Mikä on pimeä aine?
Pimeä aine tähtitieteessä ja kosmologiassa sekä teoreettisessa fysiikassa on muoto
Pimeän aineen käsite otetaan käyttöön teoreettisestiselitykset piilotetusta massaongelmasta galaksien ulommien alueiden epänormaalisti suuren pyörimisnopeuden ja gravitaatiolinssin vaikutuksissa (niihin liittyy ainetta, jonka massa on paljon suurempi kuin tavallisen näkyvän aineen massa); muiden joukossa se on tyydyttävin.
Pimeän aineen koostumus ja luonne todellisessahetki tuntematon. Yleisesti hyväksytyn kosmologisen mallin puitteissa kylmän pimeän aineen mallia pidetään todennäköisimpänä. Todennäköisimmät ehdokkaat hiukkasten roolille ovat wimps. Aktiivisista hauista huolimatta niitä ei ole vielä löydetty kokeellisesti.
Termiä "pimeä aine" on saatettu käyttää ensimmäistä kertaa arvioitaessa galaksin tähtien massaa niiden nopeusjakauman perusteella.Loppujen lopuksi termiä alettiin käyttää havaitsemattoman aineen merkityksessä, jonka olemassaoloa voidaan arvioida vain sen gravitaatiovaikutuksen perusteella.
Kolmiulotteinen kartta tumman aineen jakautumisesta, rakennettu heikon gravitaatiolinssin menetelmällä COSMOS-projektin yhteydessä.
Vaihtoehtoiset teoriat pimeän aineen olemassaolosta
- Vaihtoehtoiset painovoimateoriat
Kun yrität selittää havaittuja ilmiöitä,Minkä perusteella tehtiin kokonaisuutena johtopäätös pimeän aineen olemassaolon välttämättömyydestä ilman tätä käsitystä, ensin ilmaistiin näkökohtia yleisesti hyväksyttyjen painovoiman vuorovaikutuksen lakien pätevyydestä suurilla etäisyyksillä.
Tunnetuin on modifioitu Newtonin dynamiikka (MOND), israelilaisen astrofyysikon Mordechai Milgromin 1980-luvun alussa ehdottama teoria, joka on painovoimalain muunnos, joka antaa vahvemman voiman joillakin avaruuden alueilla galaksien pyörimiskäyrien havaitun muodon selittämiseksi.
Vuonna 2004 teoreettinen fyysikko Yaakov Bekenstein, myös Israelista, kehitti tämän hypoteesin, painovoiman tensori-vektori-skalaariteorian, relativistisen yleistyksen, joka selittää myös gravitaatiolinssin havaitut vaikutukset.
Lisäksi vuonna 2007 kanadalainen fyysikko John Moffat ehdotti modifioidun painovoiman teoriaa, jota kutsutaan myös painovoiman skalaari-tensorivektoriteoriaksi.
Modifioitujen painovoimateorioiden kannattajat uskovat, että nykyinen positiivisten tulosten puute kokeista pimeän aineen hiukkasten suorasta havaitsemisesta on argumentti heidän puolestaan.
Tällä hetkellä useimmat tutkijat eivät kuitenkaan tunnista MOND: ta, koska siihen perustuvat laskelmat osoittavatVaihtoehtoisten painovoimateorioiden ongelma on, että jos ne tekevät, ne tekevät niinPerusteluja tietyille vaikutuksille, jotka ovat pimeän aineen olemassaolon seurauksia, ei vieläkään oteta huomioonKaikki ne yhdessä.
Ne eivät selitä havaittua käyttäytymistätörmäävät galaksiryhmät ja ovat ristiriidassa kosmologisten argumenttien kanssa siitä, että varhaisessa maailmankaikkeudessa esiintyy suuria määriä ei-bararyonista näkymätöntä ainetta.
Abell 2218 galaksiryhmä
- Plasman kosmologia
Tämä teoria kehitettiin 1960-luvullaHannes Alfven -nimisen ruotsalaisen fyysikon (magnetodynamiikan löytöt Nobel-palkinnon saaja 1970) - hän käytti tätä tehdessään kokemuksiaan maapallon lähellä olevasta plasmasta (aurora borealis) ja Christian Birkelandin varhaisesta työstä.
Teorian perustana on oletus, että sähköiset voimat ovat painavampia suuremmilla etäisyyksillä (galaksien mittakaava ja galaksijoukot) kuin painovoima.Jos oletetaan, että plasma täyttää koko maailmankaikkeuden ja sillä on hyvä johtavuus, se voisi johtaa valtavia sähkövirtoja (noin 1017–1019 ampeeria) kymmenien megaparsekkien asteikolla.
Tällaiset virrat luovat voimakkaan galaktisen magneettikentän, joka puolestaan muodostaasekä galaksien että niiden klustereiden (galaktisten filamenttien tai filamenttien) rakenne.
Tällaisen voimakkaan kentän läsnäolo selittää helposti galaktisten käsivarsien muodostumisen (galaktisten aseiden muodostumisen syystä ei ole vielä yksimielisyyttä), galaktisten levyjen pyörimisnopeuden jakautumisensäde, poistaa tarpeen ottaa käyttöön pimeän aineen halo.
Mutta tällä hetkellä nykyaikainen astrofysiikka ei havaitse tällaisia voimakkaita virtoja kymmenien megaparsekkien mittakaavassa eikä korkeita intergalaktisia ja intragalaktisia magneettikenttiä.
Alfvén ja Anthony Perrathin plasmakosmologian oletukset filamenttisolurakenteesta ja maailmankaikkeuden homogeenisuudesta suuressa mittakaavassa (ns. maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenne) saivat yllättäen vahvistusta 1980-luvun lopun ja 1990-luvun havainnoissa, mutta nämäkin havainnot selitetään yleisesti hyväksytyn kosmologisen mallin puitteissa.
Maailmankaikkeuden filamenttirakenteen selittämiseksi hehkulangan muodostumisen teoria, joka johtuugravitaatioepävakaus (aluksi massan lähes tasainen jakautuminen keskittyy kaustisiin aineisiin ja johtaafilamenttien muodostumiseen), pimeän aineen kasvavista rakenteista, joita pitkin muodostuu näkyvän aineen rakenne (tällaisen pimeän aineen rakenteen alkuperä selittyy inflaatioprosessin kvanttivaihteluilla).
Tällä hetkellä plasman kosmologiateoria on epäsuosittu, koska se kieltää maailmankaikkeuden kehityksen Suuren Bangin polulla. Toisaalta, jos hylkäämme Big Bang -teorian ja katsomme maailmankaikkeuden iäksi paljon yli 13,5 miljardia vuotta, piilevä massa voidaan suurelta osin selittää sellaisilla MACHO-esineillä kuin mustat kääpiöt, jotka kehittyvät valkoisista kääpiöistä, ovat jäähtyneet kymmenien miljardien vuosien ajan ...
- Aine muista ulottuvuuksista (rinnakkaisuniversumit)
Joissakin teorioissa, joissa on ylimääräisiä ulottuvuuksia, painovoima hyväksytään ainutlaatuisena vuorovaikutustyyppinä, joka voitoimia tilassamme ylimääräisistä ulottuvuuksista.
Tämä oletus auttaa selittämäängravitaatiovaikutuksen suhteellinen heikkous verrattuna kolmeen muuhun perusvuorovaikutukseen (sähkömagneettinen, vahva ja heikko): painovoima on heikompaa, koska se voi olla vuorovaikutuksessa massiivisen aineen kanssa ylimääräisissä ulottuvuuksissa, tunkeutua esteeseen, johon muut vuorovaikutukset eivät pääse.
Tästä seuraa, että pimeän aineen vaikutus voidaan loogisesti selittää tavallisten ulottuvuuksiemme näkyvän aineen vuorovaikutuksella muiden (ylimääräisten, näkymättömien) ulottuvuuksien massiivisen aineen kanssa painovoiman kautta.Samaan aikaan muun tyyppiset vuorovaikutukset, nämä ulottuvuudet ja tämä asia niissä eivät voiHe eivät voi tuntea sitä, he eivät voi olla vuorovaikutuksessa sen kanssa.
Materia muissa ulottuvuuksissa (itse asiassa rinnakkaisuniversumissa) voi muodostua rakenteiksi (galakseiksi, galaksijoukoiksi, filamenteiksi) samalla tavalla kuin meidän ulottuvuutemme, tai se voi muodostaa omia, eksoottisia rakenteitaan, jotka ulottuvuuksissamme tuntuvat gravitaatiohalona näkyvien galaksien ympärillä.
Tulokset maailmankaikkeuden rakenteen evoluution numeerisesta mallinnuksesta
- Topologiset avaruusviat
Pimeä aine voi olla vain alkukantaista(alkavat alkuräjähdyksen aikaan) avaruudessa ja / tai kvanttikenttien topologiassa olevat viat, jotka voivat sisältää energiaa aiheuttaen siten painovoimia.
Tätä oletusta voidaan tutkia ja testata avaruusluotaimien kiertorataverkolla (maapallon ympäri tai aurinkokunnan sisällä), joka on varustettu tarkoilla, jatkuvasti synkronoiduilla (GPS: ää käyttävillä) atomikelloilla, jotka tallentavattällaisen topologisen vian kulku tietyn verkon läpi.
Vaikutus näyttää olevan selittämätön (yleinensuhteellisuussyistä) näiden kellojen kulun epäsuhta, jolla on selkeä alku ja ajan myötä loppu (riippuen liikkeen suunnasta ja tällaisen topologisen vian koosta).
Galaxy ilman pimeää ainetta
Tutkijat löytävät galakseja ilman pimeää ainetta, mutta on mahdotonta selittää niiden muodostumista.
- NGC1052-DF2
NGC1052-DF2-galaksissa on ainakin 400 kertaa vähemmän pimeää ainetta kuin pitäisi olla.
Mittausten tulokset käyttäenKeckin observatorion 10 metrin teleskooppi ja Hubble-avaruusteleskooppi (nämä ovat parhaita saatavilla olevia tähtitieteellisiä instrumentteja) myöntävät myös, että NGC1052-DF2:ssa ei ole lainkaan pimeää ainetta.
Tämä galaksi, joka näkyy vain suurten kaukoputkien läpi,sen kokonaiskirkkaus on 100 miljoonan Auringon kaltaisen tähden tasolla ja sen massa on noin 200 miljoonaa kertaa suurempi kuin Auringon massa - näiden parametrien mukaan NGC1052-DF2 ei erotu liikaa yleisestä sarjasta.
Mutta mitä löytyy hänen kymmenestäsuhteellisen kirkkaat esineet, ja tästä johtuen galaksi osoittautuu useissa kuvissa joukoksi kirkkaita pisteitä epäselvän pilven sijasta, on jo paljon mielenkiintoisempi tosiasia; juuri hän sai tähtitieteilijät kääntämään teleskooppeja tiukasti pakatulla aikataululla kohti NGC1052-DF2: ta.
Tutkijoiden mukaan nämä valopilkutovat pallomaisia tähtijoukkoja, mutta niiden lukumäärä ja luminositeettijakauma ovat niin epätavallisia, että tähtitieteilijät jopa kieltäytyivät puhumasta yksityiskohtaisesti näistä kohteista tässä julkaisussa ja lupasivat palata asiaan tarkemmin toisessa, vielä valmisteilla olevassa julkaisussa.
Jos vertaamme NGC1052-DF2:ta muihinSaman massan galakseja, pimeän aineen näkymätön sädekehä pitäisi olla neljäsataa kertaa raskaampi kuin tähtitieteilijät löytävät, mikä on erittäin epätavallinen tulos.
- NGC 1052-DF4
Tutkijat kuvaavat tuloksia lisähavainnot, jotka mahdollistivat luotettavampien arvioiden tekemisen nopeuden hajoamisesta tähtien liikkeiden perusteella. Tämän seurauksena tähtitieteilijät saivat arvon 8,5 kilometriä sekunnissa huomattavasti pienemmillä virheillä (noin 30 %).
Näistä tiedoista seuraa, että kokonaismassagalaksi on suunnilleen yhtä suuri kuin valoaineen massa, mikä poistaa pimeän aineen kulkeutumisen tarpeen tässä tapauksessa. Tutkijat löysivät myös lähellä olevan samanlaisen galaksin NGC 1052-DF4, jolla oli myös erittäin pieni tähtenopeuksien hajonta - noin 4,2 kilometriä sekunnissa, mutta virheet ovat tässä tapauksessa noin 80%.
Kirjoittajien mukaan saadut tiedot ovat korkeatominaisuudet tarjoavat vakuuttavia todisteita yhden poikkeuksellisen galaksin olemassaolosta ilman pimeää ainetta, vaan myös uuden luokan samanlaisia kohteita.
He muistuttavat myös, että näitä tuloksia ei oleei millään tavoin kumoa pimeän aineen hypoteesia, vaan päinvastoin vahvistaa sen välttämättömyyden: jos sen kuvaamat vaikutukset tosiasiallisesti syntyivät tavallisesta aineesta, niin sellaista tilannetta ei voisi syntyä, ja koska esine, jolla ei ole pimeää ainetta, löytyy , tässä puhutaan tarkalleen kahden erillisen aineen olemassaolosta, jotka eivät ole suoraan yhteydessä toisiinsa.
Kuinka galaksit voivat olla olemassa ilman pimeää ainetta?
Galaksit, jotka havaintojen perusteella päätelleneivät käytännössä sisällä pimeää ainetta - ainetta, joka on heikosti vuorovaikutuksessa ympäröivän aineen kanssa, jonka uskotaan olevan vastuussa 26,8 prosentista maailmankaikkeuden massasta - vaikeuttaa tähtitieteilijöiden ymmärrystä tämän aineen luonteesta.
Tällaisia esineitä löydettiin viimeaikaisen seurauksenahavainnot haastavat astrofyysikkojen hyväksymän Lambda-CDM-kosmologisen mallin, jonka mukaan kaikkien galaksien tulisi olla ympäröimänä massiivinen pimeän aineen halo.
Pimeästä aineesta vapaat esineet eivät ole kovintähtitieteilijät tutkivat hyvin. Yksi tapa tutkia niiden muodostumisen mahdollisia mekanismeja on havaita useita niistä eri kehitysvaiheissa. Galaksien tietojen käsittely tietokonemallilla mahdollistaa niiden evoluution jäljittämisen.
Näiden rakenteen ymmärtämiseksiesineitä, tutkijat ovat mallinneet evoluutionsa käyttämällä Illustris-mallia, jossa otetaan huomioon tähtien elinkaaret, supernoovien ja mustien aukkojen vaikutus sekä galaksien sulautuminen. Tutkijat löysivät mallin luomasta järjestelmästä useita "kääpiögalakseja", joissa oli sama määrä tähtiä, pallomaisten ryhmien lukumäärä ja pimeän aineen massa.
Kuten nimestä voi päätellä, kääpiögalaksion pieni ja koostuu useista miljardeista tähdistä. Sitä vastoin Linnunradalla, jota kiertää yli 20 tunnettua kääpiögalaksia, on 200-400 miljardia tähteä.
Pallomaisia klustereita käytetään usein arvioinnissatumman aineen pitoisuus galakseissa, erityisesti pienissä. Astrofyysikot ovat havainneet, että kääpiögalaksit ovat menettäneet 90% pimeästä aineestaan seurauksena siitä, että niiden omat painovoimat "työntävät" pois materiaalia.
Mikä lopputulos on?
Mustien aukkojen löytäminen ilman pimeää ainetta ei ole mahdollistatarkoittaa, että sitä ei ole olemassa. Päinvastoin, galaksi, jolla ei ole tyypillistä tähtien jakautumista nopeuden mukaan, heikentää niiden teorioiden asemaa, jotka yrittävät liittää havaintotulokset johonkin yleismaailmalliseen vaikutukseen, joka ei liity pimeään aineeseen.
Se on modifioidussa Newtonin dynamiikassatähtien tulisi aina pyöriä galaksien keskipisteen ympärillä suunnilleen samalla nopeudella, ja NGC1052-DF2 pelaa tätä mallia vastaan, joka on jo menettänyt monien asiantuntijoiden tuen.
Tunnustaa galaksin olemassaolo ilman pimeääaineesta, nykyaikainen astrofysiikka voi hyvinkin olla, kun taas ajatus siitä, että universaalin painovoiman laki toimii valikoivasti maailmankaikkeuden eri osissa, vaikuttaa ainakin epäilyttävältä.
Lue lisää
Maailman suurin jäävuori romahti, palaset ryntäsivät pohjoiseen. Onko se vaarallista?
Rakettipolttoaineen jälkiä löydettiin Saturnuksen kuusta Rhea. Mistä se tulee?
Abortti ja tiede: mitä tapahtuu synnyttäville lapsille