Ce este materia întunecată?
Materia întunecată în astronomie și cosmologie, precum și în fizica teoretică - formă
Conceptul de materie întunecată este introdus pentru teoreticexplicații ale problemei masei ascunse în efectele vitezei de rotație anormal de mari a regiunilor exterioare ale galaxiilor și a lentilelor gravitaționale (acestea implică materie, a cărei masă este mult mai mare decât masa materiei obișnuite vizibile); printre altele, este cel mai satisfăcător.
Compoziția și natura materiei întunecate pe realmoment necunoscut. În cadrul modelului cosmologic general acceptat, modelul materiei întunecate reci este considerat cel mai probabil. Cei mai probabili candidați pentru rolul particulelor sunt wimps. În ciuda căutărilor active, acestea nu au fost încă găsite experimental.
Termenul „materie întunecată” în sine poate fi primula fost folosit pentru a estima masa stelelor din galaxie pe baza distribuției vitezelor lor. În cele din urmă, termenul a început să fie folosit tocmai în sensul materiei neobservabile, a cărei existență poate fi judecată doar după efectul gravitațional.
Harta tridimensională a distribuției materiei întunecate, construită folosind metoda lentilelor gravitaționale slabe în cadrul proiectului COSMOS.
Teorii alternative ale existenței materiei întunecate
- Teorii alternative ale gravitației
Când încercați să explicați fenomenele observate, pePe baza căruia, în ansamblu, s-a ajuns la o concluzie cu privire la necesitatea existenței materiei întunecate, fără a implica acest concept, s-au exprimat mai întâi considerații cu privire la validitatea legilor general acceptate ale interacțiunii gravitaționale la distanțe mari.
Cel mai faimos este modificatDinamica newtoniană (MOND) este o teorie propusă la începutul anilor 1980 de astrofizicianul israelian Mordechai Milgrom, care este o modificare a legii gravitației care produce interacțiuni mai puternice în unele regiuni ale spațiului într-un mod care explică forma observată a curbelor de rotație ale galaxiilor. .
În 2004, fizicianul teoretician YaakovBekenstein, tot din Israel, a dezvoltat o generalizare relativistă a acestei ipoteze - teoria tensor-vector-scalar a gravitației, care explică și efectele observate ale lentilei gravitaționale.
În plus, în 2007, fizicianul canadian John Moffat și-a propus teoria gravitației modificate, numită și teoria gravitației scalar-tensor-vectorală.
Susținătorii teoriilor gravitaționale modificateconsideră că lipsa actuală de rezultate pozitive din experimentele privind detectarea directă a particulelor de materie întunecată este un argument în favoarea acestora.
Între timp, în prezent, majoritatea oamenilor de științănu recunoaște MOND, deoarece calculele bazate pe acesta indică inconsecvența acestuia. Problema cu teoriile alternative ale gravitației este că, chiar dacă oferă o justificare pentru efectele individuale care sunt consecințe ale existenței materiei întunecate, ele tot nu le iau în considerare ca un întreg.
Nu explică comportamentul observatgrupuri de galaxii care se ciocnesc și sunt incompatibile cu argumentele cosmologice pentru prezența unor cantități mari de materie invizibilă non-barionică în universul timpuriu.
Abell 2218 Cluster de galaxii
- Cosmologia plasmatică
Această teorie a fost dezvoltată în anii 1960de către un fizician suedez pe nume Hannes Alfven (laureat al Premiului Nobel pentru descoperiri în magnetodinamică din 1970) - în acest sens a folosit experiența studiilor sale asupra plasmei din apropierea Pământului (aurora boreală) și a lucrărilor timpurii ale lui Christian Birkeland.
Baza teoriei este presupunerea căForțele electrice sunt mai semnificative la distanțe mari (la scara galaxiilor și a clusterelor de galaxii) decât gravitația. Dacă presupunem că plasma umple întregul univers și are o conductivitate bună, atunci ar putea conduce curenți electrici enormi (aproximativ 1017–1019 amperi) la scară de zeci de megaparsecs.
Такие токи создают мощное галактическое магнитное поле, которое в свою очередь формирует структуру как галактик, так и их скоплений (галактических нитей или филаментов).
Наличие такого мощного поля легко объясняет formarea brațelor galactice (nu există încă un consens cu privire la motivul formării brațelor galactice), distribuția vitezei de rotație a discurilor galactice din rază, elimină necesitatea introducerii unui halou de materie întunecată.
Însă, în acest moment, astrofizica modernă nu observă curenți atât de puternici pe o scară de zeci de megaparsecs, nici câmpuri magnetice intergalactice și intragalactice înalte.
Ipotezele cosmologiei plasmatice despreStructura celulelor filamentoase și omogenitatea Universului la scară mare (așa-numita Structură la scară largă a Universului), realizată de Alfvén și Anthony Perrat, au fost confirmate în mod neașteptat de observațiile de la sfârșitul anilor 1980 și 1990, dar aceste observații sunt, de asemenea, explicate în cadrul modelelor cosmologice general acceptate.
Pentru a explica structura filamentară a Universului înÎn prezent, se utilizează teoria formării filamentelor din cauza instabilității gravitaționale (inițial, o distribuție aproape uniformă a masei este concentrată pe caustice și duce la formarea de filamente), pe structurile în creștere ale materiei întunecate, de-a lungul cărora structura vizibilă. se formează materia (originea unei astfel de structuri a materiei întunecate se explică prin fluctuațiile cuantice în procesul de inflație).
În prezent, cosmologia plasmatică cateoria este nepopulară, deoarece neagă dezvoltarea Universului de-a lungul căii Big Bang-ului. Pe de altă parte, dacă abandonăm teoria Big Bang-ului și considerăm că vârsta Universului este mult mai mare de 13,5 miliarde de ani, atunci masa ascunsă poate fi explicată în mare măsură de astfel de obiecte MACHO precum piticii negri care evoluează din piticii albi care au s-a răcit peste zeci de miliarde de ani ...
- Materie din alte dimensiuni (universuri paralele)
Unele teorii extradimensionale acceptă gravitația ca un tip unic de forță care poate acționa asupra spațiului nostru extradimensional.
Această presupunere ajută la explicareslăbiciunea relativă a interacțiunii gravitaționale în comparație cu celelalte trei interacțiuni de bază (electromagnetice, puternice și slabe): gravitația este mai slabă, deoarece poate interacționa cu materie masivă în dimensiuni suplimentare, pătrunde într-o barieră inaccesibilă altor interacțiuni.
Rezultă că efectul materiei întunecate poatesă fie explicat logic prin interacțiunea materiei vizibile din dimensiunile noastre obișnuite cu materia masivă din alte dimensiuni (extra, invizibile) prin gravitație. În același timp, aceste dimensiuni și această materie din ele nu pot simți în niciun fel alte tipuri de interacțiuni, nu pot interacționa cu ele.
Materia în alte dimensiuni (de fapt înUnivers paralel) se pot forma în structuri (galaxii, grupuri de galaxii, filamente) într-un mod similar cu măsurătorile noastre sau pot forma propriile structuri exotice, care în măsurătorile noastre sunt resimțite ca un halou gravitațional în jurul galaxiilor vizibile.
Rezultatele modelării numerice a evoluției structurii Universului
- Defecte topologice de spațiu
Materia întunecată poate fi doar primordială(apărând în momentul Big Bang-ului) defecte în spațiu și / sau topologia câmpurilor cuantice, care pot conține energie, provocând astfel forțe gravitaționale.
Această presupunere poate fi explorată şiverificat cu ajutorul unei rețele orbitale de sonde spațiale (în jurul Pământului sau în cadrul Sistemului Solar) echipate cu un ceas atomic precis, sincronizat continuu (folosind GPS), care va înregistra trecerea unui astfel de defect topologic prin această rețea.
Efectul va apărea ca inexplicabil (comunmotive relativiste) nepotrivire a cursului acestor ceasuri, care are un început clar și, cu timpul, un sfârșit (în funcție de direcția de mișcare și de mărimea unui astfel de defect topologic).
Galaxy fără materie întunecată
Oamenii de știință găsesc galaxii fără materie întunecată, dar este imposibil să explicăm cum s-au format.
- NGC1052-DF2
În galaxia NGC1052-DF2, există de cel puțin 400 de ori mai puțină materie întunecată decât ar trebui să existe.
Rezultatele măsurătorilor efectuate folosindTelescopul de 10 metri al Observatorului Keck și Telescopul Spațial Hubble (acestea sunt cele mai bune instrumente astronomice disponibile astăzi) admit, de asemenea, că nu există deloc materie întunecată în NGC1052-DF2.
Această galaxie, vizibilă numai prin telescoape mari,are o luminozitate totală la nivelul a 100 de milioane de stele precum Soarele, iar masa sa este de aproximativ 200 de milioane de ori mai mare decât masa Soarelui – conform acestor parametri, NGC1052-DF2 nu iese prea mult în evidență din seria generală.
Iată ce se găsește în interiorul celor zeceobiecte relativ luminoase și, din această cauză, într-o serie de imagini, galaxia se dovedește a fi un set de puncte luminoase în loc de un nor neclar, este deja un fapt mult mai interesant; el a fost cel care i-a forțat pe astronomi să desfășoare telescoape cu un program strâns înspre NGC1052-DF2.
Potrivit cercetătorilor, aceste puncte luminoasesunt clustere de stele globulare, dar numărul și distribuția lor de luminozități sunt atât de neobișnuite încât astronomii chiar au refuzat să vorbească în detaliu despre aceste obiecte în această publicație și au promis că vor reveni asupra acestui lucru mai detaliat într-o altă publicație, încă în pregătire.
Dacă comparăm NGC1052-DF2 cu altelegalaxii de aceeași masă, atunci haloul invizibil al materiei întunecate ar trebui să fie de patru sute de ori mai greu decât ceea ce găsesc astronomii, un rezultat extrem de neobișnuit.
- NGC 1052-DF4
Oamenii de știință descriu rezultatele suplimentareobservații care au permis estimări mai fiabile ale dispersiei vitezei pe baza mișcărilor stelare. Drept urmare, astronomii au primit o valoare de 8,5 kilometri pe secundă cu erori vizibil mai mici (aproximativ 30%).
Din aceste date rezultă că masa totalăgalaxia este aproximativ egală cu masa substanței luminoase, ceea ce elimină necesitatea introducerii materiei întunecate în acest caz. Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, în apropiere o galaxie similară NGC 1052-DF4, care avea, de asemenea, o dispersie extrem de redusă a vitezei stelare - aproximativ 4,2 kilometri pe secundă, dar erorile în acest caz sunt de aproximativ 80%.
Potrivit autorilor, datele obținute sunt ridicatecalitățile oferă dovezi convingătoare pentru existența nu doar a unei galaxii excepționale fără materie întunecată, ci și a unei noi clase de obiecte similare.
De asemenea, vă reamintesc că aceste rezultate nu sunt incluseîn niciun caz nu infirmă ipoteza materiei întunecate, ci, dimpotrivă, confirmă necesitatea acesteia: dacă efectele descrise de aceasta ar fi de fapt generate de materia obișnuită, atunci o astfel de situație nu ar putea apărea și întrucât se găsește un obiect fără materie întunecată , atunci acest lucru vorbește exact despre existența a două tipuri separate de substanțe care nu sunt direct legate.
Cum pot exista galaxiile fără materie întunecată?
Galaxii care, judecând după observații,practic nu conțin materie întunecată - o substanță care interacționează slab cu materia înconjurătoare, despre care se crede că este responsabilă pentru 26,8% din masa Universului - complică înțelegerea de către astronomi a naturii acestei materii.
Astfel de obiecte descoperite ca rezultat al recentelorobservațiile contestă modelul cosmologic Lambda-CDM adoptat de astrofizicieni, conform căruia toate galaxiile ar trebui să fie înconjurate de un halou masiv de materie întunecată.
Obiectele fără materie întunecată nu sunt foartebine studiat de astronomi. Una dintre modalitățile de a studia posibilele mecanisme de formare a acestora este de a observa mai multe dintre ele în diferite stadii de dezvoltare. Prelucrarea informațiilor despre galaxii utilizând un model de computer face posibilă urmărirea evoluției acestora.
Pentru a înțelege structura acestoraobiecte, oamenii de știință și-au modelat evoluția folosind modelul Illustris, care ia în considerare ciclurile de viață ale stelelor, influența supernovelor și a găurilor negre și fuziunile galaxiilor. Cercetătorii au găsit în sistemul creat de model, mai multe „galaxii pitice” cu același număr de stele, numărul de grupuri globulare și masa de materie întunecată.
După cum sugerează și numele, o galaxie piticăeste mic și este format din câteva miliarde de stele. În schimb, Calea Lactee, care este orbitată de peste 20 de galaxii pitice cunoscute, are între 200 și 400 de miliarde de stele.
Clustere globulare sunt adesea utilizate pentru a evaluaconținutul materiei întunecate din galaxii, în special în cele mici. Astrofizicienii au descoperit că galaxiile pitice și-au pierdut 90% din materia lor întunecată ca urmare a „împingerii” din materialul lor constitutiv de propriile forțe gravitaționale.
Care este linia de jos?
Descoperirea găurilor negre fără materie întunecată nu este posibilăînseamnă că nu există. Dimpotrivă, o galaxie fără o distribuție tipică a vitezei stelelor subminează teoriile care încearcă să atribuie rezultatele observației unui efect universal care nu are legătură cu materia întunecată.
Este în dinamica newtoniană modificatăstelele ar trebui să se rotească întotdeauna în jurul centrului galaxiilor cu aproximativ aceeași viteză, iar NGC1052-DF2 joacă împotriva acestui model, care și-a pierdut deja sprijinul multor experți.
Să recunoaștem existența unei galaxii fără întunericdin materie, astrofizica modernă ar putea bine, în timp ce ideea că legea gravitației universale funcționează selectiv în diferite părți ale Universului pare cel puțin îndoielnică.
Citeste mai mult
Cel mai mare aisberg din lume s-a prăbușit, fragmente s-au repezit spre nord. E periculos?
Urme de combustibil pentru rachete au fost găsite pe luna lui Saturn, Rhea. De unde vine?
Avortul și știința: ce se va întâmpla cu copiii care vor naște