Co to jest ciemna materia?
Ciemna materia w astronomii i kosmologii, a także w fizyce teoretycznej – forma
W celach teoretycznych wprowadzono pojęcie ciemnej materiiwyjaśnienia problemu ukrytej masy w skutkach anomalnie wysokiej prędkości obrotowej zewnętrznych obszarów galaktyk i soczewkowania grawitacyjnego (dotyczą materii, której masa jest znacznie większa niż masa zwykłej widzialnej materii); między innymi jest najbardziej satysfakcjonująca.
Skład i natura ciemnej materii w rzeczywistościmoment nieznany. W ramach ogólnie przyjętego modelu kosmologicznego za najbardziej prawdopodobny uważa się model zimnej ciemnej materii. Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami do roli cząstek są mięczaki. Mimo aktywnych poszukiwań nie znaleziono ich jeszcze eksperymentalnie.
Samo określenie „ciemna materia” może być pierwszymzostała wykorzystana do oszacowania masy gwiazd w galaktyce na podstawie rozkładu ich prędkości. Ostatecznie zaczęto używać tego terminu właśnie w znaczeniu nieobserwowalnej materii, której istnienie można ocenić jedynie na podstawie jej oddziaływania grawitacyjnego.
Trójwymiarowa mapa rozkładu ciemnej materii, zbudowana metodą słabego soczewkowania grawitacyjnego w ramach projektu COSMOS.
Alternatywne teorie istnienia ciemnej materii
- Alternatywne teorie grawitacji
Próbując wyjaśnić obserwowane zjawiska,Na podstawie którego, zbiorczo, wyciągnięto wniosek o konieczności istnienia ciemnej materii, bez angażowania tego pojęcia, najpierw wysunięto rozważania dotyczące ważności ogólnie przyjętych praw oddziaływań grawitacyjnych na dużych odległościach.
Najbardziej znany jest zmodyfikowanyDynamika Newtona (MOND) to teoria zaproponowana na początku lat 80. XX wieku przez izraelskiego astrofizyka Mordechaja Milgroma, która jest modyfikacją prawa grawitacji, która powoduje silniejsze oddziaływania w niektórych obszarach przestrzeni w sposób wyjaśniający obserwowany kształt krzywych rotacji galaktyk .
W 2004 roku fizyk teoretyczny YaakovBekenstein, również z Izraela, opracował relatywistyczne uogólnienie tej hipotezy – teorię grawitacji tensorowo-wektorowo-skalarną, która wyjaśnia również obserwowane efekty soczewkowania grawitacyjnego.
Ponadto w 2007 roku kanadyjski fizyk John Moffat zaproponował swoją teorię zmodyfikowanej grawitacji, zwaną także teorią grawitacji skalarno-tensorowo-wektorowej.
Zwolennicy zmodyfikowanych teorii grawitacjiuważają obecny brak pozytywnych wyników eksperymentów nad bezpośrednią detekcją cząstek ciemnej materii za argument na ich korzyść.
Tymczasem obecnie większość naukowcównie rozpoznaje MOND, gdyż oparte na nim obliczenia wskazują na jego niespójność. Problem z alternatywnymi teoriami grawitacji polega na tym, że nawet jeśli uzasadniają one indywidualne efekty będące konsekwencjami istnienia ciemnej materii, to wciąż nie uwzględniają ich jako całości.
Nie wyjaśniają obserwowanego zachowaniazderzających się gromad galaktyk i są niespójne z kosmologicznymi argumentami przemawiającymi za obecnością dużych ilości niebarionowej niewidzialnej materii we wczesnym Wszechświecie.
Abell 2218 Gromada galaktyk
- Kosmologia plazmy
Teoria ta została opracowana w latach 60przez szwedzkiego fizyka Hannesa Alfvena (laureata Nagrody Nobla z 1970 roku za odkrycia w dziedzinie magnetodynamiki) - wykorzystując w tym celu doświadczenia swoich badań plazmy bliskiej Ziemi (zorza polarna) oraz wczesne prace Christiana Birkelanda.
Podstawą teorii jest założenie, żeSiły elektryczne są bardziej znaczące na dużych odległościach (skala galaktyk i gromad galaktyk) niż grawitacja. Jeśli założymy, że plazma wypełnia cały wszechświat i ma dobrą przewodność, wówczas może przewodzić ogromne prądy elektryczne (około 1017–1019 amperów) w skali dziesiątek megaparseków.
Prądy takie wytwarzają potężne galaktyczne pole magnetyczne, które z kolei kształtuje strukturę zarówno galaktyk, jak i ich gromad (nici lub włókna galaktyczne).
Obecność tak potężnego pola łatwo wyjaśnićpowstawanie ramion galaktycznych (nie ma jeszcze konsensusu co do przyczyny powstawania ramion galaktycznych), rozkład prędkości obrotowej dysków galaktycznych od promienia, eliminuje potrzebę wprowadzania halo ciemnej materii.
Ale w tej chwili współczesna astrofizyka nie obserwuje tak potężnych prądów w skali kilkudziesięciu megaparseków, ani wysokich międzygalaktycznych i wewnątrzgalaktycznych pól magnetycznych.
Założenia kosmologii plazmowej dotStruktura komórek nitkowatych i jednorodność Wszechświata w dużych skalach (tzw. Wielkoskalowa Struktura Wszechświata), wykonane przez Alfvéna i Anthony'ego Perrata, zostały nieoczekiwanie potwierdzone obserwacjami z końca lat 80. i 90. XX wieku, ale obserwacje te są również wyjaśnione w ramach ogólnie przyjętych modeli kosmologicznych.
Aby wyjaśnić włóknistą strukturę Wszechświata wObecnie wykorzystuje się teorię powstawania włókien na skutek niestabilności grawitacyjnej (początkowo prawie równomierny rozkład masy koncentruje się na ługach i prowadzi do powstawania włókien), na rosnących strukturach ciemnej materii, wzdłuż których układa się struktura widzialnego powstaje materia (pochodzenie takiej struktury ciemnej materii wyjaśnia się fluktuacjami kwantowymi w procesie inflacji).
Obecnie kosmologia plazmy jakteoria jest niepopularna, ponieważ zaprzecza rozwojowi Wszechświata na drodze Wielkiego Wybuchu. Z drugiej strony, jeśli porzucimy teorię Wielkiego Wybuchu i uznamy wiek Wszechświata za znacznie większy niż 13,5 miliarda lat, to ukrytą masę można w dużej mierze wyjaśnić za pomocą takich obiektów MACHO, jak czarne karły, które ewoluują z białych karłów ostygły przez dziesiątki miliardów lat ...
- Materia z innych wymiarów (wszechświaty równoległe)
Niektóre teorie pozawymiarowe akceptują grawitację jako unikalny rodzaj siły, która może oddziaływać na naszą przestrzeń pozawymiarową.
To założenie pomaga wyjaśnićwzględna słabość oddziaływania grawitacyjnego w porównaniu z pozostałymi trzema podstawowymi oddziaływaniami (elektromagnetycznymi, silnymi i słabymi): grawitacja jest słabsza, ponieważ może oddziaływać z masywną materią w dodatkowych wymiarach, przenikać barierę niedostępną dla innych oddziaływań.
Wynika z tego, że efekt ciemnej materii możemożna logicznie wytłumaczyć interakcją widzialnej materii z naszych zwykłych wymiarów z masywną materią z innych (dodatkowych, niewidzialnych) wymiarów poprzez grawitację. Jednocześnie te wymiary i ta materia w nich nie mogą w żaden sposób odczuwać innego rodzaju interakcji, nie mogą z nią oddziaływać.
Materia w innych wymiarach (a właściwie wrównoległy Wszechświat) mogą formować się w struktury (galaktyki, gromady galaktyk, włókna) w sposób podobny do naszych pomiarów lub tworzyć własne, egzotyczne struktury, które w naszych pomiarach są odczuwalne jako halo grawitacyjne wokół widzialnych galaktyk.
Wyniki numerycznego modelowania ewolucji struktury Wszechświata
- Defekty przestrzeni topologicznej
Ciemna materia może być po prostu pierwotna(powstałe w czasie Wielkiego Wybuchu) defekty w przestrzeni i / lub topologii pól kwantowych, które mogą zawierać energię, powodując tym samym siły grawitacyjne.
Założenie to można zbadać iweryfikowane za pomocą orbitalnej sieci sond kosmicznych (wokół Ziemi lub w Układzie Słonecznym) wyposażonych w dokładny, stale synchronizowany (za pomocą GPS) zegar atomowy, który będzie rejestrował przejście takiego defektu topologicznego przez tę sieć.
Efekt pojawi się jako niewyjaśniony (częstowzględami relatywistycznymi) niedopasowanie przebiegu tych zegarów, które ma wyraźny początek i z czasem koniec (w zależności od kierunku ruchu i wielkości takiej wady topologicznej).
Galaktyka bez ciemnej materii
Naukowcy znajdują galaktyki bez ciemnej materii, ale nie ma sposobu, aby wyjaśnić, w jaki sposób powstały.
- NGC1052-DF2
W galaktyce NGC1052-DF2 jest co najmniej 400 razy mniej ciemnej materii niż powinno.
Wyniki pomiarów przeprowadzonych przy użyciu10-metrowy teleskop Obserwatorium Kecka i Kosmiczny Teleskop Hubble'a (to najlepsze dostępne dziś instrumenty astronomiczne) również przyznają, że w NGC1052-DF2 w ogóle nie ma ciemnej materii.
Ta galaktyka, widoczna tylko przez duże teleskopy,ma całkowitą jasność na poziomie 100 milionów gwiazd podobnych do Słońca, a jej masa jest około 200 milionów razy większa od masy Słońca - według tych parametrów NGC1052-DF2 nie odstaje zbytnio od ogólnej serii.
Ale to, co znajduje się w jej dziesięciustosunkowo jasne obiekty, przez co na wielu zdjęciach galaktyka okazuje się być zbiorem jasnych punktów zamiast rozmytej chmury, to już dużo ciekawszy fakt; to on zmusił astronomów do rozmieszczenia teleskopów z napiętym harmonogramem w kierunku NGC1052-DF2.
Według naukowców to jasne plamyto gromady kuliste, ale ich liczba i rozkład jasności są na tyle niezwykłe, że astronomowie nawet odmówili szczegółowego omówienia tych obiektów w tej publikacji i obiecali, że wrócą do tego szerzej w innej publikacji, wciąż w przygotowaniu.
Jeśli porównamy NGC1052-DF2 z innymigalaktyk o tej samej masie, wówczas niewidzialne halo ciemnej materii powinno być czterysta razy cięższe niż to, co odkryli astronomowie, co jest niezwykle niezwykłym wynikiem.
- NGC 1052-DF4
Naukowcy opisują wyniki dodatkowychobserwacje, które pozwoliły na dokonanie bardziej wiarygodnych szacunków rozproszenia prędkości na podstawie ruchów gwiazd. W rezultacie astronomowie otrzymali wartość 8,5 kilometra na sekundę z zauważalnie mniejszymi błędami (około 30%).
Z tych danych wynika, że masa całkowitagalaktyka jest w przybliżeniu równa masie świecącej substancji, co eliminuje w tym przypadku potrzebę wprowadzenia ciemnej materii. Naukowcy odkryli również w pobliżu podobnej galaktyki NGC 1052-DF4, która również miała wyjątkowo niską dyspersję prędkości gwiazd - około 4,2 km na sekundę, ale błędy w tym przypadku wynoszą około 80%.
Według autorów uzyskane dane są wysokiecechy dostarczają przekonujących dowodów na istnienie nie tylko jednej wyjątkowej galaktyki bez ciemnej materii, ale także nowej klasy podobnych obiektów.
Przypominają również, że te wyniki nie sąw żaden sposób nie obalić hipotezy o ciemnej materii, a wręcz przeciwnie, potwierdź jej konieczność: jeśli opisane przez nią efekty były rzeczywiście generowane przez zwykłą materię, to taka sytuacja nie mogłaby powstać, a ponieważ znaleziono obiekt bez ciemnej materii , to mówi dokładnie o istnieniu dwóch oddzielnych typów substancji, które nie są bezpośrednio powiązane.
Jak galaktyki mogą istnieć bez ciemnej materii?
Galaktyki, które sądząc po obserwacjach,praktycznie nie zawierają ciemnej materii – substancji słabo oddziałującej z otaczającą materią, która, jak się uważa, odpowiada za 26,8% masy Wszechświata – utrudniają astronomom zrozumienie natury tej materii.
Takie obiekty odkryto w wyniku niedawnegoTe obserwacje podważają kosmologiczny model Lambda-CDM przyjęty przez astrofizyków, zgodnie z którym wszystkie galaktyki powinny być otoczone masywnym halo ciemnej materii.
Obiekty wolne od ciemnej materii nie są zbyt dużedobrze zbadane przez astronomów. Jednym ze sposobów zbadania możliwych mechanizmów ich powstawania jest obserwacja kilku z nich na różnych etapach rozwoju. Przetwarzanie informacji o galaktykach za pomocą modelu komputerowego umożliwia śledzenie ich ewolucji.
Aby zrozumieć strukturę tych plikówW przypadku obiektów naukowcy modelowali ich ewolucję za pomocą modelu Illustris, który uwzględnia cykle życia gwiazd, wpływ supernowych i czarnych dziur oraz łączenie się galaktyk. Naukowcy odkryli w układzie stworzonym przez model kilka „galaktyk karłowatych” z taką samą liczbą gwiazd, liczbą gromad kulistych i masą ciemnej materii.
Jak sama nazwa wskazuje, galaktyka karłowatajest mała i składa się z kilku miliardów gwiazd. Dla porównania Droga Mleczna, wokół której krąży ponad 20 znanych galaktyk karłowatych, liczy od 200 do 400 miliardów gwiazd.
Do oceny często wykorzystuje się gromady kulistezawartość ciemnej materii w galaktykach, zwłaszcza w małych. Astrofizycy odkryli, że galaktyki karłowate straciły 90% swojej ciemnej materii w wyniku „wypychania” ich materiału składowego przez własne siły grawitacyjne.
Jaki jest wynik finansowy?
Odkrycie czarnych dziur bez ciemnej materii nie jest możliweznaczy, że nie istnieje. Wręcz przeciwnie, galaktyka bez typowego rozkładu gwiazd pod względem prędkości podważa stanowisko teorii, które próbują przypisać wyniki obserwacji pewnemu uniwersalnemu efektowi niezwiązanemu z ciemną materią.
Jest w zmodyfikowanej dynamice Newtonagwiazdy powinny zawsze obracać się wokół centrum galaktyk z mniej więcej tą samą prędkością, a NGC1052-DF2 gra przeciwko temu modelowi, który stracił już poparcie wielu ekspertów.
Przyznać istnienie galaktyki bez ciemnościmaterii, współczesna astrofizyka może równie dobrze, podczas gdy idea, że prawo powszechnego ciążenia działa selektywnie w różnych częściach Wszechświata, jest co najmniej wątpliwa.
Czytaj więcej
Największa góra lodowa na świecie upadła, fragmenty ruszyły na północ. Czy to jest niebezpieczne?
Ślady paliwa rakietowego znaleziono na księżycu Saturna Rhea. Skąd to pochodzi?
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić