, der findes i dag) indrømmer også, at der overhovedet ikke er mørkt stof i NGC1052-DF2.
Denne galakse, der kun er synlig gennem store teleskoper,har en samlet lysstyrke på niveau med 100 millioner stjerner ligesom Solen, og dens masse er cirka 200 millioner gange højere end Solens masse - ifølge disse parametre skiller NGC1052-DF2 sig ikke for meget ud fra den generelle serie.
Men hvad findes inde i hendes tirelativt lyse objekter, og på grund af dette viser galaksen sig i et antal billeder at være et sæt lyspunkter i stedet for en sløret sky, er allerede en meget mere interessant kendsgerning; det var han, der tvang astronomer til at indsætte teleskoper med en tæt pakket tidsplan mod NGC1052-DF2.
Ifølge forskerne er disse lyspunkterer kugleformede stjernehobe, men deres antal og fordeling af lysstyrker er så usædvanlige, at astronomer endda nægtede at tale i detaljer om disse objekter i denne publikation og lovede at vende tilbage til dette mere detaljeret i en anden publikation, stadig i gang med forberedelsen.
Hvis vi sammenligner NGC1052-DF2 med andregalakser med samme masse, så burde den usynlige glorie af mørkt stof være fire hundrede gange tungere end hvad astronomerne finder, et ekstremt usædvanligt resultat.
- NGC 1052-DF4
Forskere beskriver resultater af yderligereobservationer, der gjorde det muligt at foretage mere pålidelige estimater af hastighedsspredning baseret på stjernernes bevægelser. Som et resultat fik astronomerne en værdi på 8,5 kilometer i sekundet med mærkbart mindre fejl (ca. 30%).
Af disse data følger det, at den samlede massegalaksen er omtrent lig med massen af det lysende stof, hvilket eliminerer behovet for indføring af mørkt stof i dette tilfælde. Forskere opdagede også i nærheden en lignende galakse NGC 1052-DF4, som også havde en ekstrem lav spredning af stjernehastigheder - ca. 4,2 kilometer i sekundet, men fejlene i dette tilfælde er ca. 80%.
Ifølge forfatterne er de opnåede data højekvaliteter giver overbevisende beviser for eksistensen af ikke blot én exceptionel galakse uden mørkt stof, men også en ny klasse af lignende objekter.
De minder dig også om, at disse resultater ikke er detpå ingen måde tilbagevise hypotesen om mørkt stof, men tværtimod bekræfte dets nødvendighed: hvis de virkninger, der er beskrevet af det, faktisk var frembragt af almindeligt stof, kunne en sådan situation ikke opstå, og da der findes en genstand uden mørkt stof , så taler dette præcist om eksistensen af to separate typer af stoffer, der ikke er direkte beslægtede.
Hvordan kan galakser eksistere uden mørkt stof?
Galakser, der efter observationer at dømme,indeholder praktisk talt intet mørkt stof - et stof, der svagt interagerer med omgivende stof, som menes at være ansvarligt for 26,8 % af universets masse - komplicerer astronomernes forståelse af dette stofs natur.
Sådanne genstande opdaget som et resultat af nyere tidDisse observationer udfordrer den kosmologiske model Lambda-CDM, der er vedtaget af astrofysikere, ifølge hvilken alle galakser skal være omgivet af en massiv glorie af mørkt stof.
Mørke stoffrie genstande er ikke særliggodt undersøgt af astronomer. En måde at studere de mulige mekanismer for deres dannelse på er at observere flere af dem på forskellige udviklingsstadier. Behandling af oplysninger om galakser ved hjælp af en computermodel gør det muligt at spore deres udvikling.
For at forstå strukturen af disseobjekter, forskere modellerede deres udvikling ved hjælp af Illustris-modellen, der tager højde for stjernernes livscyklus, indflydelsen af supernovaer og sorte huller og fusioner af galakser. Forskerne fandt i systemet skabt af modellen flere "dværggalakser" med det samme antal stjerner, antallet af kuglehobe og massen af mørkt stof.
Som navnet antyder, en dværggalakseer lille og består af flere milliarder stjerner. I modsætning hertil har Mælkevejen, som er kredset af mere end 20 kendte dværggalakser, mellem 200 og 400 milliarder stjerner.
Globale klynger bruges ofte til at vurdereindhold af mørkt stof i galakser, især i små. Astrofysikere har fundet ud af, at dværggalakser har mistet 90% af deres mørke stof som et resultat af at "skubbe ud" af deres bestanddel af deres egne tyngdekræfter.
Hvad er bundlinjen?
Opdagelsen af sorte huller uden mørkt stof er ikke muligbetyder, at den ikke eksisterer. Tværtimod underminerer en galakse uden en typisk fordeling af stjerner efter hastighed positionerne af teorier, der forsøger at tilskrive observationsresultaterne en eller anden universel effekt, der ikke er relateret til mørkt stof.
Det er i modificeret newtonsk dynamikstjerner bør altid rotere rundt om centrum af galakser med omtrent samme hastighed, og NGC1052-DF2 spiller mod denne model, som allerede har mistet støtten fra mange eksperter.
At indrømme eksistensen af en galakse uden mørkeaf materie kan moderne astrofysik meget vel, mens ideen om, at loven om universel tyngdekraft fungerer selektivt i forskellige dele af universet, i det mindste er tvivlsom.
Læs mere
Det største isbjerg i verden kollapset, fragmenter styrtede nordpå. Er det farligt?
Spor af raketbrændstof blev fundet på Saturns måne Rhea. Hvor kommer det fra?
Abort og videnskab: hvad vil der ske med de børn, der føder