Astronomer er fortsatt på et tidlig stadium når det gjelder spørsmål om natur og egenskaper til mørk materie.
Teorien om eksistensen av dette stoffet varfremsatt for mer enn 40 år siden som en forklaring på avviket mellom massen til alle synlige objekter i en galakse og massen til selve galaksen. Astronom Vera Rubin, som først oppdaget avviket, slo fast at dette usynlige stoffet er ekstremt vanlig og utgjør det meste av universet. I dag kjenner vi dette stoffet som mørk materie.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Selv om astronomer har minst treBevis på at mørkt materie eksisterer, ingen av forsøkene på å oppdage direkte bevis på dens eksistens og å bestemme dens egenskaper, var ikke vellykket.
Men forskerne fra Yale University iledet av Peter van Dokkum, publisert i tidsskriftet Nature i mars 2018, førte forskere mer enn noen gang forskere nærmere til å finne enda et bevis på eksistensen av dette stoffet.
Hva vet astronomer om mørkt materiale?
Mørk materie er et stoff som ikke er detsamhandler med andre forhold ved hjelp av elektromagnetiske (EM) eller sterke atomkrefter. Fraværet av elektromagnetiske interaksjoner betyr at det ikke kan avgir, absorbere, reflektere, bryte eller diffundere lys. Dette gjør det selvsagt et ganske komplisert emne for observasjon. Imidlertid er omtrent 85% av all materie i universet mørkt materie.
Hittil har forskere ikke noe praktisk bevis på at mørkt materiale egentlig eksisterer, men det er teoretisk. Her er de tre viktigste.
Galaktiske rotasjonskurver
Når en gjenstand roterer rundt en annen,En gjenstand i bane må stadig akselereres til sentralen (eller, nærmere bestemt, akselererer de begge til deres kombinerte massesenter). Uten denne akselerasjonen vil orbitallegemet bare fly vekk.
Jo raskere orbitallegemet beveger seg, denmer akselerasjon er nødvendig for å holde det i bane. Siden i dette tilfellet akselerasjonen skyldes tyngdekraften, betyr dette at den sentrale massen må være større.
Denne kunnskapen tillater forskere å "veie" forskjelligdeler av galaksen, samt måle rotasjonshastigheter, sammenligne redshifts på den nærliggende og tilbakevendende siden av galaksen. Når vekten ser, ser astronomene en uoverensstemmelse mellom massen av alle objekter i galaksen og dens totale masse.
rødforskyvning— forskyvning av spektrallinjer av kjemiske elementertil den røde (lang bølgelengde) siden. Dette fenomenet kan være et uttrykk for svak diffus spredning, dopplereffekten eller gravitasjonsrødforskyvning, eller en kombinasjon av disse. Forskyvningen av spektrallinjer i spektrene til himmellegemer ble først beskrevet av den franske fysikeren Hippolyte Fizeau i 1848 og foreslo Doppler-effekten forårsaket av stjernens radielle hastighet for å forklare skiftet.
Gravity lensing
I følge den generelle relativitetsteorien, noentiden det går gjennom gravitasjonsfeltet er litt forvrengt. Den fungerer som en tyngdepunktslinsen og kan for eksempel produsere "Einstein-ringer", som i bildet nedenfor.
Einsteins General Theory of Relativity statesat tyngdekraften til slike store romobjekter som galakser bøyer plassen rundt den og avbøyer lysets stråler. Når dette skjer, et forvrengt bilde av en annen galakse - kilden til lys.
Einsteinringen i bildet ovenfor erforvrengt bilde av en galakse (det er uthevet i blått), plassert bak den andre (røde) galaksen i midten. Lys fra blå propagater i alle retninger, men er bøyd av tyngdekraften til en rød galakse. Dette betyr at lys, som for eksempel opprinnelig var rettet direkte mot jorden, aldri kommer til vår planet - i motsetning til lys, som hadde en annen retning, men ble forvrengt av en linse og fortsetter som om fra alle retninger samtidig. Denne prosessen forklarer utseendet til ringen.
I svake gravitasjonslinser, statistiskved å analysere forvrengningene i lyset vi mottar, kan vi "merke" gravitasjonsfeltet mellom Jorden og fjerne galakser. Det er ofte mer masse - og derfor mer materie - i dette feltet enn forskere kan forklare.
Et eksempel på gravitasjonslinser, som fra eksisterende teoris synspunkt beviser tilstedeværelsen av mørk materie, er et fotografi av Bullet-galaksehopen, som ligger i stjernebildet Carina.
Bildet viser kjølvannet av kollisjonen mellom to galakser. Den røde på bildet viser områder med synlig materie, den blå viser mørk materie, hvis tilstedeværelse bestemmes av gravitasjonslinser.
Dette skillet skyldes det faktum atDet meste av det lysende stoffet i en gruppe av galakser er i et intraclustermedium - i et varmt, tett plasma. Når deler av plasmaet kolliderer med hverandre, reduseres en betydelig mengde av stoffet og forblir i midten. Men mørkt materie virker svakt med materie, så komponentene fra de to klyngene kan fritt passere gjennom hverandre - dette fører til separasjonen vist på bildet.
Relikstråling
I løpet av de første hundre tusen årene etterVed Big Bang var universet varmt nok til å bli sterkt ionisert. Dette gjorde det midlertidig nesten ugjennomsiktig for lys - fotonene roterte som enhver annen partikkel. Men når ting ble avkjølt nok, ble betydelige mengder protoner og elektroner kombinert for å danne nøytralt hydrogen, som ble gjennomsiktig nok for det meste av lyset som omgir det. Denne prosessen skjedde ganske raskt (med tanke på kosmologisk tid) - som et resultat ble alt lyset i universet, relativt sett, plutselig sluppet ut, og tok et øyeblikksbilde på det stadiet av dets utvikling. Dette er en forenklet måte å beskrive den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen på.
For å oppdage dette lyset kan forskerepeke radioteleskoper i alle retninger, og avhengig av observasjonsområdet vil temperaturen endre seg litt. Forskjellen i temperatur forklares av tilstedeværelsen eller fraværet av mørk materie i denne regionen.
Hva er uvanlig funnet i den første galaksen?
DF2 er en galakse som er en del av en stor gruppeledet av den massive elliptiske galaksen NGC 1052. Galaksen fanget forskeres oppmerksomhet fordi den så annerledes ut på fotografier tatt av Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I den første dukket galaksen opp som en flekk med svakt lys, mens den i den andre var en gruppe punktobjekter.
Basert på disse observasjonene har forskere ledet avPeter van Dokkum identifiserte ti kulehoper (store grupper av gamle stjerner) inne i galaksen og fant ut at de beveger seg tre ganger langsommere enn om det var mye mørk materie. Faktum er at hvis massen til galaksen var større enn massen av synlige objekter, ville klyngene rotert raskere.
Det vitenskapelige miljøet vurderte publikasjonen kritisk– Forskernes feil var at de bare observerte ti klynger og bare i to netter. Skeptikere mente at forskere kan ha oversett nøkkeldetaljer om bevegelsen til stjernehoper, noe som resulterte i at deres estimater av galaksens masse og synlige stoffer ble skjevt.
Og i den andre?
Den eneste måten å bevise riktigheten av deresObservasjon var søket etter en andre galakse, som vil inneholde den minste mengden mørk materie - og i mars 2019 ble en slik galakse oppdaget.
Forskerne publiserte to vitenskapelige artikler - iDe var de første som målte DF2s masse på nytt ved hjelp av Hubbles avanserte kamera og 10 meter teleskopet ved Keck Observatory på Hawaii. Denne gangen observerte astronomer ikke bare bevegelseshastigheten til klyngene, men også rotasjonshastigheten til stjernene inne i dem. Som et resultat har forskere fastslått at DF2 er en gjennomsiktig ultradiffus galakse, hvis størrelse er omtrent den samme som Melkeveien. Bare det var omtrent 200 ganger færre stjerner i den.
Den andre artikkelen var viet til oppdagelsen av slikeDF2-galakser - DF4, som ligger i samme klynge ved siden av galaksen NGC 1052. Forskerne mener at for det første er galakser med en minimal mengde mørk materie ikke uvanlig, og for det andre at en stor galakse kunne "stjele" mørket betyr noe fra sine mindre naboer.
Hvordan kan fraværet av mørkt materiale være bevis på dens eksistens?
For å forstå uttalelsen om at mangel på en mørkMateriell i to galakser bekrefter sin tilstedeværelse i universet i samsvar med General Relativity Theory, det er verdt å vurdere kritikken av ideen om mørk materie.
Noen forskere er ikke enige om det i universetDet er mørkt materiale, og teoretisk bevis på dens tilstedeværelse tilskrives den såkalte modifiserte newtonske dynamikken (MOND). Denne alternative teorien sier at tyngdekraften på en kosmisk skala ikke virker som Isaac Newton eller Albert Einstein forutslo. Dette betyr at den generelle relativitetsteorien som teorier om eksistensen av mørk materie er bygget ikke virker i tilfelle av galakser.
For eksempel teoretisk fysiker Erik Verlinde fraUniversitetet i Amsterdam publiserte en vitenskapelig artikkel i 2016 som undersøkte tyngdekraften som et biprodukt av kvanteinteraksjoner og antydet at den ekstra tyngdekraften som tilskrives mørk materie er en effekt av mørk energi - bakgrunnsenergi vevd inn i universets rom-tid.
Verlinde mener med andre ord at mørk materie ikke er materie, men kun et samspill mellom vanlig materie og mørk energi.
Oppdagelse av forskere fra Yale Universitydemonstrerer at mørk materie kan skilles fra vanlig materie, forutsatt at begge de påviste galakser oppfører seg i samsvar med standard tyngdeorienteringsteori. Det vil si at prosessene som forekommer i dem, kan forklares ved bruk av ligningene oppdaget av Newton og Kepler.
Hva er spørsmålene
Oppdagelse av astronomer, hvis vellykketendelig bekreftet gjennom fremtidige observasjoner, utfordrer eksisterende teori om galaksedannelse. Spesielt snakker vi om antakelsen om at den større NGC 1052 kan "stjele" mørk materie fra DF2 og DF4. Hvis dette virkelig er mulig, forutsatt at rekkefølgen som er observert i begge de observerte galaksene er bevart, vil astronomene måtte revurdere mekanismen for deres dannelse og eksistens.
"Vi håper å finne ut hvor vanligdisse galakser og om de eksisterer i andre områder av universet. Vi ønsker å finne flere bevis som vil hjelpe oss å forstå hvordan deres egenskaper er konsistente eller ikke i samsvar med våre nåværende teorier. Vi håper at dette vil tillate oss å ta et nytt skritt i å forstå en av de største mysteriene i vårt univers - mørkets natur, sa Dokkum i en samtale med astronomi.