Astronomii sunt încă într-un stadiu incipient când vine vorba de întrebări referitoare la natura și proprietățile materiei întunecate.
Teoria despre existența acestei substanțe a fostprezentat cu mai bine de 40 de ani în urmă ca o explicație pentru discrepanța dintre masa tuturor obiectelor vizibile dintr-o galaxie și masa galaxiei în sine. Astronomul Vera Rubin, care a descoperit prima discrepanță, a stabilit că această substanță invizibilă este extrem de comună și formează cea mai mare parte a Universului. Astăzi cunoaștem această substanță ca materie întunecată.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Deși astronomii au cel puțin treidovezi că materia întunecată există, nici una dintre încercările de a detecta dovezile directe ale existenței sale și de a determina proprietățile sale nu a avut succes.
Cu toate acestea, lucrările oamenilor de știință de la Universitatea Yale dincondus de Peter van Dokkum, publicat în revista Nature în martie 2018, oamenii de știință au adus mai mult decât oricând pe oamenii de știință mai aproape de a găsi încă o dovadă a existenței acestei substanțe.
Ce știu astronomii despre materia întunecată?
Materia întunecată este o substanță care nu esteinteracționează cu alte probleme prin intermediul unor forțe nucleare electromagnetice (EM) sau puternice. Lipsa interacțiunilor electromagnetice înseamnă că nu poate emite, absorbi, reflecta, refracta sau difuza lumina. Acest lucru, desigur, face ca acesta să fie un subiect destul de complicat pentru observație. Cu toate acestea, aproximativ 85% din toată materia din univers este materia întunecată.
Până în prezent, oamenii de știință nu au nici o dovadă practică că materia întunecată există, dar există teoretic. Iată cele trei principale.
Curbele de rotație galactică
Când un obiect se rotește în jurul altui obiect,un obiect pe orbită trebuie să fie accelerat în mod constant la centrul (sau, mai precis, ambele accelerează până la centrul de masă combinat). Fără această accelerație, corpul orbital va pleca pur și simplu departe.
Cu cât corpul orbital se mișcă mai repede,mai multă accelerare este necesară pentru a se menține în orbită. Întrucât în acest caz accelerația se datorează gravitației, aceasta înseamnă că masa centrală trebuie să fie mai mare.
Aceste cunoștințe permit oamenilor de știință să "cântărească" diferitepărți ale galaxiei, precum și măsurarea vitezelor de rotație, comparând schimbările roșii pe laturile apropiate și retrase ale galaxiei. Când se cântăresc, astronomii văd o discrepanță între masa tuturor obiectelor din galaxie și masa totală.
redshift— deplasarea liniilor spectrale ale elementelor chimicespre partea roșie (lungime de undă lungă). Acest fenomen poate fi o expresie a împrăștierii difuze slabe, efectul Doppler sau deplasarea gravitațională spre roșu sau o combinație a acestora. Schimbarea liniilor spectrale în spectrele corpurilor cerești a fost descrisă pentru prima dată de fizicianul francez Hippolyte Fizeau în 1848 și a propus efectul Doppler cauzat de viteza radială a stelei pentru a explica deplasarea.
Gravity lensing
Conform teoriei generale a relativității, oricetimpul în care trece prin câmpul gravitațional este ușor distorsionat. Acționează ca o lentilă gravitațională și poate produce, de exemplu, "inele Einstein", așa cum se arată în imaginea de mai jos.
Teoria generală a lui Einstein despre relativitatecă gravitatea unor astfel de obiecte spațioase, ca și galaxiile, îndoaie spațiul din jurul lui și deturnează razele de lumină. Când se întâmplă acest lucru, o imagine distorsionată a unei alte galaxii - sursa luminii.
"Inelul Einstein" din imaginea de mai sus esteo imagine distorsionată a unei galaxii (care este evidențiată în albastru), situată în spatele celeilalte (roșu) galaxii din centru. Lumina din albastru se propagă în toate direcțiile, dar este îndoită de gravitatea unei galaxii roșii. Aceasta înseamnă că lumina, care, de exemplu, a fost direcționată inițial direct către Pământ, nu va ajunge niciodată pe planeta noastră - spre deosebire de lumină, care avea o direcție diferită, dar a fost distorsionată de o lentilă și continuă ca de toate direcțiile. Acest proces explică aspectul inelului.
În lentilele gravitaționale slabe, statisticeanaliza distorsiunilor luminii pe care o primim ne permite să „observăm” câmpul gravitațional dintre Pământ și galaxiile îndepărtate. Există adesea mai multă masă – și, prin urmare, mai multă materie – în acest domeniu decât pot explica oamenii de știință.
Un exemplu de lentilă gravitațională, care din punctul de vedere al teoriei existente dovedește prezența materiei întunecate, este o fotografie a clusterului de galaxii Bullet, situat în constelația Carina.
Imaginea arată consecințele ciocnirii a două galaxii. Roșul din imagine arată zone de materie vizibilă, albastrul arată materie întunecată, a cărei prezență este determinată de lentila gravitațională.
Această distincție se datorează faptului căMajoritatea materialelor luminoase dintr-un grup de galaxii se află într-un mediu intracluster - într-o plasmă fierbinte și densă. Atunci când părți din plasmă se ciocnesc una cu cealaltă, o cantitate semnificativă de substanță încetinește și rămâne în centru. Dar materia întunecată interacționează slab cu materia, astfel încât componentele sale de două grupuri pot trece liber prin reciproc - aceasta duce la cea prezentată în partajare a fotografiilor.
Relieful radicular
În primele câteva sute de mii de ani dupăLa Big Bang, universul era suficient de fierbinte pentru a deveni puternic ionizat. Acest lucru a făcut-o temporar aproape opac la lumină - fotonii s-au rotit ca orice altă particulă. Cu toate acestea, când lucrurile s-au răcit suficient, cantități semnificative de protoni și electroni s-au combinat pentru a forma hidrogen neutru, care a devenit suficient de transparent pentru cea mai mare parte a luminii din jurul lui. Acest proces s-a întâmplat destul de repede (din punct de vedere al timpului cosmologic) - ca urmare, toată lumina conținută în Univers, relativ vorbind, a fost eliberată brusc, făcând un instantaneu în acea etapă a evoluției sale. Acesta este un mod simplificat de a descrie radiația cosmică de fond cu microunde.
Pentru a detecta această lumină, oamenii de știință potîndreptați radiotelescoapele în orice direcție și, în funcție de zona de observare, temperatura se va schimba ușor. Diferența de temperatură se explică prin prezența sau absența materiei întunecate în această regiune.
Ce este neobișnuit găsit în prima galaxie?
DF2 este o galaxie care face parte dintr-un grup marecondusă de imensa galaxie eliptică NGC 1052. Galaxia a atras atenția oamenilor de știință deoarece arăta diferit în fotografiile realizate de Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). În prima, galaxia a apărut ca o pată de lumină slabă, în timp ce în a doua, era un grup de obiecte punctiforme.
Pe baza acestor observații, oamenii de știință conduși dePeter van Dokkum a identificat zece clustere globulare (grupuri mari de stele vechi) în interiorul galaxiei și a constatat că se mișcă de trei ori mai lent decât dacă ar exista multă materie întunecată. Faptul este că dacă masa galaxiei ar fi mai mare decât masa obiectelor vizibile, clusterele s-ar roti mai repede.
Comunitatea științifică a evaluat critic publicația— greșeala cercetătorilor a fost că au observat doar zece grupuri și doar două nopți. Scepticii credeau că oamenii de știință ar putea să fi trecut cu vederea detalii cheie despre mișcarea clusterelor de stele, ceea ce a dus la denaturarea estimărilor lor privind masa galaxiei și materia vizibilă.
Și în al doilea?
Singura modalitate de a dovedi corectitudinea lorObservarea a fost căutarea unei a doua galaxii, care să conțină cantitatea minimă de materie întunecată - și în martie 2019 o astfel de galaxie a fost descoperită.
Cercetătorii au publicat două articole științifice - înEi au fost primii care au măsurat din nou masa lui DF2 folosind camera avansată Hubble și telescopul de 10 metri de la Observatorul Keck din Hawaii. De această dată, astronomii au observat nu numai viteza de mișcare a clusterelor, ci și viteza de rotație a stelelor din interiorul lor. Drept urmare, oamenii de știință au stabilit că DF2 este o galaxie transparentă ultra-difuză, a cărei dimensiune este aproximativ aceeași cu Calea Lactee. Numai că erau de aproximativ 200 de ori mai puține stele în el.
Al doilea articol a fost dedicat descoperirii unor astfel de lucruriGalaxiile DF2 - DF4, care se află în același grup de lângă galaxia NGC 1052. Cercetătorii consideră că, în primul rând, galaxiile cu o cantitate minimă de materie întunecată nu sunt neobișnuite și, în al doilea rând, că o galaxie mare ar putea "fura" materie de la vecinii lor mai mici.
Cum poate lipsa materiei întunecate să fie dovada existenței sale?
Pentru a înțelege afirmația că absența unui întunericmateria din două galaxii confirmă prezența sa în univers în conformitate cu teoria generală a relativității, merită luată în considerare critica ideii prezenței materiei întunecate.
Unii oameni de știință nu sunt de acord cu acest lucru în universexistă materie întunecată, iar dovezile teoretice ale prezenței sale sunt atribuite așa-numitei dinamici newtoniene (MOND). Această teorie alternativă spune că gravitatea pe o scară cosmică nu funcționează așa cum a prezis Isaac Newton sau Albert Einstein. Aceasta înseamnă că teoria generală a relativității, pe care se construiesc teorii despre existența materiei întunecate, nu funcționează în cazul galaxiilor.
De exemplu, fizicianul teoretician Erik Verlinde de laUniversitatea din Amsterdam a publicat o lucrare științifică în 2016 care a examinat gravitația ca produs secundar al interacțiunilor cuantice și a sugerat că gravitația suplimentară atribuită materiei întunecate este un efect al energiei întunecate - energia de fundal țesătă în țesătura spațiu-timp al Universului.
Cu alte cuvinte, Verlinde crede că materia întunecată nu este materie, ci doar o interacțiune între materia obișnuită și energia întunecată.
Descoperirea unor oameni de știință de la Universitatea Yaledemonstrează că materia întunecată poate fi separată de materia obișnuită, cu condiția ca ambele galaxii detectate să se comporte în conformitate cu teoria standard a gravitației. Adică procesele care apar în ele pot fi explicate folosind ecuațiile descoperite de Newton și Kepler.
Care sunt întrebările
Descoperire de către astronomi, dacă are succesconfirmat în mod concludent prin observații viitoare, provoacă teoria existentă despre formarea galaxiilor. În special, vorbim despre presupunerea că NGC 1052 mai mare ar putea „fura” materia întunecată din DF2 și DF4. Dacă acest lucru este cu adevărat posibil, cu condiția păstrării ordinii care se observă în ambele galaxii observate, atunci astronomii vor trebui să reconsidere complet mecanismul formării și existenței lor.
"Sperăm să aflăm cât de comune suntaceste galaxii și dacă există în alte zone ale universului. Vrem să găsim mai multe dovezi care ne vor ajuta să înțelegem cum sunt proprietățile lor consecvente sau nu în concordanță cu teoriile noastre actuale. Sperăm că acest lucru ne va permite să facem un nou pas în înțelegerea uneia dintre cele mai mari mistere din universul nostru - natura materiei întunecate ", a spus Dokkum într-o conversație cu Astronomia.