Astronomi joprojām ir agrīnā stadijā, kad runa ir par jautājumiem par tumšās matērijas dabu un īpašībām.
Teorija par šīs vielas esamību bijapirms vairāk nekā 40 gadiem tika izvirzīts kā izskaidrojums neatbilstībai starp visu galaktikas redzamo objektu masu un pašas galaktikas masu. Astronome Vera Rubina, kura pirmā atklāja neatbilstību, noteica, ka šī neredzamā viela ir ārkārtīgi izplatīta un veido lielāko daļu Visuma. Šodien mēs zinām šo vielu kā tumšo vielu.
Vera Rubīna. Foto: Kārnegi zinātnes institūts / carnegiescience.edu
Lai gan astronomiem ir vismaz trīspierādījumi tam, ka pastāv tumšs materiāls, neviens no mēģinājumiem atklāt tiešus pierādījumus par tā esamību un noteikt tā īpašības nav bijis veiksmīgs.
Tomēr Yale universitātes zinātnieku darbsPeter van Dokkum vadībā, kas publicēts žurnālā Nature 2018. gada martā, zinātnieki vairāk nekā jebkad cēla zinātniekus tuvāk vēl vienam pierādījumam par šīs vielas esamību.
Ko astronomi zina par tumšo vielu?
Tumšā viela ir viela, kas navmijiedarbojas ar citiem jautājumiem, izmantojot elektromagnētiskos (EM) vai spēcīgus kodolspēkus. Elektromagnētiskās mijiedarbības trūkums nozīmē, ka tas nevar izstarot, absorbēt, atstarot, atstarot vai izkliedēt gaismu. Tas, protams, padara to par diezgan sarežģītu novērošanas tematu. Tomēr aptuveni 85% no visa materiāla Visumā ir tumša viela.
Līdz šim zinātniekiem nav praktisku pierādījumu tam, ka tumšā viela patiešām pastāv, bet ir teorētiski. Šeit ir trīs galvenās.
Galaktiskās rotācijas līknes
Ja viens objekts rotē ap citu,orbītā esošais objekts ir pastāvīgi jāpaātrina līdz centrālajam (vai, precīzāk, tie abi paātrinās līdz kopējam masas centram). Bez šī paātrinājuma orbitālais ķermenis vienkārši lidos prom.
Jo ātrāk kustas orbitālais ķermenisir nepieciešams vairāk paātrinājums, lai to saglabātu orbītā. Tā kā šajā gadījumā paātrinājums ir saistīts ar gravitāciju, tas nozīmē, ka centrālajai masai jābūt lielākai.
Šīs zināšanas ļauj zinātniekiem „svērt” atšķirīgugalaktikas daļas, kā arī izmērīt rotācijas ātrumu, salīdzinot sarkanās maiņas uz galaktikas tuvojošajām un lejupejošajām pusēm. Svēršanas laikā astronomi saskata neatbilstību starp visu galaktikas objektu masu un kopējo masu.
Sarkanā maiņa— ķīmisko elementu spektrālo līniju nobīdeuz sarkano (garā viļņa garuma) pusi. Šī parādība var būt vājas difūzās izkliedes, Doplera efekta vai gravitācijas sarkanās nobīdes izpausme vai to kombinācija. Spektrālo līniju nobīdi debess ķermeņu spektros pirmo reizi aprakstīja franču fiziķis Hipolits Fizo 1848. gadā un ierosināja Doplera efektu, ko izraisa zvaigznes radiālais ātrums, lai izskaidrotu nobīdi.
Gravitācijas lēcas
Saskaņā ar vispārējo relativitātes teorijulaiks, kas iet caur gravitācijas lauku, ir nedaudz izkropļots. Tas darbojas kā gravitācijas lēca un var radīt, piemēram, “Einšteina gredzenus”, kā redzams attēlā.
Einšteina vispārējā relativitātes teorijaka tādu lielu telpu objektu kā galaktikas smagums saliek telpu ap sevi un novirza gaismas starus. Kad tas notiek, izkropļots cita galaktika attēls - gaismas avots.
“Einšteina gredzens” iepriekš attēlāizkropļots viena galaktika attēls (tas ir iezīmēts zilā krāsā), kas atrodas aiz otras (sarkanās) galaktikas centrā. Gaisma no zila izplatās visos virzienos, bet to izliekas sarkanās galaktikas smagums. Tas nozīmē, ka gaisma, kas, piemēram, sākotnēji tika tieši novirzīta uz Zemi, nekad nesasniegs mūsu planētu - atšķirībā no gaismas, kas bija citā virzienā, bet izkropļota ar lēcu un turpinās kā no visiem virzieniem uzreiz. Šis process izskaidro gredzena izskatu.
Vājās gravitācijas lēcās, statistiskianalizējot izkropļojumus gaismā, ko mēs saņemam, mēs varam “pamanīt” gravitācijas lauku starp Zemi un tālām galaktikām. Bieži vien šajā jomā ir vairāk masas — un līdz ar to arī matērijas —, nekā zinātnieki var izskaidrot.
Gravitācijas lēcu piemērs, kas no esošās teorijas viedokļa pierāda tumšās matērijas klātbūtni, ir Bullet galaktiku kopas fotogrāfija, kas atrodas Karīnas zvaigznājā.
Attēlā redzamas divu galaktiku sadursmes sekas. Sarkanais attēlā attēlo redzamās matērijas apgabalus, zils tumšo vielu, kuras klātbūtni nosaka gravitācijas lēca.
Šī atšķirība ir saistīta ar to, kaLielākā daļa gaismas materiālu galaktiku klasterī atrodas vidē, kas ir karstā, blīvā plazmā. Kad plazmas daļas saduras viens ar otru, ievērojama vielas daudzuma palēnināšanās un paliek centrā. Bet tumšā viela vāji mijiedarbojas ar vielu, tāpēc tās sastāvdaļas no abām klasteriem var brīvi iet caur otru - tas noved pie attēlā redzamās atdalīšanas.
Relikālais starojums
Pirmo dažu simtu tūkstošu gadu laikā pēc tamLielā sprādziena laikā Visums bija pietiekami karsts, lai kļūtu ļoti jonizēts. Tas īslaicīgi padarīja to gandrīz necaurredzamu gaismai - fotoni griezās tāpat kā jebkura cita daļiņa. Tomēr, kad lietas pietiekami atdzisa, ievērojams daudzums protonu un elektronu apvienojās, veidojot neitrālu ūdeņradi, kas kļuva pietiekami caurspīdīgs lielākajai daļai apkārtējās gaismas. Šis process notika diezgan ātri (kosmoloģiskā laika izteiksmē) - rezultātā visa gaisma, kas bija Visumā, nosacīti runājot, pēkšņi tika izlaista, uzņemot momentuzņēmumu tā evolūcijas stadijā. Tas ir vienkāršots veids, kā aprakstīt kosmisko mikroviļņu fona starojumu.
Lai atklātu šo gaismu, zinātnieki varvērst radioteleskopus jebkurā virzienā, un atkarībā no novērošanas zonas temperatūra nedaudz mainīsies. Temperatūras atšķirība ir izskaidrojama ar tumšās vielas klātbūtni vai neesamību šajā reģionā.
Kas ir neparasts, atrodams pirmajā galaktikā?
DF2 ir galaktika, kas ir daļa no lielas grupaskuru vadīja masīvā eliptiskā galaktika NGC 1052. Galaktika piesaistīja zinātnieku uzmanību, jo tā izskatījās savādāk fotogrāfijās, kuras uzņēma Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Pirmajā galaktika parādījās kā vājas gaismas plankums, bet otrajā tā bija punktveida objektu grupa.
Pamatojoties uz šiem novērojumiem, zinātnieki vadījaPīters van Dokkums galaktikā identificēja desmit lodveida kopas (lielas veco zvaigžņu grupas) un atklāja, ka tās pārvietojas trīs reizes lēnāk nekā tad, ja būtu daudz tumšās vielas. Fakts ir tāds, ka, ja galaktikas masa būtu lielāka par redzamo objektu masu, kopas grieztos ātrāk.
Zinātniskā sabiedrība publikāciju novērtēja kritiski— pētnieku kļūda bija tā, ka viņi novēroja tikai desmit kopas un tikai divas naktis. Skeptiķi uzskatīja, ka zinātnieki, iespējams, ir ignorējuši galvenās detaļas par zvaigžņu kopu kustību, kā rezultātā viņu galaktikas masas un redzamās matērijas aprēķini ir šķībi.
Un otrajā?
Vienīgais veids, kā pierādīt to pareizībuNovērojums bija otras galaktikas meklēšana, kas saturētu minimālo tumšās vielas daudzumu, un 2019. gada martā tika atklāta šāda galaktika.
Pētnieki publicēja divus zinātniskus rakstus - inViņi bija pirmie, kas pārmērīja DF2 masu, izmantojot Habla uzlaboto kameru un 10 metru teleskopu Kekas observatorijā Havaju salās. Šoreiz astronomi novēroja ne tikai kopu kustības ātrumu, bet arī tajās esošo zvaigžņu rotācijas ātrumu. Rezultātā zinātnieki ir noskaidrojuši, ka DF2 ir caurspīdīga īpaši difūza galaktika, kuras izmērs ir aptuveni tāds pats kā Piena Ceļam. Tikai tajā bija aptuveni 200 reižu mazāk zvaigžņu.
Otrais raksts tika veltīts šādu atklāšanaiDF2 galaktikas - DF4, kas atrodas tajā pašā klasterī blakus galaktikai NGC 1052. Pētnieki uzskata, ka, pirmkārt, galaktikas ar minimālu tumšās vielas daudzumu nav nekas neparasts, un, otrkārt, ka liela galaktika var “nozagt” tumšo no mazākajiem kaimiņiem.
Kā tumšās vielas trūkums var būt pierādījums par tā esamību?
Lai saprastu apgalvojumu, ka tumsā navlieta divās galaktikās apstiprina savu klātbūtni Visumā saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju, ir vērts apsvērt kritiku par tumšās vielas klātbūtnes ideju.
Daži zinātnieki nepiekrīt tam, ka visumāir tumša viela, un teorētiski pierādījumi par tā klātbūtni ir saistīti ar tā saukto modificēto Ņūtona dinamiku (MOND). Šī alternatīvā teorija apgalvo, ka gravitācija kosmiskā mērogā nedarbojas tādā veidā, kā paredzēja Īzaks Ņūtons vai Alberts Einšteins. Tas nozīmē, ka vispārējā relativitātes teorija, uz kuras balstās teorijas par tumšās vielas esamību, nedarbojas galaktiku gadījumā.
Piemēram, teorētiskais fiziķis Ēriks Verlinde noAmsterdamas Universitāte 2016. gadā publicēja zinātnisku rakstu, kurā tika pētīta gravitācija kā kvantu mijiedarbības blakusprodukts un ierosināts, ka tumšajai vielai piedēvētā papildu gravitācija ir tumšās enerģijas - fona enerģijas, kas ieaustas Visuma telpas-laika audumā, ietekme.
Citiem vārdiem sakot, Verlinde uzskata, ka tumšā matērija nav matērija, bet tikai mijiedarbība starp parasto matēriju un tumšo enerģiju.
Yale universitātes zinātnieku atklāšanapierāda, ka tumšās vielas var atdalīt no parastās vielas, ja abas konstatētās galaktikas darbojas saskaņā ar standarta gravitācijas teoriju. Tas nozīmē, ka šajos procesos var izskaidrot, izmantojot vienādojumus, ko atklāja Ņūtons un Keplers.
Kādi ir jautājumi
Astronomu atklājums, ja tas izdosiesneapšaubāmi apstiprināts turpmākajos novērojumos, izaicina esošo teoriju par galaktiku veidošanos. Jo īpaši mēs runājam par pieņēmumu, ka lielākais NGC 1052 varētu “nozagt” tumšo vielu no DF2 un DF4. Ja tas patiešām ir iespējams, ar nosacījumu, ka tiek saglabāta kārtība, kas tiek novērota abās novērotajās galaktikās, tad astronomiem būs pilnībā jāpārskata to veidošanās un pastāvēšanas mehānisms.
"Mēs ceram uzzināt, cik biežišīs galaktikas un vai tās pastāv citos Visuma apgabalos. Mēs vēlamies atrast vairāk pierādījumu, kas palīdzēs mums saprast, kā viņu īpašības ir konsekventas vai neatbilst mūsu pašreizējām teorijām. Mēs ceram, ka tas ļaus mums veikt vēl vienu soli, lai izprastu vienu no lielākajiem mūsu Visuma noslēpumiem - tumšās vielas dabu, ”teica Dokkum sarunā ar Astronomiju.