Wat is donkere materie?
Donkere materie in de astronomie en kosmologie, maar ook in de theoretische natuurkunde - vorm
Het concept van donkere materie wordt geïntroduceerd voor de theoretischeverklaringen van het verborgen massaprobleem in de effecten van een abnormaal hoge rotatiesnelheid van de buitenste regionen van sterrenstelsels en gravitatielenzen (het betreft materie waarvan de massa veel groter is dan de massa van gewone zichtbare materie); onder de anderen is het het meest bevredigend.
De samenstelling en aard van donkere materie in de werkelijkheidmoment onbekend. In het kader van het algemeen aanvaarde kosmologische model wordt het model van koude donkere materie als het meest waarschijnlijk beschouwd. De meest waarschijnlijke kandidaten voor de rol van deeltjes zijn watjes. Ondanks actieve zoekopdrachten zijn ze nog niet experimenteel gevonden.
De term ‘donkere materie’ zelf is misschien wel de eerstewerd gebruikt om de massa van de sterren in de melkweg te schatten op basis van de verdeling van hun snelheden. Uiteindelijk begon de term precies te worden gebruikt in de zin van niet-waarneembare materie, waarvan het bestaan alleen kan worden beoordeeld op basis van de zwaartekrachtinvloed ervan.
Driedimensionale kaart van de verdeling van donkere materie, gebouwd met behulp van de methode van zwakke gravitatielenzen in het kader van het COSMOS-project.
Alternatieve theorieën over het bestaan van donkere materie
- Alternatieve theorieën over zwaartekracht
Bij het proberen de waargenomen verschijnselen te verklaren,Op basis waarvan globaal een conclusie werd getrokken over de noodzaak van het bestaan van donkere materie, zonder dit concept te betrekken, werden eerst overwegingen geuit over de geldigheid van de algemeen aanvaarde wetten van zwaartekrachtinteractie op grote afstanden.
De bekendste is de gemodificeerdeNewtoniaanse dynamica (MOND) is een theorie die begin jaren tachtig werd voorgesteld door de Israëlische astrofysicus Mordechai Milgrom en die een wijziging is van de wet van de zwaartekracht die sterkere interacties produceert in sommige delen van de ruimte op een manier die de waargenomen vorm van de rotatiecurven van sterrenstelsels verklaart. .
In 2004, theoretisch natuurkundige YaakovBekenstein, eveneens uit Israël, ontwikkelde een relativistische generalisatie van deze hypothese: de tensor-vector-scalaire theorie van de zwaartekracht, die ook de waargenomen effecten van zwaartekrachtlenzen verklaart.
Bovendien stelde de Canadese natuurkundige John Moffat in 2007 zijn theorie van de gemodificeerde zwaartekracht voor, ook wel scalaire-tensor-vectortheorie van de zwaartekracht genoemd.
Voorstanders van gemodificeerde zwaartekrachttheorieënbeschouw het huidige gebrek aan positieve resultaten van experimenten met de directe detectie van donkere materiedeeltjes als een argument in hun voordeel.
Ondertussen zijn momenteel de meeste wetenschappersherkent MOND niet, omdat daarop gebaseerde berekeningen wijzen op de inconsistentie ervan. Het probleem met alternatieve zwaartekrachttheorieën is dat zelfs als ze individuele effecten rechtvaardigen die een gevolg zijn van het bestaan van donkere materie, ze daar nog steeds geen rekening mee houden als geheel.
Ze verklaren het waargenomen gedrag nietbotsende clusters van sterrenstelsels en zijn onverenigbaar met kosmologische argumenten voor de aanwezigheid van grote hoeveelheden niet-baryonische onzichtbare materie in het vroege universum.
Abell 2218 Cluster van sterrenstelsels
- Plasma-kosmologie
Deze theorie is ontwikkeld in de jaren zestigdoor een Zweedse natuurkundige genaamd Hannes Alfven (1970 Nobelprijswinnaar voor ontdekkingen in de magnetodynamica) - daarbij gebruikte hij de ervaring van zijn studies van near-earth plasma (aurora borealis) en het vroege werk van Christian Birkeland.
De basis van de theorie is de veronderstelling datOp grote afstanden (schaal van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels) zijn elektrische krachten belangrijker dan de zwaartekracht. Als we aannemen dat plasma het hele universum vult en een goede geleidbaarheid heeft, dan zou het enorme elektrische stromen (ongeveer 1017–1019 ampère) kunnen geleiden op een schaal van tientallen megaparsecs.
Dergelijke stromingen creëren een krachtig galactisch magnetisch veld, dat op zijn beurt de structuur vormt van zowel sterrenstelsels als hun clusters (galactische draden of filamenten).
De aanwezigheid van zo’n krachtig veld is gemakkelijk te verklarende vorming van galactische armen (er bestaat nog geen consensus over de reden voor de vorming van galactische armen), de verdeling van de rotatiesnelheid van galactische schijven vanuit de straal, elimineert de noodzaak om een halo van donkere materie te introduceren.
Maar op dit moment neemt de moderne astrofysica geen zulke krachtige stromingen waar op een schaal van tientallen megaparsecs, noch hoge intergalactische en intragalactische magnetische velden.
Aannames over de plasmakosmologie overDe filamenteuze celstructuur en homogeniteit van het heelal op grote schaal (de zogenaamde Large-Scale Structure of the Universe), gemaakt door Alfvén en Anthony Perrat, werden onverwacht bevestigd door waarnemingen eind jaren tachtig en negentig, maar deze waarnemingen zijn ook verklaard binnen het raamwerk van algemeen aanvaarde kosmologische modellen.
Om de filamentaire structuur van het heelal te verklarenMomenteel wordt de theorie van de vorming van filamenten als gevolg van zwaartekrachtinstabiliteit gebruikt (aanvankelijk is een bijna uniforme massaverdeling geconcentreerd op bijtende stoffen en leidt tot de vorming van filamenten), op groeiende structuren van donkere materie, waarlangs de structuur van zichtbare materie wordt gevormd (de oorsprong van een dergelijke structuur van donkere materie wordt verklaard door kwantumfluctuaties tijdens het inflatieproces).
Momenteel is plasmakosmologie alsde theorie is niet populair, omdat ze de ontwikkeling van het heelal langs het pad van de oerknal ontkent. Aan de andere kant, als we de oerknaltheorie verlaten en de ouderdom van het heelal als veel groter dan 13,5 miljard jaar beschouwen, dan kan de latente massa grotendeels verklaard worden door dergelijke MACHO-objecten als zwarte dwergen, die ontstaan uit witte dwergen die zijn afgekoeld gedurende tientallen miljarden jaren ...
- Materie uit andere dimensies (parallelle universums)
Sommige extra-dimensionale theorieën accepteren de zwaartekracht als een uniek soort kracht die op onze extra-dimensionale ruimte kan inwerken.
Deze aanname helpt verklarende relatieve zwakte van de zwaartekrachtinteractie in vergelijking met de andere drie basisinteracties (elektromagnetisch, sterk en zwak): de zwaartekracht is zwakker, aangezien het kan interageren met massieve materie in extra dimensies, een barrière binnendringen die niet toegankelijk is voor andere interacties.
Hieruit volgt dat het donkere materie-effect dat wel kankan logisch worden verklaard door de interactie van zichtbare materie uit onze gewone dimensies met massieve materie uit andere (extra, onzichtbare) dimensies door middel van zwaartekracht. Tegelijkertijd kunnen deze dimensies en de materie daarin op geen enkele manier andere soorten interacties voelen, er geen interactie mee hebben.
Materie in andere dimensies (eigenlijk inparallel heelal) kunnen zich vormen tot structuren (sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels, filamenten) op een manier die vergelijkbaar is met onze metingen, of hun eigen, exotische structuren vormen, die in onze metingen worden gevoeld als een zwaartekrachthalo rond zichtbare sterrenstelsels.
Resultaten van numerieke modellering van de evolutie van de structuur van het heelal
- Topologische ruimtedefecten
Donkere materie is misschien gewoon primordiaal(ontstaan ten tijde van de oerknal) defecten in de ruimte en / of topologie van kwantumvelden, die energie kunnen bevatten en daardoor zwaartekrachten veroorzaken.
Deze veronderstelling kan worden onderzocht engeverifieerd met behulp van een orbitaal netwerk van ruimtesondes (rond de aarde of binnen het zonnestelsel) uitgerust met een nauwkeurige, continu gesynchroniseerde (met behulp van GPS) atoomklok die de passage van een dergelijk topologisch defect door dit netwerk zal registreren.
Het effect zal verschijnen als onverklaard (vaak voorkomendrelativistische redenen) mismatch van het verloop van deze klokken, dat een duidelijk begin en met de tijd het einde heeft (afhankelijk van de bewegingsrichting en de grootte van zo'n topologisch defect).
Galaxy zonder donkere materie
Wetenschappers vinden sterrenstelsels zonder donkere materie, maar het is onmogelijk uit te leggen hoe ze zijn ontstaan.
- NGC1052-DF2
In het NGC1052-DF2-sterrenstelsel is er minstens 400 keer minder donkere materie dan er zou moeten zijn.
Resultaten van metingen uitgevoerd met behulp vanOok de 10-meter telescoop van het Keck Observatorium en de Hubble Ruimtetelescoop (dit zijn de beste astronomische instrumenten die momenteel beschikbaar zijn) geven toe dat er helemaal geen donkere materie aanwezig is in NGC1052-DF2.
Dit sterrenstelsel, alleen zichtbaar door grote telescopen,heeft een totale helderheid op het niveau van 100 miljoen sterren zoals de zon, en zijn massa is ongeveer 200 miljoen keer hoger dan de massa van de zon - volgens deze parameters onderscheidt NGC1052-DF2 zich niet al te veel van de algemene reeks.
En hier is wat er in haar tien wordt gevondenrelatief heldere objecten, en daardoor blijkt de melkweg in een aantal afbeeldingen een reeks heldere punten te zijn in plaats van een wazige wolk, is al een veel interessanter feit; Hij was het die astronomen liet draaien met telescopen met een strak schema richting NGC1052-DF2.
Volgens de onderzoekers zijn dit lichtpuntjeszijn bolvormige sterrenhopen, maar hun aantal en verdeling van de lichtsterkte zijn zo ongebruikelijk dat astronomen zelfs weigerden om in deze publicatie in detail over deze objecten te praten en beloofden hier gedetailleerder op terug te komen in een andere publicatie, die nog in voorbereiding is.
Als we NGC1052-DF2 vergelijken met anderensterrenstelsels met dezelfde massa, dan zou de onzichtbare halo van donkere materie vierhonderd keer zwaarder moeten zijn dan wat astronomen vinden, een uiterst ongebruikelijk resultaat.
- NGC 1052-DF4
Wetenschappers beschrijven de resultaten van extrawaarnemingen die het mogelijk maakten betrouwbaardere schattingen van de snelheidsspreiding te maken op basis van sterbewegingen. Als gevolg hiervan ontvingen astronomen een waarde van 8,5 kilometer per seconde met merkbaar kleinere fouten (ongeveer 30%).
Uit deze gegevens volgt dat de totale massahet sterrenstelsel is ongeveer gelijk aan de massa van de lichtgevende substantie, waardoor in dit geval de introductie van donkere materie overbodig is. Wetenschappers ontdekten ook in de buurt van een vergelijkbaar sterrenstelsel NGC 1052-DF4, dat ook een extreem lage spreiding van stellaire snelheden had - ongeveer 4,2 kilometer per seconde, maar de fouten zijn in dit geval ongeveer 80%.
Volgens de auteurs zijn de verkregen gegevens hoogDe kwaliteiten ervan leveren overtuigend bewijs voor het bestaan van niet slechts één uitzonderlijk sterrenstelsel zonder donkere materie, maar ook van een nieuwe klasse van vergelijkbare objecten.
Ze herinneren u er ook aan dat deze resultaten niet binnen zijnweerleg op geen enkele manier de hypothese van donkere materie, maar bevestig integendeel de noodzaak ervan: als de effecten die erdoor worden beschreven daadwerkelijk werden gegenereerd door gewone materie, zou een dergelijke situatie niet kunnen ontstaan, en aangezien een object zonder donkere materie wordt gevonden , dan spreekt dit precies over het bestaan van twee verschillende soorten substanties die niet direct gerelateerd zijn.
Hoe kunnen sterrenstelsels bestaan zonder donkere materie?
Sterrenstelsels die, afgaande op waarnemingen,bevatten vrijwel geen donkere materie – een stof die zwak interageert met omringende materie, waarvan wordt aangenomen dat deze verantwoordelijk is voor 26,8% van de massa van het heelal – compliceert het begrip van astronomen over de aard van deze materie.
Dergelijke objecten ontdekt als resultaat van recentwaarnemingen dagen het Lambda-CDM kosmologische model uit dat is aangenomen door astrofysici, volgens welke alle sterrenstelsels moeten worden omgeven door een massieve halo van donkere materie.
Donkere materievrije objecten zijn niet erggoed bestudeerd door astronomen. Een van de manieren om de mogelijke mechanismen van hun vorming te bestuderen, is door verschillende ervan in verschillende ontwikkelingsstadia te observeren. Door informatie over sterrenstelsels te verwerken met behulp van een computermodel, kan hun evolutie worden gevolgd.
Om de structuur hiervan te begrijpenobjecten hebben wetenschappers hun evolutie gemodelleerd met behulp van het Illustris-model, dat rekening houdt met de levenscycli van sterren, de invloed van supernovae en zwarte gaten en samensmeltingen van sterrenstelsels. De onderzoekers vonden in het door het model gecreëerde systeem verschillende "dwergstelsels" met hetzelfde aantal sterren, het aantal bolvormige sterrenhopen en de massa van donkere materie.
Zoals de naam al doet vermoeden, een dwergstelselis klein en bestaat uit enkele miljarden sterren. Daarentegen telt de Melkweg, waar meer dan twintig bekende dwergstelsels omheen draaien, tussen de 200 en 400 miljard sterren.
Bolvormige sterrenhopen worden vaak gebruikt om te beoordelengehalte aan donkere materie in sterrenstelsels, vooral in kleine. Astrofysici hebben ontdekt dat dwergstelsels 90% van hun donkere materie hebben verloren als gevolg van het "naar buiten duwen" van hun samenstellende materiaal door hun eigen zwaartekracht.
Waar komt het op neer?
De ontdekking van zwarte gaten zonder donkere materie is niet mogelijkbetekent dat het niet bestaat. Integendeel, een sterrenstelsel zonder een typische snelheidsverdeling van sterren ondermijnt theorieën die proberen de waarnemingsresultaten toe te schrijven aan een universeel effect dat geen verband houdt met donkere materie.
Het bevindt zich in een gemodificeerde Newtoniaanse dynamieksterren zouden altijd met ongeveer dezelfde snelheid rond het centrum van sterrenstelsels moeten draaien, en NGC1052-DF2 speelt in tegen dit model, dat de steun van veel experts al heeft verloren.
Om het bestaan van een melkwegstelsel zonder duisternis toe te gevenvan materie, de moderne astrofysica misschien wel, terwijl het idee dat de wet van universele gravitatie selectief werkt in verschillende delen van het heelal op zijn minst twijfelachtig lijkt.
Lees verder
De grootste ijsberg ter wereld stortte in, fragmenten snelden naar het noorden. Is het gevaarlijk?
Sporen van raketbrandstof werden gevonden op Saturnusmaan Rhea. Waar komt het vandaan?
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen