Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Η σκοτεινή ύλη στην αστρονομία και την κοσμολογία, καθώς και στη θεωρητική φυσική - μορφή
Η έννοια της σκοτεινής ύλης εισάγεται για θεωρητικήεξηγήσεις για το πρόβλημα της κρυφής μάζας στις επιπτώσεις της ανώμαλης ταχύτητας περιστροφής των εξωτερικών περιοχών των γαλαξιών και του βαρυτικού φακού (περιλαμβάνουν την ύλη, η μάζα της οποίας είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα της συνηθισμένης ορατής ύλης) · μεταξύ άλλων, είναι το πιο ικανοποιητικό.
Η σύνθεση και η φύση της σκοτεινής ύλης στο πραγματικόάγνωστη στιγμή. Στο πλαίσιο του γενικά αποδεκτού κοσμολογικού μοντέλου, το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης θεωρείται το πιο πιθανό. Οι πιο πιθανές υποψήφιες για το ρόλο των σωματιδίων είναι μάγοι. Παρά τις ενεργές αναζητήσεις, δεν έχουν βρεθεί ακόμη πειραματικά.
Ο ίδιος ο όρος «σκοτεινή ύλη» μπορεί να είναι ο πρώτοςχρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της μάζας των αστεριών στον γαλαξία με βάση την κατανομή των ταχυτήτων τους. Τελικά, ο όρος άρχισε να χρησιμοποιείται ακριβώς με την έννοια της μη παρατηρήσιμης ύλης, η ύπαρξη της οποίας μπορεί να κριθεί μόνο από τη βαρυτική της επίδραση.
Τρισδιάστατος χάρτης της κατανομής της σκοτεινής ύλης, χτισμένος χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του φακού με βαρυτική βαρύτητα στο πλαίσιο του έργου COSMOS.
Εναλλακτικές θεωρίες για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης
- Εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας
Όταν προσπαθείτε να εξηγήσετε τα παρατηρούμενα φαινόμενα, στιςΜε βάση τα οποία, συνολικά, έγινε ένα συμπέρασμα σχετικά με την αναγκαιότητα ύπαρξης της σκοτεινής ύλης, χωρίς να εμπλέκεται αυτή η έννοια, εκφράστηκαν πρώτα προβληματισμοί σχετικά με την εγκυρότητα των γενικά αποδεκτών νόμων της βαρυτικής αλληλεπίδρασης σε μεγάλες αποστάσεις.
Το πιο γνωστό είναι το τροποποιημένοΗ Νευτώνεια δυναμική (MOND) είναι μια θεωρία που προτάθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 από τον Ισραηλινό αστροφυσικό Mordechai Milgrom και είναι μια τροποποίηση του νόμου της βαρύτητας που παράγει ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις σε ορισμένες περιοχές του διαστήματος με τρόπο που εξηγεί το παρατηρούμενο σχήμα των καμπυλών περιστροφής των γαλαξιών. .
Το 2004, ο θεωρητικός φυσικός YaakovΟ Bekenstein, επίσης από το Ισραήλ, ανέπτυξε μια σχετικιστική γενίκευση αυτής της υπόθεσης - τη θεωρία της βαρύτητας τανυστή-διάνυσμα-κλιμακωτή, η οποία εξηγεί επίσης τα παρατηρούμενα αποτελέσματα του βαρυτικού φακού.
Επιπλέον, το 2007, ο Καναδός φυσικός John Moffat πρότεινε τη θεωρία του για την τροποποιημένη βαρύτητα, που ονομάζεται επίσης θεωρία βαρύτητας βαθμωτών-τανυστών-διανυσμάτων.
Υποστηρικτές των τροποποιημένων θεωριών βαρύτηταςθεωρήστε την τρέχουσα έλλειψη θετικών αποτελεσμάτων από πειράματα για την άμεση ανίχνευση σωματιδίων σκοτεινής ύλης ως επιχείρημα υπέρ τους.
Εν τω μεταξύ, αυτή τη στιγμή οι περισσότεροι επιστήμονεςδεν αναγνωρίζει τη MOND, αφού οι υπολογισμοί που βασίζονται σε αυτήν δείχνουν την ασυνέπειά της. Το πρόβλημα με τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας είναι ότι ακόμα κι αν παρέχουν αιτιολόγηση για μεμονωμένες επιδράσεις που είναι συνέπειες της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης, και πάλι δεν τις λαμβάνουν υπόψη ως σύνολο.
Δεν εξηγούν την παρατηρούμενη συμπεριφοράσυγκρούονται σμήνη γαλαξιών και είναι ασυμβίβαστα με τα κοσμολογικά επιχειρήματα για την παρουσία μεγάλων ποσοτήτων μη βαρυονικής αόρατης ύλης στο πρώιμο σύμπαν.
Σύμπλεγμα γαλαξιών Abell 2218
- Κοσμολογία πλάσματος
Αυτή η θεωρία αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960από έναν Σουηδό φυσικό με την ονομασία Hannes Alfven (βραβευμένος με Νόμπελ 1970 για ανακαλύψεις στη μαγνητοδυναμική) - χρησιμοποίησε την εμπειρία των μελετών του σχετικά με το πλάσμα κοντά στη Γη (aurora borealis) και το πρώιμο έργο του Christian Birkeland.
Η βάση της θεωρίας είναι η υπόθεση ότιΟι ηλεκτρικές δυνάμεις είναι πιο σημαντικές σε μεγάλες αποστάσεις (κλίμακα γαλαξιών και σμήνη γαλαξιών) από τη βαρύτητα. Αν υποθέσουμε ότι το πλάσμα γεμίζει ολόκληρο το σύμπαν και έχει καλή αγωγιμότητα, τότε θα μπορούσε να μεταφέρει τεράστια ηλεκτρικά ρεύματα (περίπου 1017–1019 αμπέρ) σε κλίμακες δεκάδων megaparsec.
Τέτοια ρεύματα δημιουργούν ένα ισχυρό γαλαξιακό μαγνητικό πεδίο, το οποίο με τη σειρά του σχηματίζει τη δομή τόσο των γαλαξιών όσο και των σμηνών τους (γαλαξιακά νήματα ή νήματα).
Η παρουσία ενός τόσο ισχυρού πεδίου εξηγείται εύκολαο σχηματισμός γαλαξιακών βραχιόνων (δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση για τον λόγο σχηματισμού των γαλαξιακών βραχιόνων), η κατανομή της ταχύτητας περιστροφής των γαλαξιακών δίσκων από την ακτίνα, εξαλείφει την ανάγκη εισαγωγής ενός φωτοστέφανου σκοτεινής ύλης.
Αλλά αυτή τη στιγμή, η σύγχρονη αστροφυσική δεν παρατηρεί τόσο ισχυρά ρεύματα σε κλίμακα δεκάδων megaparsecs, ούτε υψηλά διαγαλαξιακά και ενδογαλαξιακά μαγνητικά πεδία.
Υποθέσεις κοσμολογίας πλάσματος γιαΗ δομή των νηματωδών κυττάρων και η ομοιογένεια του Σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες (η λεγόμενη Δομή Μεγάλης Κλίμακας του Σύμπαντος), που έγινε από τους Alfvén και Anthony Perrat, επιβεβαιώθηκαν απροσδόκητα από παρατηρήσεις στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και του 1990, αλλά και αυτές οι παρατηρήσεις εξηγείται στο πλαίσιο των γενικά αποδεκτών κοσμολογικών μοντέλων.
Να εξηγήσει τη νηματώδη δομή του ΣύμπαντοςΕπί του παρόντος, χρησιμοποιείται η θεωρία του σχηματισμού νηματίων λόγω βαρυτικής αστάθειας (αρχικά, μια σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή της μάζας συγκεντρώνεται στα καυστικά και οδηγεί στο σχηματισμό νημάτων), σε αναπτυσσόμενες δομές σκοτεινής ύλης, κατά μήκος των οποίων η δομή της ορατής σχηματίζεται ύλη (η προέλευση μιας τέτοιας δομής σκοτεινής ύλης εξηγείται από τις κβαντικές διακυμάνσεις στη διαδικασία του πληθωρισμού).
Επί του παρόντος, η κοσμολογία πλάσματος ωςη θεωρία δεν είναι δημοφιλής, καθώς αρνείται την ανάπτυξη του Σύμπαντος στο μονοπάτι της Μεγάλης Έκρηξης. Από την άλλη πλευρά, εάν εγκαταλείψουμε τη θεωρία του Big Bang και θεωρήσουμε ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι πολύ μεγαλύτερη από 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια, τότε η κρυφή μάζα μπορεί να εξηγηθεί σε μεγάλο βαθμό από αντικείμενα MACHO όπως μαύροι νάνοι που εξελίσσονται από λευκούς νάνους που έχουν κρυώσει πάνω από δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια ...
- Ύλη από άλλες διαστάσεις (παράλληλα σύμπαντα)
Ορισμένες υπερδιάστατες θεωρίες δέχονται τη βαρύτητα ως ένα μοναδικό είδος δύναμης που μπορεί να δράσει στον εξωδιάστατο χώρο μας.
Αυτή η υπόθεση βοηθά στην εξήγησητη σχετική αδυναμία της βαρυτικής αλληλεπίδρασης σε σύγκριση με τις άλλες τρεις βασικές αλληλεπιδράσεις (ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και αδύναμες): η βαρύτητα είναι ασθενέστερη, καθώς μπορεί να αλληλεπιδράσει με μαζική ύλη σε επιπλέον διαστάσεις, διεισδύει σε ένα φράγμα απρόσιτο σε άλλες αλληλεπιδράσεις.
Από αυτό προκύπτει ότι το φαινόμενο της σκοτεινής ύλης μπορείνα εξηγηθεί λογικά από την αλληλεπίδραση της ορατής ύλης από τις συνηθισμένες μας διαστάσεις με τη μαζική ύλη από άλλες (επιπλέον, αόρατες) διαστάσεις μέσω της βαρύτητας. Ταυτόχρονα, αυτές οι διαστάσεις και αυτή η ύλη σε αυτές δεν μπορούν να αισθανθούν άλλου τύπου αλληλεπιδράσεις με κανέναν τρόπο, δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν μαζί της.
Ύλη σε άλλες διαστάσεις (στην πραγματικότητα σετο παράλληλο Σύμπαν) μπορεί να διαμορφωθεί σε δομές (γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών, νήματα) με τρόπο παρόμοιο με τις μετρήσεις μας ή να σχηματίσει τις δικές τους, εξωτικές δομές, οι οποίες στις μετρήσεις μας γίνονται αισθητές ως βαρυτικό φωτοστέφανο γύρω από ορατούς γαλαξίες.
Αποτελέσματα αριθμητικής μοντελοποίησης της εξέλιξης της δομής του Σύμπαντος
- Τοπολογικά ελαττώματα του χώρου
Η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι απλώς αρχέγονη(που προκύπτουν κατά τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης) ελαττώματα στο διάστημα ή / και την τοπολογία των κβαντικών πεδίων, τα οποία μπορούν να περιέχουν ενέργεια, προκαλώντας έτσι βαρυτικές δυνάμεις.
Αυτή η υπόθεση μπορεί να διερευνηθεί καιεπαληθεύεται χρησιμοποιώντας ένα τροχιακό δίκτυο διαστημικών ανιχνευτών (γύρω από τη Γη ή μέσα στο Ηλιακό Σύστημα) εξοπλισμένο με ένα ακριβές, συνεχώς συγχρονισμένο (με χρήση GPS) ατομικό ρολόι που θα καταγράφει τη διέλευση ενός τέτοιου τοπολογικού ελαττώματος από αυτό το δίκτυο.
Το αποτέλεσμα θα εμφανίζεται ως ανεξήγητο (κοινό)σχετικιστικοί λόγοι) αναντιστοιχία της πορείας αυτών των ρολογιών, η οποία έχει μια ξεκάθαρη αρχή και, με το χρόνο, το τέλος (ανάλογα με την κατεύθυνση της κίνησης και το μέγεθος ενός τέτοιου τοπολογικού ελαττώματος).
Γαλαξίας χωρίς σκοτεινή ύλη
Οι επιστήμονες βρίσκουν γαλαξίες χωρίς σκοτεινή ύλη, αλλά είναι αδύνατο να εξηγήσουμε πώς σχηματίστηκαν.
- NGC1052-DF2
Στον γαλαξία NGC1052-DF2, υπάρχει τουλάχιστον 400 φορές λιγότερη σκοτεινή ύλη από ό,τι θα έπρεπε.
Αποτελέσματα μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν με χρήσηΤο τηλεσκόπιο 10 μέτρων του Παρατηρητηρίου Keck και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble (αυτά είναι τα καλύτερα αστρονομικά όργανα που είναι διαθέσιμα σήμερα) παραδέχονται επίσης ότι δεν υπάρχει καθόλου σκοτεινή ύλη στο NGC1052-DF2.
Αυτός ο γαλαξίας, ορατός μόνο μέσω μεγάλων τηλεσκοπίων,έχει συνολική φωτεινότητα στο επίπεδο 100 εκατομμυρίων αστέρων όπως ο Ήλιος και η μάζα του είναι περίπου 200 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου - σύμφωνα με αυτές τις παραμέτρους, το NGC1052-DF2 δεν ξεχωρίζει πάρα πολύ από τη γενική σειρά.
Και εδώ είναι αυτό που βρίσκεται μέσα στα δέκα τηςσχετικά φωτεινά αντικείμενα, και λόγω αυτού, σε πολλές εικόνες, ο γαλαξίας αποδεικνύεται ότι είναι ένα σύνολο φωτεινών σημείων αντί για ένα θολό σύννεφο, είναι ήδη ένα πολύ πιο ενδιαφέρον γεγονός. Αυτός ήταν που ανάγκασε τους αστρονόμους να αναπτύξουν τηλεσκόπια με ένα αυστηρά προγραμματισμένο πρόγραμμα προς το NGC1052-DF2.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτά τα φωτεινά σημείαείναι σφαιρικά αστρικά σμήνη, αλλά ο αριθμός και η κατανομή της φωτεινότητάς τους είναι τόσο ασυνήθιστη που οι αστρονόμοι αρνήθηκαν ακόμη και να μιλήσουν λεπτομερώς για αυτά τα αντικείμενα σε αυτή τη δημοσίευση και υποσχέθηκαν να επανέλθουν σε αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες σε άλλη δημοσίευση, ακόμη στη διαδικασία προετοιμασίας.
Εάν συγκρίνουμε το NGC1052-DF2 με άλλαγαλαξίες της ίδιας μάζας, τότε το αόρατο φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να είναι τετρακόσιες φορές βαρύτερο από αυτό που βρίσκουν οι αστρονόμοι, ένα εξαιρετικά ασυνήθιστο αποτέλεσμα.
- NGC 1052-DF4
Οι επιστήμονες περιγράφουν αποτελέσματα πρόσθετωνπαρατηρήσεις που επέτρεψαν να γίνουν πιο αξιόπιστες εκτιμήσεις της διασποράς της ταχύτητας με βάση τις αστρικές κινήσεις. Ως αποτέλεσμα, οι αστρονόμοι έλαβαν μια τιμή 8,5 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο με αισθητά μικρότερα σφάλματα (περίπου 30%).
Από αυτά τα δεδομένα προκύπτει ότι η συνολική μάζαο γαλαξίας είναι περίπου ίσος με τη μάζα της φωτεινής ουσίας, η οποία εξαλείφει την ανάγκη εισαγωγής της σκοτεινής ύλης σε αυτήν την περίπτωση. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν επίσης κοντά σε έναν παρόμοιο γαλαξία NGC 1052-DF4, ο οποίος είχε επίσης μια εξαιρετικά χαμηλή διασπορά αστρικών ταχυτήτων - περίπου 4,2 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, αλλά τα σφάλματα σε αυτήν την περίπτωση είναι περίπου 80%.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς, τα δεδομένα που λαμβάνονται είναι υψηλάΟι ιδιότητες παρέχουν πειστικές αποδείξεις για την ύπαρξη όχι μόνο ενός εξαιρετικού γαλαξία χωρίς σκοτεινή ύλη, αλλά και μιας νέας κατηγορίας παρόμοιων αντικειμένων.
Σας υπενθυμίζουν επίσης ότι αυτά τα αποτελέσματα δεν είναισε καμία περίπτωση δεν αμφισβητεί την υπόθεση της σκοτεινής ύλης, αλλά, αντίθετα, επιβεβαιώνει την αναγκαιότητά της: εάν τα αποτελέσματα που περιγράφονται από αυτό δημιουργήθηκαν στην πραγματικότητα από τη συνηθισμένη ύλη, τότε μια τέτοια κατάσταση δεν θα μπορούσε να προκύψει, και δεδομένου ότι ένα αντικείμενο χωρίς σκοτεινή ύλη βρίσκεται , τότε αυτό μιλά ακριβώς για την ύπαρξη δύο ξεχωριστών τύπων ουσιών που δεν σχετίζονται άμεσα.
Πώς μπορούν να υπάρχουν γαλαξίες χωρίς σκοτεινή ύλη;
Γαλαξίες που, αν κρίνουμε από τις παρατηρήσεις,Δεν περιέχουν ουσιαστικά σκοτεινή ύλη - μια ουσία που αλληλεπιδρά ασθενώς με την περιβάλλουσα ύλη, η οποία πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνη για το 26,8% της μάζας του Σύμπαντος - περιπλέκουν την κατανόηση των αστρονόμων για τη φύση αυτής της ύλης.
Τέτοια αντικείμενα ανακαλύφθηκαν ως αποτέλεσμα πρόσφατωνΟι παρατηρήσεις αμφισβητούν το κοσμολογικό μοντέλο Lambda-CDM που υιοθετήθηκε από αστροφυσικούς, σύμφωνα με το οποίο όλοι οι γαλαξίες θα πρέπει να περιβάλλονται από ένα τεράστιο φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης.
Τα αντικείμενα χωρίς σκοτεινή ύλη δεν είναι πολύκαλά μελετημένο από αστρονόμους. Ένας τρόπος για να μελετήσετε τους πιθανούς μηχανισμούς του σχηματισμού τους είναι να παρατηρήσετε πολλούς από αυτούς σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Η επεξεργασία πληροφοριών σχετικά με τους γαλαξίες χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο υπολογιστή καθιστά δυνατή την ανίχνευση της εξέλιξής τους.
Για να κατανοήσουμε τη δομή αυτώναντικείμενα, οι επιστήμονες μοντελοποίησαν την εξέλιξή τους χρησιμοποιώντας το μοντέλο Illustris, το οποίο λαμβάνει υπόψη τους κύκλους ζωής των αστεριών, την επίδραση των σουπερνόβων και των μαύρων τρυπών και τις συγχωνεύσεις των γαλαξιών. Οι ερευνητές βρήκαν στο σύστημα που δημιουργήθηκε από το μοντέλο, αρκετούς «νάνους γαλαξίες» με τον ίδιο αριθμό αστεριών, τον αριθμό των σφαιρικών σμήνων και τη μάζα της σκοτεινής ύλης.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένας νάνος γαλαξίαςείναι μικρό και αποτελείται από πολλά δισεκατομμύρια αστέρια. Αντίθετα, ο Γαλαξίας, ο οποίος βρίσκεται σε τροχιά από περισσότερους από 20 γνωστούς νάνους γαλαξίες, έχει μεταξύ 200 και 400 δισεκατομμύρια αστέρια.
Οι σφαιρικές συστάδες χρησιμοποιούνται συχνά για την αξιολόγησηπεριεχόμενο της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες, ειδικά σε μικρούς. Οι αστροφυσικοί ανακάλυψαν ότι οι νάνοι γαλαξίες έχουν χάσει το 90% της σκοτεινής ύλης τους ως αποτέλεσμα της "εκτόξευσης" του συστατικού τους υλικού από τις δικές τους βαρυτικές δυνάμεις.
Ποια είναι η κατώτατη γραμμή;
Η ανακάλυψη μαύρων οπών χωρίς σκοτεινή ύλη δεν είναι δυνατήσημαίνει ότι δεν υπάρχει. Αντίθετα, ένας γαλαξίας χωρίς τυπική κατανομή των άστρων κατά ταχύτητα υπονομεύει τις θέσεις των θεωριών που προσπαθούν να αποδώσουν τα αποτελέσματα της παρατήρησης σε κάποιο παγκόσμιο φαινόμενο που δεν σχετίζεται με τη σκοτεινή ύλη.
Είναι σε τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμικήΤα αστέρια πρέπει πάντα να περιστρέφονται γύρω από το κέντρο των γαλαξιών με την ίδια περίπου ταχύτητα και το NGC1052-DF2 παίζει ενάντια σε αυτό το μοντέλο, το οποίο έχει ήδη χάσει την υποστήριξη πολλών ειδικών.
Να παραδεχτούμε την ύπαρξη ενός γαλαξία χωρίς σκοτάδιτης ύλης, η σύγχρονη αστροφυσική μπορεί κάλλιστα, ενώ η ιδέα ότι ο νόμος της καθολικής βαρύτητας λειτουργεί επιλεκτικά σε διάφορα μέρη του Σύμπαντος φαίνεται τουλάχιστον αμφίβολη.
Διαβάστε περισσότερα
Το μεγαλύτερο παγόβουνο στον κόσμο κατέρρευσε, θραύσματα έσπευσαν βόρεια. Είναι επικίνδυνο?
Ίχνη καυσίμων πυραύλων βρέθηκαν στο φεγγάρι του Κρόνου Rhea. Από πού προέρχεται;
Άμβλωση και επιστήμη: τι θα συμβεί στα παιδιά που θα γεννήσουν