O que é matéria escura?
Matéria escura na astronomia e cosmologia, bem como na física teórica - forma
O conceito de matéria escura é introduzido para o teóricoexplicações do problema da massa oculta nos efeitos da velocidade de rotação anormalmente alta das regiões externas das galáxias e lentes gravitacionais (envolvem matéria cuja massa é muito maior do que a massa da matéria visível comum); entre outros, é o mais satisfatório.
A composição e natureza da matéria escura no realmomento desconhecido. Na estrutura do modelo cosmológico geralmente aceito, o modelo da matéria escura fria é considerado o mais provável. Os candidatos mais prováveis para o papel de partículas são os fracos. Apesar das buscas ativas, eles ainda não foram encontrados experimentalmente.
O próprio termo “matéria escura” pode ser a primeira vezfoi usado para estimar a massa das estrelas na galáxia com base na distribuição de suas velocidades. Em última análise, o termo começou a ser usado precisamente no sentido de matéria inobservável, cuja existência só pode ser julgada pela sua influência gravitacional.
Mapa tridimensional da distribuição da matéria escura, construído usando o método de lentes gravitacionais fracas no âmbito do projeto COSMOS.
Teorias alternativas da existência de matéria escura
- Teorias alternativas da gravidade
Ao tentar explicar os fenômenos observados,Com base no qual, no conjunto, uma conclusão foi feita sobre a necessidade da existência de matéria escura, sem envolver este conceito, considerações foram expressas em primeiro lugar sobre a validade das leis geralmente aceitas de interação gravitacional em grandes distâncias.
O mais famoso é o modificadoA dinâmica newtoniana (MOND) é uma teoria proposta no início dos anos 1980 pelo astrofísico israelense Mordechai Milgrom que é uma modificação da lei da gravidade que produz interações mais fortes em algumas regiões do espaço de uma forma que explica a forma observada das curvas de rotação das galáxias .
Em 2004, o físico teórico YaakovBekenstein, também de Israel, desenvolveu uma generalização relativística desta hipótese - a teoria da gravidade tensor-vetor-escalar, que também explica os efeitos observados das lentes gravitacionais.
Além disso, em 2007, o físico canadense John Moffat propôs sua teoria da gravidade modificada, também chamada de teoria da gravidade do vetor-tensor escalar.
Defensores das teorias da gravidade modificadaconsidere a atual falta de resultados positivos em experimentos sobre a detecção direta de partículas de matéria escura como um argumento a seu favor.
Enquanto isso, atualmente a maioria dos cientistasnão reconhece o MOND, pois os cálculos nele baseados indicam sua inconsistência. O problema com teorias alternativas da gravidade é que, mesmo que forneçam justificação para efeitos individuais que são consequências da existência da matéria escura, ainda assim não os têm em conta como um todo.
Eles não explicam o comportamento observadocolidindo com aglomerados de galáxias e são inconsistentes com os argumentos cosmológicos para a presença de grandes quantidades de matéria invisível não bariônica no início do universo.
Abell 2218 Grupo de Galáxias
- Cosmologia de plasma
Esta teoria foi desenvolvida na década de 1960por um físico sueco chamado Hannes Alfven (laureado com o Nobel de 1970 por descobertas em magnetodinâmica) - ao fazê-lo, ele usou a experiência de seus estudos de plasma próximo à Terra (aurora boreal) e os primeiros trabalhos de Christian Birkeland.
A base da teoria é a suposição de queAs forças elétricas são mais significativas em grandes distâncias (escala de galáxias e aglomerados de galáxias) do que a gravidade. Se assumirmos que o plasma preenche todo o universo e tem boa condutividade, então ele poderia conduzir enormes correntes elétricas (cerca de 1017-1019 amperes) em escalas de dezenas de megaparsecs.
Tais correntes criam um poderoso campo magnético galáctico, que por sua vez forma a estrutura das galáxias e de seus aglomerados (fios ou filamentos galácticos).
A presença de um campo tão poderoso explica facilmentea formação de braços galácticos (ainda não há consenso sobre o motivo da formação de braços galácticos), a distribuição da velocidade de rotação dos discos galácticos a partir do raio, elimina a necessidade de introdução de um halo de matéria escura.
Mas, no momento, a astrofísica moderna não observa correntes tão poderosas em uma escala de dezenas de megaparsecs, nem campos magnéticos intergalácticos e intragalácticos elevados.
Suposições da cosmologia plasmática sobreA estrutura celular filamentosa e a homogeneidade do Universo em grandes escalas (a chamada Estrutura em Grande Escala do Universo), feitas por Alfvén e Anthony Perrat, foram inesperadamente confirmadas por observações no final dos anos 1980 e 1990, mas essas observações também são explicado dentro da estrutura de modelos cosmológicos geralmente aceitos.
Para explicar a estrutura filamentar do Universo emAtualmente, utiliza-se a teoria da formação de filamentos por instabilidade gravitacional (inicialmente, uma distribuição quase uniforme de massa concentra-se nos cáusticos e leva à formação de filamentos), em estruturas crescentes de matéria escura, ao longo das quais a estrutura do visível a matéria é formada (a origem de tal estrutura da matéria escura é explicada pelas flutuações quânticas no processo de inflação).
Atualmente, a cosmologia do plasma comoa teoria é impopular, pois nega o desenvolvimento do Universo ao longo do caminho do Big Bang. Por outro lado, se abandonarmos a teoria do Big Bang e considerarmos a idade do Universo muito maior do que 13,5 bilhões de anos, a massa oculta pode ser amplamente explicada por objetos MACHO como anãs negras, que evoluem de anãs brancas que esfriaram ao longo de dezenas de bilhões de anos ...
- Matéria de outras dimensões (universos paralelos)
Algumas teorias extradimensionais aceitam a gravidade como um tipo único de força que pode atuar em nosso espaço extradimensional.
Esta suposição ajuda a explicara relativa fraqueza da interação gravitacional em comparação com as outras três interações básicas (eletromagnética, forte e fraca): a gravidade é mais fraca, pois pode interagir com matéria massiva em dimensões extras, penetrar em uma barreira inacessível a outras interações.
Segue-se que o efeito da matéria escura podeser logicamente explicado pela interação da matéria visível de nossas dimensões comuns com matéria massiva de outras dimensões (extras, invisíveis) através da gravidade. Ao mesmo tempo, essas dimensões e esta matéria nelas não podem sentir outros tipos de interações de forma alguma, não podem interagir com elas.
A matéria em outras dimensões (na verdade emUniverso paralelo) podem se formar em estruturas (galáxias, aglomerados de galáxias, filamentos) de maneira semelhante às nossas medições ou formar suas próprias estruturas exóticas, que em nossas medições são sentidas como um halo gravitacional em torno de galáxias visíveis.
Resultados da modelagem numérica da evolução da estrutura do Universo
- Defeitos topológicos do espaço
A matéria escura pode ser apenas primordial(surgindo na época do Big Bang) defeitos no espaço e / ou na topologia dos campos quânticos que podem conter energia, causando forças gravitacionais.
Essa suposição pode ser explorada everificado usando uma rede orbital de sondas espaciais (ao redor da Terra ou dentro do Sistema Solar) equipadas com um relógio atômico preciso e continuamente sincronizado (usando GPS) que registrará a passagem de tal defeito topológico por esta rede.
O efeito aparecerá como inexplicável (comumrazões relativísticas) descasamento do curso desses relógios, que tem um início claro e, com o tempo, o fim (dependendo da direção do movimento e do tamanho de tal defeito topológico).
Galáxia sem matéria escura
Os cientistas estão encontrando galáxias sem matéria escura, mas não há como explicar como elas se formaram.
- NGC1052-DF2
Na galáxia NGC1052-DF2, há pelo menos 400 vezes menos matéria escura do que deveria.
Resultados de medições realizadas usandoO telescópio de 10 metros do Observatório Keck e o Telescópio Espacial Hubble (estes são os melhores instrumentos astronômicos disponíveis atualmente) também admitem que não há matéria escura em NGC1052-DF2.
Esta galáxia, visível apenas através de grandes telescópios,tem luminosidade total no nível de 100 milhões de estrelas como o Sol, e sua massa é aproximadamente 200 milhões de vezes maior que a massa do Sol - de acordo com esses parâmetros, NGC1052-DF2 não se destaca muito da série geral.
Mas o que é encontrado dentro dela dezobjetos relativamente brilhantes, e devido a isso, em uma série de imagens, a galáxia passa a ser um conjunto de pontos brilhantes em vez de uma nuvem borrada, já é um fato muito mais interessante; foi ele quem forçou os astrônomos a implantar telescópios com um cronograma apertado em direção ao NGC1052-DF2.
Segundo os pesquisadores, esses pontos brilhantessão aglomerados estelares globulares, mas seu número e distribuição de luminosidades são tão incomuns que os astrônomos até se recusaram a falar detalhadamente sobre esses objetos nesta publicação e prometeram voltar a isso com mais detalhes em outra publicação, ainda em processo de preparação.
Se compararmos o NGC1052-DF2 com outrosgaláxias da mesma massa, então o halo invisível de matéria escura deveria ser quatrocentas vezes mais pesado do que o que os astrônomos descobriram, um resultado extremamente incomum.
- NGC 1052-DF4
Cientistas descrevem resultados deobservações que permitiram estimativas mais confiáveis da dispersão da velocidade com base em movimentos estelares. Como resultado, os astrônomos obtiveram um valor de 8,5 quilômetros por segundo com erros visivelmente menores (cerca de 30%).
A partir desses dados, segue-se que a massa totala galáxia é aproximadamente igual à massa da substância luminosa, o que elimina a necessidade de introdução de matéria escura neste caso. Os cientistas também descobriram nas proximidades uma galáxia semelhante NGC 1052-DF4, que também tinha uma dispersão extremamente baixa de velocidades estelares - cerca de 4,2 quilômetros por segundo, mas os erros neste caso são de cerca de 80%.
Segundo os autores, os dados obtidos são elevadosqualidades fornecem evidências convincentes da existência não apenas de uma galáxia excepcional sem matéria escura, mas também de uma nova classe de objetos semelhantes.
Eles também lembram que esses resultados não sãode forma alguma refutam a hipótese da matéria escura, mas, ao contrário, confirmam sua necessidade: se os efeitos descritos por ela fossem realmente gerados pela matéria comum, então tal situação não poderia surgir, e uma vez que um objeto sem matéria escura é encontrado , então isso fala precisamente da existência de dois tipos separados de substâncias que não estão diretamente relacionadas.
Como as galáxias podem existir sem matéria escura?
Galáxias que, a julgar pelas observações,praticamente não contêm matéria escura - uma substância que interage fracamente com a matéria circundante, que se acredita ser responsável por 26,8% da massa do Universo - complicam a compreensão dos astrônomos sobre a natureza desta matéria.
Esses objetos descobertos como resultado de recentesEssas observações desafiam o modelo cosmológico Lambda-CDM adotado por astrofísicos, segundo o qual todas as galáxias deveriam ser cercadas por um halo massivo de matéria escura.
Objetos livres de matéria escura não são muitobem estudado por astrônomos. Uma forma de estudar os possíveis mecanismos de sua formação é observar vários deles em diferentes estágios de desenvolvimento. O processamento de informações sobre galáxias usando um modelo de computador torna possível rastrear sua evolução.
A fim de compreender a estrutura destesobjetos, os cientistas modelaram sua evolução usando o modelo Illustris, que leva em consideração os ciclos de vida das estrelas, a influência de supernovas e buracos negros e fusões de galáxias. Os pesquisadores encontraram no sistema criado pelo modelo, várias "galáxias anãs" com o mesmo número de estrelas, o número de aglomerados globulares e a massa de matéria escura.
Como o nome sugere, uma galáxia anãé pequeno e consiste em vários bilhões de estrelas. Em contraste, a Via Láctea, que é orbitada por mais de 20 galáxias anãs conhecidas, tem entre 200 e 400 mil milhões de estrelas.
Os clusters globulares são frequentemente usados para avaliarconteúdo de matéria escura nas galáxias, especialmente nas pequenas. Os astrofísicos descobriram que as galáxias anãs perderam 90% de sua matéria escura como resultado da "expulsão" de seu material constituinte por suas próprias forças gravitacionais.
Qual é o resultado final?
A descoberta de buracos negros sem matéria escura não é possívelsignifica que não existe. Pelo contrário, uma galáxia sem uma distribuição típica de velocidade das estrelas mina as teorias que tentam atribuir os resultados observacionais a algum efeito universal não relacionado com a matéria escura.
Está na dinâmica newtoniana modificadaas estrelas devem sempre girar em torno do centro das galáxias aproximadamente na mesma velocidade, e o NGC1052-DF2 joga contra esse modelo, que já perdeu o apoio de muitos especialistas.
Para admitir a existência de uma galáxia sem escuridãoda matéria, a astrofísica moderna pode muito bem, enquanto a idéia de que a lei da gravitação universal funciona seletivamente em diferentes partes do Universo é pelo menos duvidosa.
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