Klausimais, susijusiais su tamsiosios materijos prigimtimi ir savybėmis, astronomai iki šiolyra pradiniame etape
Teorija apie šios medžiagos egzistavimą buvodaugiau nei prieš 40 metų buvo pateiktas kaip paaiškinimas dėl neatitikimo tarp visų matomų objektų masės galaktikoje ir pačios galaktikos masės. Astronome Vera Rubin, kuri pirmoji atrado neatitikimą, nustatė, kad ši nematoma medžiaga yra labai paplitusi ir sudaro didžiąją Visatos dalį. Šiandien šią medžiagą žinome kaip tamsiąją medžiagą.
Vera Rubin. Nuotrauka: Carnegie mokslo institutas / carnegiescience.edu
Nors astronomai turi bent trisįrodymų, kad egzistuoja tamsioji medžiaga, nė vienas iš bandymų aptikti tiesioginius jo buvimo įrodymus ir nustatyti jo savybes nebuvo sėkmingas.
Tačiau mokslininkų iš Yale universiteto darbaskovo mėn. žurnale „Nature“ paskelbtas Peteris van Dokkumas, mokslininkai mokslininkus labiau priartino prie dar vieno šios medžiagos buvimo įrodymo.
Ką astronomai žino apie tamsiąją medžiagą?
Tamsia medžiaga yra medžiaga, kuri nėrasąveikauja su kitais klausimais elektromagnetinėmis (EM) arba stipriomis branduolinėmis jėgomis. Elektromagnetinių sąveikų nebuvimas reiškia, kad jis negali spinduliuoti, sugerti, atspindėti, suskaidyti ar išsklaidyti šviesą. Tai, žinoma, tampa gana sudėtingu stebėjimo tema. Tačiau apie 85 proc. Visos medžiagos visatoje yra tamsioji medžiaga.
Kol kas mokslininkai neturi jokių praktinių įrodymų, kad tamsioji medžiaga iš tikrųjų egzistuoja, tačiau yra teorinių. Čia yra trys pagrindiniai.
Galaktinės sukimosi kreivės
Kai vienas objektas sukasi aplink kitą,orbitoje esantis objektas turi būti nuolat pagreitintas iki centrinio (arba, tiksliau, abu jie pagreitėja į bendrą masės centrą). Be šio pagreičio, orbitos kūnas paprasčiausiai skris.
Kuo greičiau juda orbitinis kūnas,reikia daugiau pagreičio, kad ji būtų laikoma orbitoje. Kadangi šiuo atveju pagreitis atsiranda dėl gravitacijos, tai reiškia, kad centrinė masė turi būti didesnė.
Šios žinios leidžia mokslininkams „pasverti“ skirtingusgalaktikos dalys, taip pat matuoti sukimosi greitį, lyginant artėjančius ir besitęsiančius galaktikos kraštus. Sveriant, astronomai mato skirtumą tarp visų galaktikos objektų masės ir jos bendros masės.
Redshift— cheminių elementų spektrinių linijų poslinkisį raudoną (ilgo bangos ilgio) pusę. Šis reiškinys gali būti silpnos difuzinės sklaidos, Doplerio efekto arba gravitacinio raudonojo poslinkio išraiška arba jų derinys. Spektrinių linijų poslinkį dangaus kūnų spektruose pirmasis aprašė prancūzų fizikas Hippolyte'as Fizeau 1848 m. ir pasiūlė Doplerio efektą, kurį sukelia radialinis žvaigždės greitis, paaiškindamas poslinkį.
Gravitacijos objektyvas
Pagal bendrą reliatyvumo teoriją, bet kurilaikas, per kurį jis eina per gravitacinį lauką, yra šiek tiek iškreiptas. Jis veikia kaip gravitacinis lęšis ir gali gaminti, pavyzdžiui, „Einšteino žiedus“, kaip ir toliau pateiktame paveikslėlyje.
Einšteino bendroji reliatyvumo teorija teigiakad tokių didelių erdvių objektų, kaip galaktikos, sunkumas sulenktų aplink ją ir nukreipia šviesos spindulius. Kai tai įvyksta, iškraipytas kito galaktikos vaizdas - šviesos šaltinis.
„Einšteino žiedas“ aukščiau esančiame paveikslėlyjeiškraipytas vieno galaktikos vaizdas (jis pažymėtas mėlyna spalva), esantis už kitos (raudonos) galaktikos centre. Šviesa iš mėlynos spalvos sklinda visomis kryptimis, tačiau ją sulenkia raudonos galaktikos sunkumas. Tai reiškia, kad šviesa, kuri, pavyzdžiui, iš pradžių buvo nukreipta tiesiai į Žemę, niekada nepasieks mūsų planetos - skirtingai nuo šviesos, kuri turėjo kitokią kryptį, bet buvo iškreipta objektyvo ir vyksta taip, lyg iš karto iš visų krypčių. Šis procesas paaiškina žiedo išvaizdą.
Silpnuose gravitaciniuose lęšiuose, statistinisanalizuodami gaunamos šviesos iškraipymus, galime „pastebėti“ gravitacinį lauką tarp Žemės ir tolimų galaktikų. Šioje srityje dažnai yra daugiau masės, taigi ir medžiagos, nei mokslininkai gali paaiškinti.
Gravitacinio lęšio pavyzdys, kuris esamos teorijos požiūriu įrodo tamsiosios materijos buvimą, yra Bullet galaktikų spiečiaus, esančio Karinos žvaigždyne, nuotrauka.
Vaizdas rodo dviejų galaktikų susidūrimo padarinius. Raudona paveikslėlyje rodo matomos materijos sritis, mėlyna – tamsiąją medžiagą, kurios buvimą lemia gravitacinis lęšis.
Šis skirtumas yra dėl to, kadDidžioji dalis galaktikų grupėje esančios šviesos medžiagos yra vidinėje terpėje - karštoje, tankioje plazmoje. Kai dalis plazmos susiduria tarpusavyje, didelis medžiagos kiekis sulėtėja ir išlieka centre. Tačiau tamsioji medžiaga silpnai sąveikauja su medžiaga, todėl jos komponentai iš dviejų grupių gali laisvai pereiti vienas po kito - tai lemia nuotraukoje parodytą atskyrimą.
Relicinė spinduliuotė
Per pirmuosius kelis šimtus tūkstančių metų poDidžiojo sprogimo metu visata buvo pakankamai karšta, kad taptų stipriai jonizuota. Dėl to jis laikinai tapo beveik nepermatomas šviesai - fotonai sukasi kaip bet kuri kita dalelė. Tačiau, kai viskas pakankamai atvėso, didelis kiekis protonų ir elektronų susijungė į neutralų vandenilį, kuris tapo pakankamai skaidrus daugumai jį supančios šviesos. Šis procesas įvyko gana greitai (kosmologinio laiko atžvilgiu) – dėl to visa Visatoje esanti šviesa, santykinai tariant, staiga buvo išleista, darant momentinę nuotrauką tame jos evoliucijos etape. Tai supaprastintas būdas apibūdinti kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę.
Norėdami aptikti šią šviesą, mokslininkai galinukreipti radijo teleskopus bet kuria kryptimi, o priklausomai nuo stebėjimo zonos temperatūra šiek tiek keisis. Temperatūros skirtumas paaiškinamas tamsiosios medžiagos buvimu ar nebuvimu šiame regione.
Kas yra neįprasta pirmojoje galaktikoje?
DF2 yra galaktika, kuri yra didelės grupės daliskuriai vadovavo didžiulė elipsinė galaktika NGC 1052. Ši galaktika patraukė mokslininkų dėmesį, nes kitaip atrodė Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) nuotraukose. Pirmajame galaktika pasirodė kaip silpnos šviesos dėmė, o antroje tai buvo taškinių objektų grupė.
Remdamiesi šiais stebėjimais, mokslininkai vadovaujaPeteris van Dokkumas galaktikos viduje nustatė dešimt rutulinių spiečių (didelių senų žvaigždžių grupių) ir išsiaiškino, kad jos juda tris kartus lėčiau nei tuo atveju, jei būtų daug tamsiosios medžiagos. Faktas yra tas, kad jei galaktikos masė būtų didesnė už matomų objektų masę, klasteriai suktųsi greičiau.
Mokslo bendruomenė leidinį įvertino kritiškai- tyrėjų klaida buvo ta, kad jie stebėjo tik dešimt grupių ir tik dvi naktis. Skeptikai manė, kad mokslininkai galėjo nepastebėti pagrindinių žvaigždžių spiečių judėjimo detalių, todėl jų galaktikos masės ir matomos medžiagos įvertinimai buvo iškreipti.
Ir antrajame?
Vienintelis būdas įrodyti jų teisingumąStebėjimas buvo antrosios galaktikos paieška, kurioje būtų minimalus tamsiosios medžiagos kiekis, ir 2019 m. Kovo mėn. Buvo atrasta tokia galaktika.
Tyrėjai paskelbė du mokslinius straipsnius – mJie pirmieji išmatavo DF2 masę naudodami pažangiąją Hablo kamerą ir 10 metrų teleskopą Keck observatorijoje Havajuose. Šį kartą astronomai stebėjo ne tik spiečių judėjimo greitį, bet ir juose esančių žvaigždžių sukimosi greitį. Dėl to mokslininkai nustatė, kad DF2 yra skaidri itin difuzinė galaktika, kurios dydis yra maždaug toks pat kaip Paukščių Tako. Tik žvaigždžių jame buvo apie 200 kartų mažiau.
Antrasis straipsnis buvo skirtas tokių atradimuiDF2 galaktikos - DF4, esančios toje pačioje grupėje šalia galaktikos NGC 1052. Mokslininkai mano, kad, pirma, galaktikos, kuriose yra minimalus tamsios medžiagos kiekis, nėra neįprasta, ir, antra, kad didelė galaktika gali „pavogti“ tamsą iš jų mažesnių kaimynų.
Kaip tamsiosios medžiagos nebuvimas gali būti jo egzistavimo įrodymas?
Suprasti teiginį, kad tamsos nebuvimasdviejų galaktikų medžiaga patvirtina savo buvimą visatoje pagal Bendrąją reliatyvumo teoriją, verta apsvarstyti kritiką dėl tamsiosios medžiagos buvimo idėjos.
Kai kurie mokslininkai nesutinka, kad visatojeyra tamsioji medžiaga, ir teoriniai jo buvimo įrodymai priskiriami vadinamajam modifikuotam Niutono dinamikai (MOND). Ši alternatyvi teorija teigia, kad kosminės skalės gravitacija neveikia taip, kaip prognozavo Izaokas Niutonas ar Albertas Einšteinas. Tai reiškia, kad Bendroji reliatyvumo teorija, kuria remiasi teorijos apie tamsiosios medžiagos egzistavimą, neveikia galaktikų atveju.
Pavyzdžiui, teorinis fizikas Erikas Verlinde iš2016 m. Amsterdamo universitetas paskelbė mokslinį darbą, kuriame gravitacija buvo nagrinėjama kaip šalutinis kvantinės sąveikos produktas ir teigiama, kad tamsiajai medžiagai priskiriama papildoma gravitacija yra tamsiosios energijos – foninės energijos, įaustos į Visatos erdvės-laiko audinį, poveikis.
Kitaip tariant, Verlinde mano, kad tamsioji materija nėra materija, o tik įprastos materijos ir tamsiosios energijos sąveika.
Yale universiteto mokslininkų atradimasrodo, kad tamsiąja medžiaga galima atskirti nuo įprastos medžiagos, jei abi aptiktos galaktikos elgiasi pagal standartinę gravitacijos teoriją. Tai reiškia, kad juose vykstantys procesai gali būti paaiškinti naudojant Niutono ir Keplerio aptiktas lygtis.
Kokie yra klausimai
Jei pavyks, astronomų atradimasįtikinamai patvirtintas būsimais stebėjimais, meta iššūkį esamai teorijai apie galaktikų formavimąsi. Visų pirma, mes kalbame apie prielaidą, kad didesnis NGC 1052 gali „pavogti“ tamsiąją medžiagą iš DF2 ir DF4. Jei tai tikrai įmanoma, su sąlyga, kad išsaugoma abiejose stebimose galaktikose stebima tvarka, astronomai turės visiškai persvarstyti jų susidarymo ir egzistavimo mechanizmą.
„Tikimės sužinoti, kaip dažnaišių galaktikų ir ar jos egzistuoja kitose visatos vietose. Mes norime rasti daugiau įrodymų, kurie padės mums suprasti, kaip jų savybės yra suderintos ar neatitinka dabartinių teorijų. Tikimės, kad tai leis mums dar vieną žingsnį suprasti vieną iš didžiausių mūsų visatos paslapčių - tamsiosios medžiagos prigimtį, - sakė Dokkum pokalbyje su Astronomija.