Tähtitieteilijät ovat vielä varhaisessa vaiheessa pimeän aineen luonnetta ja ominaisuuksia koskevissa kysymyksissä.
Teoria tämän aineen olemassaolosta oliesitettiin yli 40 vuotta sitten selityksenä galaksin kaikkien näkyvien objektien massan ja itse galaksin massan väliselle erolle. Tähtitieteilijä Vera Rubin, joka ensimmäisenä löysi eron, päätti, että tämä näkymätön aine on erittäin yleinen ja muodostaa suurimman osan universumista. Nykyään tunnemme tämän aineen pimeänä aineena.
Vera Rubin. Kuva: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Vaikka tähtitieteilijöillä on vähintään kolmetodisteet siitä, että pimeää ainetta on olemassa, mikään yritys yrittää havaita suoria todisteita sen olemassaolosta ja määrittää sen ominaisuuksia ei onnistunut.
Kuitenkin Yalen yliopiston tutkijoiden työ vuonna 2008. \ TPeter van Dokkumin johdolla, joka julkaistiin Nature-lehdessä maaliskuussa 2018, tiedemiehet toivat enemmän kuin koskaan tutkijoita lähemmäs toista todistetta tämän aineen olemassaolosta.
Mitä astronomit tietävät pimeästä aineesta?
Tumma aine on aine, joka ei olevuorovaikutuksessa muiden asioiden kanssa sähkömagneettisten (EM) tai vahvojen ydinvoimien avulla. Sähkömagneettisten vuorovaikutusten puuttuminen tarkoittaa sitä, että se ei voi säteillä, absorboida, heijastaa, taittaa tai hajottaa valoa. Tämä tietysti tekee siitä melko monimutkaisen tarkkailun kohteen. Kuitenkin noin 85% maailmankaikkeudesta on tummaa ainetta.
Tähän mennessä tiedemiehillä ei ole käytännön todisteita siitä, että tumma aine on todella olemassa, mutta teoreettinen on olemassa. Tässä ovat kolme tärkeintä.
Galaktiset kiertokäyrät
Kun yksi kohde pyörii toisen,kiertoradalla oleva objekti on kiihdytettävä jatkuvasti keskelle (tai tarkemmin sanottuna ne molemmat kiihdyttävät yhdistettyyn massakeskukseen). Ilman tätä kiihtyvyyttä kiertorunko vain lentää pois.
Mitä nopeammin kiertorunko liikkuu,enemmän kiihtyvyyttä tarvitaan pitämään sitä kiertoradalla. Koska tässä tapauksessa kiihtyvyys johtuu painovoimasta, tämä tarkoittaa, että keskusmassan on oltava suurempi.
Tämän tiedon avulla tutkijat voivat "punnita" erilaisiagalaksin osia, samoin kuin mitataan pyörimisnopeuksia, verraten punaista siirtymistä galaksin lähestyville ja taantuville puolille. Kun painotetaan, tähtitieteilijät näkevät eron galaksin kaikkien kohteiden massan ja sen kokonaismassan välillä.
punasiirtymä— kemiallisten alkuaineiden spektrilinjojen siirtyminenpunaiselle (pitkän aallonpituuden) puolelle. Tämä ilmiö voi olla ilmentymä heikosta diffuusista sironnasta, Doppler-ilmiöstä tai painovoiman punasiirtymästä tai näiden yhdistelmästä. Spektrilinjojen siirtymisen taivaankappaleiden spektrissä kuvasi ensimmäisen kerran ranskalainen fyysikko Hippolyte Fizeau vuonna 1848 ja ehdotti Doppler-ilmiötä, joka johtuu tähden säteittäisnopeudesta selittämään siirtymää.
Gravity-objektiivi
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan mikä tahansaaika, joka kulkee gravitaatiokentän läpi, on hieman vääristynyt. Se toimii painovoimana ja voi tuottaa esimerkiksi Einstein-renkaita, kuten alla olevassa kuvassa.
Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kertooettä sellaisten suurten avaruusobjektien kuin galaksien painovoima taipuu sen ympärillä olevaa tilaa ja heijastaa valonsäteet. Kun näin tapahtuu, vääristynyt kuva toisesta galaksista - valonlähde.
Yllä olevassa kuvassa on Einstein-rengasvääristetty kuva yhdestä galaksista (se on korostettu sinisellä), joka sijaitsee toisen (punaisen) galaksin takana keskellä. Sininen valo leviää kaikkiin suuntiin, mutta punaisen galaksin painovoima taivuttaa. Tämä tarkoittaa sitä, että valo, joka esimerkiksi alun perin suunnattiin suoraan maapallolle, ei koskaan saavuta planeettamme - toisin kuin valo, jolla oli eri suunta, mutta jota objektiivi vääristeli, ja etenee samaan suuntaan kuin kaikilta suunnilta. Tämä prosessi selittää renkaan ulkonäön.
Heikoissa gravitaatiolinsseissä tilastollinenanalysoimalla saamamme valon vääristymiä voimme "huomata" maan ja kaukaisten galaksien välisen gravitaatiokentän. Tällä alalla on usein enemmän massaa – ja siten enemmän ainetta – kuin tiedemiehet voivat selittää.
Esimerkki gravitaatiolinssistä, joka olemassa olevan teorian näkökulmasta todistaa pimeän aineen olemassaolon, on valokuva Bullet-galaksijoukosta, joka sijaitsee Carinan tähdistössä.
Kuvassa näkyy kahden galaksin törmäyksen jälki. Kuvan punainen osoittaa näkyvän aineen alueita, sininen pimeää ainetta, jonka läsnäolo määräytyy gravitaatiolinssin avulla.
Tämä ero johtuu siitä, ettäSuurin osa galaksien klusterissa olevasta valoaineesta on keskikokoisessa väliaineessa - kuumassa, tiheässä plasmassa. Kun plasman osat törmäävät toisiinsa, huomattava määrä ainetta hidastuu ja pysyy keskellä. Mutta tumma materiaali on heikosti vuorovaikutuksessa aineen kanssa, joten sen komponentit kahdesta klusterista voivat vapaasti kulkea toisilleen - tämä johtaa kuvassa esitettyyn erottumiseen.
Reliikkisäteily
Ensimmäisten muutaman sadan tuhannen vuoden aikanaAlkuräjähdyksessä maailmankaikkeus oli tarpeeksi kuuma ionisoituakseen voimakkaasti. Tämä teki siitä tilapäisesti melkein läpinäkymättömän valolle - fotonit pyörivät kuten mikä tahansa muu hiukkanen. Kuitenkin, kun asiat jäähtyivät tarpeeksi, merkittävät määrät protoneja ja elektroneja yhdistyivät muodostaen neutraalia vetyä, joka muuttui riittävän läpinäkyväksi suurimmalle osalle sitä ympäröivästä valosta. Tämä prosessi tapahtui melko nopeasti (kosmologisen ajan suhteen) - seurauksena kaikki universumin sisältämä valo, suhteellisesti sanottuna, vapautui yhtäkkiä ulos ottamalla tilannekuvan sen evoluution siinä vaiheessa. Tämä on yksinkertaistettu tapa kuvata kosmista mikroaaltotaustasäteilyä.
Tämän valon havaitsemiseksi tiedemiehet voivatkohdistaa radioteleskooppeja mihin tahansa suuntaan, ja havaintoalueesta riippuen lämpötila muuttuu hieman. Lämpötilan ero selittyy pimeän aineen läsnäololla tai puuttumisella tällä alueella.
Mikä on epätavallista ensimmäisessä galaksissa?
DF2 on galaksi, joka on osa suurta ryhmääjohti massiivinen elliptinen galaksi NGC 1052. Galaksi kiinnitti tutkijoiden huomion, koska se näytti erilaiselta Dragonfly and Sloan Digital Sky Surveyn (SDSS) valokuvissa. Ensimmäisessä galaksi näytti heikosti valopilkuna, kun taas toisessa se oli ryhmä pistekohteita.
Näiden havaintojen perusteella tutkijat johtivatPeter van Dokkum tunnisti kymmenen pallomaista klusteria (suuria ryhmiä vanhoja tähtiä) galaksin sisällä ja havaitsi, että ne liikkuvat kolme kertaa hitaammin kuin jos pimeää ainetta olisi paljon. Tosiasia on, että jos galaksin massa olisi suurempi kuin näkyvien esineiden massa, klusterit pyöriisivät nopeammin.
Tiedeyhteisö arvioi julkaisun kriittisesti— tutkijoiden virhe oli, että he havainnoivat vain kymmentä klusteria ja vain kaksi yötä. Skeptikot uskoivat, että tiedemiehet ovat saattaneet jättää huomiotta tähtijoukkojen liikkeen keskeiset yksityiskohdat, minkä seurauksena heidän arvionsa galaksin massasta ja näkyvästä aineesta vääristyivät.
Ja toisessa?
Ainoa tapa todistaa niiden oikeellisuusTarkkailu oli toisen galaksin etsiminen, joka sisälsi pimeän aineen vähimmäismäärän, ja maaliskuussa 2019 löydettiin tällainen galaksi.
Tutkijat julkaisivat kaksi tieteellistä artikkelia - vuonnaHe olivat ensimmäiset, jotka mittasivat DF2:n massan uudelleen käyttämällä Hubblen kehittynyttä kameraa ja 10 metrin kaukoputkea Keckin observatoriossa Havaijilla. Tällä kertaa tähtitieteilijät eivät havainneet vain klustereiden liikenopeutta, vaan myös niiden sisällä olevien tähtien pyörimisnopeutta. Tämän seurauksena tiedemiehet ovat todenneet, että DF2 on läpinäkyvä ultradiffuusi galaksi, jonka koko on suunnilleen sama kuin Linnunrata. Siinä oli vain noin 200 kertaa vähemmän tähtiä.
Toinen artikkeli oli omistettu tällaisen löytämiselleDF2-galaksit - DF4, joka sijaitsee samassa klusterissa galaksin NGC 1052 vieressä. Tutkijat uskovat, että ensinnäkin galaksit, joilla on vähäinen määrä pimeää ainetta, eivät ole harvinaisia, ja toiseksi, että suuri galaksi voisi varastaa pimeän naapureilta.
Kuinka pimeän aineen puuttuminen voi olla todiste sen olemassaolosta?
Ymmärtää toteamus, että pimeyden puuttuminenasia kahdessa galaksissa vahvistaa sen läsnäolon maailmankaikkeudessa yleisen suhteellisuusteorian mukaisesti, on syytä pohtia kritiikkiä ajatuksesta tummasta aineesta.
Jotkut tutkijat eivät ole samaa mieltä maailmankaikkeudestaon tummaa ainetta ja teoreettinen näyttö sen läsnäolosta johtuu ns. modifioidusta Newtonin dynamiikasta (MOND). Tämä vaihtoehtoinen teoria sanoo, että kosmisen asteikon painovoima ei toimi tavalla, jolla Isaac Newton tai Albert Einstein ennusti. Tämä tarkoittaa sitä, että yleinen suhteellisuusteoria, johon teoriaa syntyy pimeän aineen olemassaolosta, ei toimi galaksien tapauksessa.
Esimerkiksi teoreettinen fyysikko Erik Verlinde alkaenAmsterdamin yliopisto julkaisi vuonna 2016 tieteellisen artikkelin, jossa tarkasteltiin painovoimaa kvanttivuorovaikutuksen sivutuotteena ja ehdotettiin, että pimeään aineeseen liittyvä lisäpainovoima johtuu pimeästä energiasta - taustaenergiasta, joka on kudottu universumin avaruus-aikakudokseen.
Toisin sanoen Verlinde uskoo, että pimeä aine ei ole ainetta, vaan vain tavallisen aineen ja pimeän energian vuorovaikutusta.
Yale-yliopiston tutkijoiden löytäminenosoittaa, että pimeää ainetta voidaan erottaa tavallisesta aineesta edellyttäen, että molemmat havaitut galaksit käyttäytyvät vakion teoreettisen teorian mukaisesti. Toisin sanoen niissä esiintyvät prosessit voidaan selittää käyttämällä Newtonin ja Keplerin löytämiä yhtälöitä.
Mitkä ovat kysymykset
Tähtitieteilijöiden löytö, jos onnistuuTulevien havaintojen kautta lopullisesti vahvistettu, haastaa olemassa olevan teorian galaksien muodostumisesta. Erityisesti puhumme oletuksesta, että suurempi NGC 1052 voisi "varastaa" pimeää ainetta DF2:sta ja DF4:stä. Jos tämä on todella mahdollista, edellyttäen, että molemmissa havaituissa galakseissa havaittu järjestys säilyy, tähtitieteilijöiden on harkittava täysin uudelleen niiden muodostumis- ja olemassaolomekanismia.
"Toivomme selvittää, kuinka yleinennämä galaksit ja onko ne olemassa muualla maailmankaikkeudessa. Haluamme löytää lisää todisteita, jotka auttavat meitä ymmärtämään, miten niiden ominaisuudet ovat johdonmukaisia tai eivät vastaa nykyisiä teorioita. Toivomme, että tämä antaa meille mahdollisuuden toteuttaa toinen askel ymmärtääksemme yksi maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä - pimeän aineen luonteesta, ”sanoi Dokkum keskustelussa tähtitieteen kanssa.