Astronomowie są wciąż na wczesnym etapie, jeśli chodzi o pytania dotyczące natury i właściwości ciemnej materii.
Teoria o istnieniu tej substancji byłazaproponowane ponad 40 lat temu jako wyjaśnienie rozbieżności pomiędzy masą wszystkich widocznych obiektów w galaktyce a masą samej galaktyki. Astronom Vera Rubin, która jako pierwsza odkryła tę rozbieżność, ustaliła, że ta niewidzialna substancja jest niezwykle powszechna i stanowi większość Wszechświata. Dziś znamy tę substancję jako ciemną materię.
Wiera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Chociaż astronomowie mają co najmniej trzydowody na istnienie ciemnej materii, żadna z prób wykrycia bezpośrednich dowodów jej istnienia i określenia jej właściwości nie powiodła się.
Jednak praca naukowców z Uniwersytetu Yale wprowadzony przez Petera van Dokkum, opublikowany w czasopiśmie Nature w marcu 2018 r., naukowcy bardziej niż kiedykolwiek przybliżyli naukowców do znalezienia kolejnego dowodu na istnienie tej substancji.
Co astronomowie wiedzą o ciemnej materii?
Ciemna materia jest substancją, która nie jestwspółdziała z innymi sprawami za pomocą elektromagnetycznych (EM) lub silnych sił jądrowych. Brak oddziaływań elektromagnetycznych oznacza, że nie może emitować, absorbować, odbijać, załamywać ani rozpraszać światła. To oczywiście sprawia, że jest to dość skomplikowany temat do obserwacji. Jednak około 85% całej materii we wszechświecie to ciemna materia.
Do tej pory naukowcy nie mają praktycznych dowodów na to, że ciemna materia naprawdę istnieje, ale jest teoretyczna. Oto trzy główne.
Galaktyczne krzywe obrotu
Kiedy jeden obiekt obraca się wokół innego,obiekt na orbicie musi być stale przyspieszany do centralnego (lub dokładniej, oba przyspieszają do swojego połączonego środka masy). Bez tego przyspieszenia ciało orbitalne po prostu odleci.
Im szybciej porusza się ciało orbity, tym szybciejwymagane jest większe przyspieszenie, aby utrzymać ją na orbicie. Ponieważ w tym przypadku przyspieszenie jest spowodowane grawitacją, oznacza to, że centralna masa musi być większa.
Ta wiedza pozwala naukowcom „zważyć” inaczejczęści galaktyki, a także mierzą prędkości obrotowe, porównując przesunięcia ku czerwieni na zbliżających się i oddalających się stronach galaktyki. Podczas ważenia astronomowie widzą rozbieżność między masą wszystkich obiektów w galaktyce a jej masą całkowitą.
Redshift— przesunięcie linii widmowych pierwiastków chemicznychna stronę czerwoną (długie fale). Zjawisko to może być wyrazem słabego rozpraszania rozproszonego, efektu Dopplera lub grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, lub ich kombinacji. Przesunięcie linii widmowych w widmach ciał niebieskich zostało po raz pierwszy opisane przez francuskiego fizyka Hippolyte'a Fizeau w 1848 roku i w celu wyjaśnienia tego przesunięcia zaproponował efekt Dopplera spowodowany prędkością radialną gwiazdy.
Soczewkowanie grawitacyjne
Zgodnie z ogólną teorią względnościczas przejścia przez pole grawitacyjne jest nieco zniekształcony. Działa jak soczewka grawitacyjna i może wytwarzać na przykład „pierścienie Einsteina”, jak na obrazku poniżej.
Ogólna teoria względności Einsteinaże grawitacja tak dużych obiektów kosmicznych, jak galaktyki, pochyla przestrzeń wokół niej i odchyla promienie światła. Kiedy to nastąpi, zniekształcony obraz innej galaktyki - źródła światła.
„Pierścień Einsteina” na obrazku powyżejzniekształcony obraz jednej galaktyki (jest podświetlony na niebiesko), umieszczony za drugą (czerwoną) galaktyką w środku. Światło niebieskie rozchodzi się we wszystkich kierunkach, ale jest gięte przez grawitację czerwonej galaktyki. Oznacza to, że światło, które na przykład było pierwotnie skierowane bezpośrednio na Ziemię, nigdy nie dotrze do naszej planety - w przeciwieństwie do światła, które miało inny kierunek, ale zostało zniekształcone przez soczewkę i postępuje tak, jakby ze wszystkich kierunków jednocześnie. Ten proces wyjaśnia wygląd pierścienia.
W słabych soczewkach grawitacyjnych, statystyczneanaliza zniekształceń w odbieranym przez nas świetle pozwala „zauważyć” pole grawitacyjne pomiędzy Ziemią a odległymi galaktykami. Często w tym polu znajduje się więcej masy – a zatem i materii – niż naukowcy są w stanie wyjaśnić.
Przykładem soczewkowania grawitacyjnego, które z punktu widzenia dotychczasowej teorii dowodzi obecności ciemnej materii, jest zdjęcie gromady galaktyk Pocisk, znajdującej się w gwiazdozbiorze Kila.
Zdjęcie pokazuje następstwa zderzenia dwóch galaktyk. Kolor czerwony na zdjęciu pokazuje obszary widocznej materii, kolor niebieski pokazuje ciemną materię, której obecność określa soczewkowanie grawitacyjne.
To rozróżnienie wynika z tego, żeWiększość świetlistej materii w gromadzie galaktyk znajduje się w medium wewnątrzlustrowym - w gorącej, gęstej plazmie. Gdy części plazmy zderzają się ze sobą, znaczna ilość substancji spowalnia i pozostaje w środku. Ale ciemna materia słabo oddziałuje z materią, więc jej składniki z dwóch gromad mogą swobodnie przechodzić przez siebie - prowadzi to do separacji pokazanej na zdjęciu.
Promieniowanie reliczne
Przez pierwsze kilkaset tysięcy lat późniejW czasie Wielkiego Wybuchu wszechświat był wystarczająco gorący, aby stać się silnie zjonizowany. To chwilowo sprawiło, że była prawie nieprzezroczysta dla światła – fotony obracały się jak każda inna cząstka. Jednak gdy wszystko wystarczająco ostygło, znaczne ilości protonów i elektronów połączyły się, tworząc obojętny wodór, który stał się wystarczająco przezroczysty dla większości otaczającego go światła. Proces ten nastąpił dość szybko (w sensie czasu kosmologicznego) - w rezultacie całe światło zawarte we Wszechświecie, mówiąc relatywnie, zostało nagle uwolnione, robiąc migawkę na tym etapie jego ewolucji. Jest to uproszczony sposób opisu kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła.
Naukowcy mogą wykryć to światłoskieruj radioteleskopy w dowolnym kierunku, a w zależności od obszaru obserwacji temperatura nieznacznie się zmieni. Różnicę temperatur tłumaczy się obecnością lub brakiem ciemnej materii w tym obszarze.
Co jest niezwykłe w pierwszej galaktyce?
DF2 to galaktyka będąca częścią dużej grupyprowadzona przez masywną galaktykę eliptyczną NGC 1052. Galaktyka przyciągnęła uwagę naukowców, ponieważ wyglądała inaczej na zdjęciach wykonanych przez Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). W pierwszym przypadku galaktyka wyglądała jako plama słabego światła, podczas gdy w drugim była to grupa obiektów punktowych.
Na podstawie tych obserwacji naukowcy kierowani przezPeter van Dokkum zidentyfikował dziesięć gromad kulistych (dużych grup starych gwiazd) wewnątrz galaktyki i odkrył, że poruszają się one trzy razy wolniej, niż gdyby było dużo ciemnej materii. Faktem jest, że gdyby masa galaktyki była większa od masy widocznych obiektów, gromady obracałyby się szybciej.
Środowisko naukowe krytycznie oceniło publikację— błąd badaczy polegał na tym, że obserwowali tylko dziesięć gromad i tylko przez dwie noce. Sceptycy wierzyli, że naukowcy mogli przeoczyć kluczowe szczegóły ruchu gromad gwiazd, co spowodowało wypaczenie ich szacunków masy galaktyki i widocznej materii.
A w drugim?
Jedyny sposób na udowodnienie ich poprawnościObserwacja polegała na poszukiwaniu drugiej galaktyki, która zawierałaby minimalną ilość ciemnej materii - w marcu 2019 r. Odkryto taką galaktykę.
Naukowcy opublikowali dwa artykuły naukowe – wJako pierwsi ponownie zmierzyli masę DF2 za pomocą zaawansowanej kamery Hubble'a i 10-metrowego teleskopu w Obserwatorium Keck na Hawajach. Tym razem astronomowie zaobserwowali nie tylko prędkość ruchu gromad, ale także prędkość rotacji znajdujących się w nich gwiazd. W rezultacie naukowcy ustalili, że DF2 jest przezroczystą, bardzo rozproszoną galaktyką, której rozmiar jest w przybliżeniu taki sam jak Droga Mleczna. Tyle że było w nim około 200 razy mniej gwiazd.
Drugi artykuł poświęcony był odkryciu takichGalaktyki DF2 - DF4, która znajduje się w tej samej gromadzie obok galaktyki NGC 1052. Naukowcy uważają, że po pierwsze, galaktyki z minimalną ilością ciemnej materii nie są rzadkością, a po drugie, że duża galaktyka może „ukraść” ciemność materia od ich mniejszych sąsiadów.
Jak nieobecność ciemnej materii może świadczyć o jej istnieniu?
Aby zrozumieć stwierdzenie, że brak ciemnościmateria w dwóch galaktykach potwierdza swoją obecność we wszechświecie zgodnie z Ogólną Teorią Względności, warto rozważyć krytykę idei obecności ciemnej materii.
Niektórzy naukowcy nie zgadzają się z tym we wszechświecieistnieje ciemna materia, a teoretyczne dowody jej obecności przypisuje się tak zwanej zmodyfikowanej dynamice Newtona (MOND). Ta alternatywna teoria mówi, że grawitacja w skali kosmicznej nie działa w sposób przewidziany przez Izaaka Newtona lub Alberta Einsteina. Oznacza to, że Ogólna Teoria Względności, na której budowane są teorie na temat istnienia ciemnej materii, nie działa z galaktykami.
Na przykład fizyk teoretyczny Erik Verlinde zUniwersytet w Amsterdamie opublikował w 2016 roku artykuł naukowy, w którym zbadał grawitację jako produkt uboczny oddziaływań kwantowych i zasugerował, że dodatkowa grawitacja przypisana ciemnej materii jest efektem ciemnej energii – energii tła wplecionej w strukturę czasoprzestrzeni Wszechświata.
Innymi słowy, Verlinde wierzy, że ciemna materia nie jest materią, a jedynie interakcją pomiędzy zwykłą materią a ciemną energią.
Odkrycie naukowców z Uniwersytetu Yalepokazuje, że ciemną materię można oddzielić od zwykłej materii, pod warunkiem, że obie wykryte galaktyki zachowują się zgodnie ze standardową teorią grawitacji. Oznacza to, że zachodzące w nich procesy można wyjaśnić za pomocą równań odkrytych przez Newtona i Keplera.
Jakie są pytania
Odkrycie przez astronomów, jeśli się powiedzieostatecznie potwierdzona w przyszłych obserwacjach, podważa istniejącą teorię dotyczącą powstawania galaktyk. W szczególności mówimy o założeniu, że większa NGC 1052 może „kraść” ciemną materię z DF2 i DF4. Jeśli rzeczywiście jest to możliwe, pod warunkiem zachowania porządku obserwowanego w obu obserwowanych galaktykach, wówczas astronomowie będą musieli całkowicie na nowo przemyśleć mechanizm ich powstawania i istnienia.
„Mamy nadzieję dowiedzieć się, jak powszechnete galaktyki i czy istnieją w innych obszarach wszechświata. Chcemy znaleźć więcej dowodów, które pomogą nam zrozumieć, w jaki sposób ich właściwości są spójne lub niezgodne z naszymi obecnymi teoriami. Mamy nadzieję, że pozwoli to nam zrobić kolejny krok w zrozumieniu jednej z największych tajemnic we wszechświecie - natury ciemnej materii - powiedział Dokkum w rozmowie z Astronomią.