Cos'è la materia oscura?
La materia oscura in astronomia e cosmologia, così come nella forma fisica teorica
Il concetto di materia oscura viene introdotto per il teoricospiegazioni del problema della massa nascosta negli effetti della velocità di rotazione anomala delle regioni esterne delle galassie e delle lenti gravitazionali (coinvolgono materia la cui massa è molto maggiore della massa della normale materia visibile); tra gli altri, è il più soddisfacente.
La composizione e la natura della materia oscura sul realemomento sconosciuto. Nel quadro del modello cosmologico generalmente accettato, il modello della materia oscura fredda è considerato il più probabile. I candidati più probabili per il ruolo delle particelle sono i wimps. Nonostante le ricerche attive, non sono ancora stati trovati sperimentalmente.
Il termine stesso “materia oscura” potrebbe essere il primoveniva utilizzato per stimare la massa delle stelle nella galassia in base alla distribuzione delle loro velocità. Alla fine il termine cominciò ad essere usato proprio nel senso di materia non osservabile, la cui esistenza può essere giudicata solo dal suo effetto gravitazionale.
Mappa tridimensionale della distribuzione della materia oscura, costruita utilizzando il metodo delle lenti gravitazionali deboli nell'ambito del progetto COSMOS.
Teorie alternative sull'esistenza della materia oscura
- Teorie alternative della gravità
Quando si cerca di spiegare i fenomeni osservati,Sulla base della quale, nell'aggregato, è stata fatta una conclusione sulla necessità dell'esistenza della materia oscura, senza coinvolgere questo concetto, sono state prima espresse considerazioni sulla validità delle leggi generalmente accettate di interazione gravitazionale a grandi distanze.
Il più famoso è il modificatoLa dinamica newtoniana (MOND) è una teoria proposta all'inizio degli anni '80 dall'astrofisico israeliano Mordechai Milgrom che consiste in una modifica della legge di gravità che produce interazioni più forti in alcune regioni dello spazio in un modo che spiega la forma osservata delle curve di rotazione delle galassie .
Nel 2004, il fisico teorico YaakovBekenstein, anch'egli israeliano, ha sviluppato una generalizzazione relativistica di questa ipotesi: la teoria della gravità tensore-vettore-scalare, che spiega anche gli effetti osservati della lente gravitazionale.
Inoltre, nel 2007, il fisico canadese John Moffat ha proposto la sua teoria della gravità modificata, chiamata anche teoria della gravità scalare-tensore-vettore.
Proponenti delle teorie della gravità modificataconsiderano l'attuale mancanza di risultati positivi dagli esperimenti sulla rilevazione diretta delle particelle di materia oscura come un argomento a loro favore.
Nel frattempo, attualmente la maggior parte degli scienziatinon riconosce MOND, poiché i calcoli basati su di esso indicano la sua incoerenza. Il problema con le teorie alternative della gravità è che, anche se giustificano gli effetti individuali che sono conseguenze dell’esistenza della materia oscura, non li prendono comunque in considerazione nel loro insieme.
Non spiegano il comportamento osservatoammassi di galassie in collisione e non sono coerenti con gli argomenti cosmologici a favore della presenza di grandi quantità di materia invisibile non barionica nell'universo primordiale.
Abell 2218 Cluster of Galaxies
- Cosmologia del plasma
Questa teoria è stata sviluppata negli anni '60da un fisico svedese di nome Hannes Alfven (premio Nobel 1970 per le scoperte in magnetodinamica) - nel farlo ha utilizzato l'esperienza dei suoi studi sul plasma vicino alla Terra (aurora boreale) e le prime opere di Christian Birkeland.
La base della teoria è il presupposto cheLe forze elettriche sono più significative a grandi distanze (scala delle galassie e degli ammassi di galassie) rispetto alla gravità. Se assumiamo che il plasma riempia l’intero universo e abbia una buona conduttività, allora potrebbe condurre enormi correnti elettriche (circa 1017-1019 ampere) su scale di decine di megaparsec.
Tali correnti creano un potente campo magnetico galattico, che a sua volta forma la struttura di entrambe le galassie e dei loro ammassi (fili o filamenti galattici).
La presenza di un campo così potente spiega facilmentela formazione dei bracci galattici (non c'è ancora consenso sul motivo della formazione dei bracci galattici), la distribuzione della velocità di rotazione dei dischi galattici dal raggio, elimina la necessità di introdurre un alone di materia oscura.
Ma al momento l'astrofisica moderna non osserva correnti così potenti su una scala di decine di megaparsec, né campi magnetici intergalattici e intragalattici elevati.
Presupposti della cosmologia del plasmaLa struttura cellulare filamentosa e l'omogeneità dell'Universo su larga scala (la cosiddetta struttura a larga scala dell'Universo), realizzata da Alfvén e Anthony Perrat, sono state inaspettatamente confermate dalle osservazioni della fine degli anni '80 e '90, ma queste osservazioni sono anche spiegato nel quadro di modelli cosmologici generalmente accettati.
Spiegare la struttura filamentosa dell'Universo inAttualmente viene utilizzata la teoria della formazione di filamenti dovuta all'instabilità gravitazionale (inizialmente, una distribuzione quasi uniforme della massa si concentra sulle caustiche e porta alla formazione di filamenti), su strutture in crescita di materia oscura, lungo le quali si sviluppa la struttura del visibile si forma la materia (l'origine di tale struttura della materia oscura è spiegata dalle fluttuazioni quantistiche nel processo di inflazione).
Attualmente, la cosmologia del plasma comela teoria è impopolare, poiché nega lo sviluppo dell'Universo lungo il percorso del Big Bang. D'altra parte, se abbandoniamo la teoria del Big Bang e consideriamo l'età dell'Universo molto maggiore di 13,5 miliardi di anni, la massa nascosta può essere ampiamente spiegata da oggetti MACHO come le nane nere, che si evolvono dalle nane bianche che si sono raffreddati per decine di miliardi di anni ...
- Materia da altre dimensioni (universi paralleli)
Alcune teorie extra-dimensionali accettano la gravità come un tipo unico di forza che può agire sul nostro spazio extra-dimensionale.
Questa ipotesi aiuta a spiegarela relativa debolezza dell'interazione gravitazionale rispetto alle altre tre interazioni fondamentali (elettromagnetica, forte e debole): la gravità è più debole, poiché può interagire con la materia massiccia in dimensioni extra, penetrare una barriera inaccessibile ad altre interazioni.
Ne consegue che l'effetto materia oscura sìessere logicamente spiegato dall’interazione della materia visibile dalle nostre dimensioni ordinarie con la materia massiccia proveniente da altre dimensioni (extra, invisibili) attraverso la gravità. Allo stesso tempo, queste dimensioni e questa materia in esse contenute non possono sentire in alcun modo altri tipi di interazioni, non possono interagire con essa.
La materia in altre dimensioni (in realtà inUniverso parallelo) possono formarsi in strutture (galassie, ammassi di galassie, filamenti) in modo simile alle nostre misurazioni o formare strutture proprie ed esotiche, che nelle nostre misurazioni vengono percepite come un alone gravitazionale attorno alle galassie visibili.
Risultati della modellazione numerica dell'evoluzione della struttura dell'Universo
- Difetti topologici dello spazio
La materia oscura potrebbe essere solo primordiale(che si verificano al momento del Big Bang) difetti nello spazio e / o la topologia dei campi quantistici che possono contenere energia, causando così forze gravitazionali.
Questa ipotesi può essere esplorata everificato utilizzando una rete orbitale di sonde spaziali (intorno alla Terra o all'interno del Sistema Solare) dotate di un orologio atomico accurato e continuamente sincronizzato (utilizzando il GPS) che registrerà il passaggio di tale difetto topologico attraverso questa rete.
L'effetto apparirà come inspiegabile (comuneragioni relativistiche) disadattamento del corso di questi orologi, che ha un inizio chiaro e, con il tempo, la fine (a seconda della direzione del movimento e delle dimensioni di un tale difetto topologico).
Galaxy senza materia oscura
Gli scienziati stanno trovando galassie senza materia oscura, ma non c'è modo di spiegare come si sono formate.
- NGC1052-DF2
Nella galassia NGC1052-DF2 c’è almeno 400 volte meno materia oscura di quanto dovrebbe esserci.
Risultati delle misurazioni effettuate utilizzandoAnche il telescopio da 10 metri dell'Osservatorio Keck e il telescopio spaziale Hubble (questi sono i migliori strumenti astronomici oggi disponibili) ammettono che in NGC1052-DF2 non c'è affatto materia oscura.
Questa galassia, visibile solo attraverso grandi telescopi,ha una luminosità totale di 100 milioni di stelle come il Sole e la sua massa è circa 200 milioni di volte superiore alla massa del Sole - secondo questi parametri NGC1052-DF2 non si distingue molto dalla serie generale.
Ma cosa si trova dentro i suoi diecioggetti relativamente luminosi, e per questo motivo, in un certo numero di immagini, la galassia risulta essere un insieme di punti luminosi invece di una nuvola sfocata, è già un fatto molto più interessante; è stato lui a costringere gli astronomi a schierare telescopi con un programma serrato verso NGC1052-DF2.
Secondo i ricercatori, questi punti luminosisono ammassi globulari, ma il loro numero e la distribuzione della luminosità sono così insoliti che gli astronomi si sono addirittura rifiutati di parlare in dettaglio di questi oggetti in questa pubblicazione e hanno promesso di ritornare sull'argomento più dettagliatamente in un'altra pubblicazione, ancora in preparazione.
Se confrontiamo NGC1052-DF2 con altrigalassie della stessa massa, allora l’alone invisibile di materia oscura dovrebbe essere quattrocento volte più pesante di quello che trovano gli astronomi, un risultato estremamente insolito.
- NGC 1052-DF4
Gli scienziati descrivono i risultati di ulterioriosservazioni che hanno consentito di effettuare stime più affidabili della dispersione della velocità basate sui moti stellari. Di conseguenza, gli astronomi hanno ottenuto un valore di 8,5 chilometri al secondo con errori notevolmente inferiori (circa il 30%).
Da questi dati segue che la massa totalela galassia è approssimativamente uguale alla massa della sostanza luminosa, il che elimina la necessità di introdurre materia oscura in questo caso. Gli scienziati hanno anche scoperto vicino a una galassia simile NGC 1052-DF4, che aveva anche una dispersione estremamente bassa delle velocità stellari - circa 4,2 chilometri al secondo, ma gli errori in questo caso sono circa dell'80%.
Secondo gli autori i dati ottenuti sono elevatiqualità forniscono prove convincenti dell’esistenza non solo di una galassia eccezionale senza materia oscura, ma anche di una nuova classe di oggetti simili.
Ti ricordano anche che questi risultati non lo sononon confuta in alcun modo l'ipotesi della materia oscura, ma, al contrario, conferma la sua necessità: se gli effetti da essa descritti fossero effettivamente generati dalla materia ordinaria, allora una tale situazione non potrebbe sorgere, e poiché si trova un oggetto senza materia oscura , quindi questo parla proprio dell'esistenza di due tipi separati di sostanze che non sono direttamente correlate.
Come possono esistere le galassie senza la materia oscura?
Galassie che, a giudicare dalle osservazioni,non contengono praticamente materia oscura - una sostanza che interagisce debolmente con la materia circostante, che si ritiene sia responsabile del 26,8% della massa dell'Universo - complicano la comprensione da parte degli astronomi della natura di questa materia.
Tali oggetti scoperti a seguito di recentiQueste osservazioni sfidano il modello cosmologico Lambda-CDM adottato dagli astrofisici, secondo il quale tutte le galassie dovrebbero essere circondate da un enorme alone di materia oscura.
Gli oggetti privi di materia oscura non sono moltoben studiato dagli astronomi. Un modo per studiare i possibili meccanismi della loro formazione è osservarne diversi in diversi stadi di sviluppo. L'elaborazione delle informazioni sulle galassie utilizzando un modello computerizzato consente di tracciarne l'evoluzione.
Per capire la struttura di questioggetti, gli scienziati hanno modellato la loro evoluzione utilizzando il modello Illustris, che tiene conto dei cicli di vita delle stelle, dell'influenza di supernove e buchi neri e delle fusioni di galassie. I ricercatori hanno trovato nel sistema creato dal modello diverse "galassie nane" con lo stesso numero di stelle, il numero di ammassi globulari e la massa della materia oscura.
Come suggerisce il nome, una galassia nanaè piccolo e consiste di diversi miliardi di stelle. Al contrario, la Via Lattea, attorno alla quale orbitano più di 20 galassie nane conosciute, ha tra i 200 e i 400 miliardi di stelle.
Gli ammassi globulari vengono spesso utilizzati per la valutazionecontenuto di materia oscura nelle galassie, specialmente in quelle piccole. Gli astrofisici hanno scoperto che le galassie nane hanno perso il 90% della loro materia oscura come risultato della "spinta fuori" del loro materiale costituente dalle loro stesse forze gravitazionali.
Qual è la linea di fondo?
La scoperta di buchi neri senza materia oscura non è possibilesignifica che non esiste. Al contrario, una galassia senza una tipica distribuzione delle stelle in base alla velocità mina le posizioni delle teorie che tentano di attribuire i risultati osservativi a qualche effetto universale non correlato alla materia oscura.
È nella dinamica newtoniana modificatale stelle dovrebbero sempre ruotare attorno al centro delle galassie all'incirca alla stessa velocità, e NGC1052-DF2 gioca contro questo modello, che ha già perso il sostegno di molti esperti.
Ammettere l'esistenza di una galassia senza oscuritàdella materia, l'astrofisica moderna potrebbe benissimo, mentre l'idea che la legge di gravitazione universale funzioni selettivamente in diverse parti dell'Universo è quantomeno dubbia.
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