A csillagászok még korai stádiumban vannak, amikor a sötét anyag természetére és tulajdonságaira vonatkozó kérdésekről van szó.
Az elmélet ennek az anyagnak a létezéséről az volttöbb mint 40 évvel ezelőtt terjesztették elő a galaxisban található összes látható objektum tömege és magának a galaxisnak a tömege közötti eltérés magyarázataként. Vera Rubin csillagász, aki először fedezte fel az eltérést, megállapította, hogy ez a láthatatlan anyag rendkívül gyakori, és az Univerzum nagy részét alkotja. Ma ezt az anyagot sötét anyagként ismerjük.
Vera Rubin. Fotó: Carnegie Tudományos Intézet / carnegiescience.edu
Bár a csillagászoknak legalább három vanbizonyíték arra, hogy a sötét anyag létezik, és a létezésére vonatkozó közvetlen bizonyítékok felderítésére és annak tulajdonságainak meghatározására irányuló kísérletek nem voltak sikeresek.
Azonban a Yale Egyetem kutatóinak munkájaPeter van Dokkum vezetésével, amelyet 2018 márciusában jelent meg a Nature című folyóiratban, a tudósok egyre jobban közelítették a tudósokat ahhoz, hogy újabb bizonyítékot találjanak az anyag létezéséről.
Mit tudnak a csillagászok a sötét anyagról?
A sötét anyag olyan anyag, amely nemaz elektromágneses (EM) vagy erős nukleáris erők révén más ügyekkel kölcsönhatásba lép. Az elektromágneses kölcsönhatások hiánya azt jelenti, hogy nem képes fényt kibocsátani, elnyelni, visszaverni, visszaverni vagy diffúzálni. Ez természetesen meglehetősen bonyolult megfigyelési témát tesz. Azonban a világegyetem összes anyagának mintegy 85% -a sötét anyag.
Eddig a tudósoknak nincs gyakorlati bizonyítéka annak, hogy a sötét anyag valóban létezik, de elméleti. Itt vannak a három főbb.
Galaktikus forgási görbék
Ha egy objektum egy másik körül forog,a pályán lévő objektumot folyamatosan fel kell gyorsítani a középre (vagy pontosabban, mindkettő gyorsul a kombinált tömegközéppontig). E gyorsulás nélkül az orbitális test egyszerűen elrepül.
Minél gyorsabban mozog az orbitális test, atöbb gyorsításra van szükség ahhoz, hogy a pályán keringjen. Mivel ebben az esetben a gyorsulás gravitáció miatt van, ez azt jelenti, hogy a központi tömegnek nagyobbnak kell lennie.
Ez a tudás lehetővé teszi a tudósok számára, hogy „mérlegeljenek” másképpa galaxis részei, valamint a forgási sebességek mérése, összehasonlítva a galaxis közeledő és visszahúzódó oldalainak vöröseltolódását. A súlyozás során a csillagászok eltérést mutatnak a galaxisban lévő összes tárgy tömege és a teljes tömege között.
vöröseltolódás— a kémiai elemek spektrumvonalainak eltolódásaa vörös (hosszú hullámhosszú) oldalra. Ez a jelenség lehet a gyenge diffúz szórás, a Doppler-effektus vagy a gravitációs vöröseltolódás, vagy ezek kombinációja. A spektrumvonalak eltolódását az égitestek spektrumában először Hippolyte Fizeau francia fizikus írta le 1848-ban, és a csillag sugárirányú sebessége által okozott Doppler-effektust javasolta az eltolódás magyarázatára.
Gravitációs lencse
Az általános relativitáselmélet szerint bármelya gravitációs mezőn áthaladó idő kissé torz. Ez egy gravitációs lencse, és például az „Einstein-gyűrűk”, mint az alábbi képen.
Einstein általános relativitáselméleti állapotahogy az ilyen nagyméretű helyiségek, mint a galaxisok gravitációja hajlítja a körülötte lévő helyet, és a fénysugarakat elhajolja. Amikor ez megtörténik, egy másik galaxis torz képe - a fényforrás.
A fenti képen az „Einstein-gyűrű”torzított kép egy galaxisról (kék színnel kiemelve), a másik (piros) galaxis mögött található. A kékből származó fény minden irányban elterjed, de a vörös galaxis súlya hajlítja. Ez azt jelenti, hogy a fény, amely például eredetileg közvetlenül a Földre irányult, soha nem éri el bolygónkat - ellentétben a fénygel, amely más irányban volt, de lencse torzította, és ugyanúgy halad, mint minden irányból egyszerre. Ez a folyamat a gyűrű megjelenését magyarázza.
Gyenge gravitációs lencsékben, statisztikaia kapott fény torzulásainak elemzése lehetővé teszi számunkra, hogy „észre vegyük” a Föld és a távoli galaxisok közötti gravitációs teret. Ezen a területen gyakran több a tömeg – és ezért több az anyag –, mint amennyit a tudósok meg tudnak magyarázni.
A gravitációs lencsék egyik példája, amely a létező elmélet szempontjából a sötét anyag jelenlétét bizonyítja, a Carina csillagképben található Bullet galaxishalmaz fényképe.
A képen két galaxis ütközésének következményei láthatók. A képen a piros a látható anyag területeit, a kék a sötét anyagot mutatja, amelynek jelenlétét a gravitációs lencse határozza meg.
Ez a különbség annak a ténynek köszönhető, hogyA galaxisok egy csoportjában lévő fényes anyag nagy része egy közepes közegben van - forró, sűrű plazmában. Amikor a plazma egy része összeütközik egymással, az anyag jelentős része lelassul és marad a központban. De a sötét anyag gyengén kölcsönhatásba lép az anyaggal, így a két klaszterből származó összetevői szabadon átjuthatnak egymáson - ez vezet a képen látható elválasztáshoz.
Relikus sugárzás
Az ezt követő első néhány százezer évbenAz ősrobbanáskor az univerzum elég forró volt ahhoz, hogy erősen ionizálódjon. Ez átmenetileg szinte átlátszatlanná tette a fényt – a fotonok úgy forogtak, mint bármely más részecske. Amikor azonban a dolgok kellőképpen lehűltek, jelentős mennyiségű proton és elektron egyesült semleges hidrogénné, amely kellően átlátszóvá vált az őt körülvevő fény nagy része számára. Ez a folyamat meglehetősen gyorsan lezajlott (a kozmológiai időt tekintve) - ennek eredményeként az Univerzumban lévő összes fény, viszonylagosan szólva, hirtelen kiszabadult, pillanatfelvételt készítve az evolúció azon szakaszában. Ez egy leegyszerűsített módszer a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás leírására.
A tudósok képesek észlelni ezt a fényta rádióteleszkópokat bármely irányba irányítani, és a megfigyelési területtől függően a hőmérséklet kis mértékben változik. A hőmérsékletkülönbséget a sötét anyag jelenléte vagy hiánya magyarázza ebben a régióban.
Mi szokatlan az első galaxisban?
A DF2 egy galaxis, amely egy nagy csoport részeAz NGC 1052 hatalmas elliptikus galaxis vezette. A galaxis felkeltette a tudósok figyelmét, mert a Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) által készített fényképeken másképp nézett ki. Az elsőben a galaxis gyenge fényfoltként jelent meg, míg a másodikban pontobjektumok csoportja volt.
E megfigyelések alapján a tudósok az élenPeter van Dokkum tíz gömbhalmazt (öreg csillagok nagy csoportjait) azonosított a galaxisban, és megállapította, hogy ezek háromszor lassabban mozognak, mintha sok sötét anyag lenne. A helyzet az, hogy ha a galaxis tömege nagyobb lenne, mint a látható objektumok tömege, a halmazok gyorsabban forognának.
A tudományos közösség kritikusan értékelte a kiadványt- a kutatók hibája az volt, hogy csak tíz klasztert figyeltek meg és csak két éjszakán át. A szkeptikusok úgy vélték, hogy a tudósok figyelmen kívül hagyhatták a csillaghalmazok mozgásának kulcsfontosságú részleteit, aminek következtében a galaxis tömegére és a látható anyagra vonatkozó becsléseik elferdültek.
És a második?
Az egyetlen módja annak, hogy bebizonyítsák a helyességüketA megfigyelés egy második galaxis keresése volt, amely tartalmazza a minimális mennyiségű sötét anyagot, és 2019 márciusában egy ilyen galaxist fedeztek fel.
A kutatók két tudományos cikket publikáltak - inŐk voltak az elsők, akik újramérték a DF2 tömegét a Hubble Advanced Camera és a hawaii Keck Obszervatórium 10 méteres teleszkópja segítségével. A csillagászok ezúttal nemcsak a halmazok mozgási sebességét figyelték meg, hanem a bennük lévő csillagok forgási sebességét is. Ennek eredményeként a tudósok megállapították, hogy a DF2 egy átlátszó ultradiffúz galaxis, amelynek mérete megközelítőleg megegyezik a Tejútrendszerével. Csak körülbelül 200-szor kevesebb csillag volt benne.
A második cikket az ilyen felfedezésre szenteltékDF2 galaxisok - DF4, amely ugyanabban a klaszterben helyezkedik el az NGC 1052 galaxis mellett. A kutatók úgy vélik, hogy a minimális mennyiségű sötét anyaggal rendelkező galaxisok nem ritkák, és másodszor, hogy egy nagy galaxis „lophat” a sötétet kisebb szomszédjaiktól.
Hogyan lehet a sötét anyag hiánya bizonyítani annak létezését?
Hogy megértsük azt a kijelentést, hogy a sötétA két galaxisban lévő anyag megerősíti jelenlétét az univerzumban az általános relativitáselmélet szerint, érdemes megfontolni a sötét anyag jelenlétének gondolata kritikáját.
Néhány tudós nem ért egyet azzal, hogy az univerzumbansötét anyag van, és elméleti bizonyítéka annak jelenlétének az ún. módosított Newtoni dinamikának (MOND) tulajdonítható. Ez az alternatív elmélet azt mondja, hogy a kozmikus skála gravitációja nem működik úgy, ahogy Isaac Newton vagy Albert Einstein megjósolta. Ez azt jelenti, hogy az általános relativitáselmélet, amelyen a sötét anyag létezésére vonatkozó elméletek épülnek, nem működik a galaxisok esetében.
Például Erik Verlinde elméleti fizikus tőlAz Amszterdami Egyetem 2016-ban publikált egy tudományos közleményt, amely a gravitációt a kvantumkölcsönhatások melléktermékeként vizsgálta, és azt javasolta, hogy a sötét anyagnak tulajdonított további gravitáció a sötét energia – az Univerzum tér-idő szövetébe szőtt háttérenergia – hatása.
Más szavakkal, Verlinde úgy véli, hogy a sötét anyag nem anyag, hanem csak a közönséges anyag és a sötét energia közötti kölcsönhatás.
A Yale Egyetem tudósainak felfedezésebizonyítja, hogy a sötét anyag elválasztható a szokásos anyagtól, feltéve, hogy mindkét kimutatott galaxis a szokásos gravitációs elmélet szerint viselkedik. Ez azt jelenti, hogy az azokban előforduló folyamatok a Newton és Kepler által felfedezett egyenletek segítségével magyarázhatók.
Mik a kérdések
A csillagászok felfedezése, ha sikerülA jövőbeli megfigyelések megerősítik, megkérdőjelezik a galaxisok kialakulására vonatkozó meglévő elméleteket. Különösen arról a feltételezésről beszélünk, hogy a nagyobb NGC 1052 „ellophatja” a sötét anyagot a DF2-től és a DF4-től. Ha ez valóban lehetséges, feltéve, hogy mindkét megfigyelt galaxisban megfigyelhető sorrend megmarad, akkor a csillagászoknak teljesen újra kell gondolniuk a kialakulásuk és létezésük mechanizmusát.
"Reméljük, hogy megtudjuk, milyen gyakoriezek a galaxisok és az univerzum más területein léteznek-e. További bizonyítékokat akarunk találni, amelyek segítenek megérteni, hogy a tulajdonságaik milyen következetesek vagy nem állnak összhangban a jelenlegi elméleteinkkel. Reméljük, hogy ez lehetővé teszi számunkra, hogy újabb lépést tegyünk az univerzumunk egyik legnagyobb rejtélyének megértésében - a sötét anyag természetében - mondta Dokkum az Asztronómiai beszélgetésben.