Čo je tmavá hmota?
Temná hmota v astronómii a kozmológii, ako aj v teoretickej fyzike, je forma
Teoreticky je predstavený koncept tmavej hmotyvysvetlenie problému skrytej hmoty v účinkoch anomálne vysokej rýchlosti rotácie vonkajších oblastí galaxií a gravitačných šošoviek (zahŕňajú hmotu, ktorej hmotnosť je oveľa väčšia ako hmotnosť bežnej viditeľnej hmoty); okrem iného je to najuspokojivejšie.
Zloženie a podstata tmavej hmoty v skutočnostiokamih neznámy. V rámci všeobecne akceptovaného kozmologického modelu sa za najpravdepodobnejší považuje model studenej temnej hmoty. Najpravdepodobnejšími kandidátmi na úlohu častíc sú slabíci. Napriek aktívnemu vyhľadávaniu sa ich zatiaľ nepodarilo nájsť experimentálne.
Termín "temná hmota" mohol byť prvýkrát použitý v súvislosti s odhadom hmotnosti hviezd v galaxii na základe rozloženia ich rýchlosti.Nakoniec sa termín začal používať v zmysle nepozorovateľnej hmoty, ktorej existenciu možno posudzovať len podľa jej gravitačného vplyvu.
Trojrozmerná mapa distribúcie tmavej hmoty, zostavená metódou slabej gravitačnej šošovky v rámci projektu COSMOS.
Alternatívne teórie existencie temnej hmoty
- Alternatívne teórie gravitácie
Pri pokuse o vysvetlenie pozorovaných javov, ďalejNa základe ktorých sa ako celok urobil záver o nevyhnutnosti existencie temnej hmoty, bez zapojenia tohto konceptu sa najskôr vyslovili úvahy o platnosti všeobecne prijatých zákonov gravitačnej interakcie na veľké vzdialenosti.
Najznámejšia je modifikovaná newtonovská dynamika (MOND), teória navrhnutá na začiatku 1980. rokov izraelským astrofyzikom Mordechaiom Milgromom, ktorá je modifikáciou gravitačného zákona, ktorý dáva silnejšiu silu v niektorých oblastiach vesmíru, aby vysvetlil pozorovanú formu rotačných kriviek galaxií.
V roku 2004 teoretický fyzik Jaakov Bekenstein, tiež z Izraela, vyvinul relativistické zovšeobecnenie tejto hypotézy, teóriu gravitácie tenzor-vektor-skalár, ktorá tiež vysvetľuje pozorované účinky gravitačných šošoviek.
Okrem toho v roku 2007 kanadský fyzik John Moffat navrhol svoju teóriu modifikovanej gravitácie, tiež nazývanú skalárno-tenzor-vektorová teória gravitácie.
Zástancovia modifikovaných gravitačných teórií sa domnievajú, že súčasný nedostatok pozitívnych výsledkov experimentov s priamou detekciou častíc temnej hmoty je argumentom v ich prospech.
V súčasnosti však väčšina vedcov MOND neuznáva, ako naznačujú výpočty na ňom založenéProblém s alternatívnymi teóriami gravitácie je, že ak áno, tak ánoOdôvodnenie určitých účinkov, ktoré sú dôsledkami existencie temnej hmoty, sa stále neberie do úvahyVšetky dohromady.
Pozorované správanie nevysvetľujúkolidujúce zhluky galaxií a sú nezlučiteľné s kozmologickými argumentmi pre prítomnosť veľkého množstva nebaryonickej neviditeľnej hmoty v ranom vesmíre.
Zhluk galaxií Abell 2218
- Plazmová kozmológia
Táto teória bola vyvinutá v 60. rokochšvédsky fyzik Hannes Alfven (laureát Nobelovej ceny za magnetodynamiku za rok 1970) - pritom využil skúsenosti zo svojich štúdií plazmy blízko Zeme (aurora borealis) a ranej práce Christiana Birkelanda.
Základom teórie je predpoklad, že elektrické sily sú vážnejšie vo väčších vzdialenostiach (rozsah galaxií a kopy galaxií) ako gravitácia.Ak predpokladáme, že plazma vypĺňa celý vesmír a má dobrú vodivosť, potom by mohla viesť obrovské elektrické prúdy (asi 1017 - 1019 ampérov) na stupniciach desiatok megaparsekov.
Takéto prúdy vytvárajú silné galaktické magnetické pole, ktoré sa zase vytváraštruktúra oboch galaxií a ich klastrov (galaktické vlákna alebo vlákna).
Prítomnosť takého silného poľa ľahko vysvetľuje vznik galaktických ramien (zatiaľ neexistuje konsenzus o príčine vzniku galaktických ramien), rozloženie rýchlosti rotácie galaktických diskov zRadius, eliminuje potrebu zaviesť halo temnej hmoty.
V súčasnosti však moderná astrofyzika nepozoruje také silné prúdy na stupnici desiatok megaparsekov, ani vysoké intergalaktické a intragalaktické magnetické polia.
Predpoklady Alfvéna a Anthonyho Perratha o plazmovej kozmológii o vláknovo-bunkovej štruktúre a homogenite vesmíru vo veľkých mierkach (tzv. Veľkoplošná štruktúra vesmíru) boli nečakane potvrdené pozorovaniami na prelome rokov 1980 a 1990, ale tieto pozorovania sú tiež vysvetlené v rámci všeobecne akceptovaného kozmologického modelu.
Ak chcete vysvetliť vláknitú štruktúru vesmíru, teória tvorby vlákien v dôsledkugravitačná nestabilita (spočiatku sa takmer rovnomerné rozloženie hmoty sústreďuje na žieraviny a vedie kk tvorbe vlákien), na rastúcich štruktúrach temnej hmoty, pozdĺž ktorých sa vytvára štruktúra viditeľnej hmoty (pôvod takejto štruktúry temnej hmoty sa vysvetľuje kvantovými fluktuáciami v procese inflácie).
V súčasnosti je plazmová kozmológia asteória je nepopulárna, pretože popiera vývoj vesmíru na ceste Veľkého tresku. Na druhej strane, ak opustíme teóriu Veľkého tresku a považujeme vek vesmíru za oveľa väčší ako 13,5 miliárd rokov, potom skrytú hmotu možno do veľkej miery vysvetliť takými objektmi MACHO, ako sú čierni trpaslíci, ktorí sa vyvíjajú z bielych trpaslíkov, ktorí majú ochladený na desiatky miliárd rokov ...
- Hmota z iných dimenzií (paralelné vesmíry)
V niektorých teóriách s extra dimenziami je gravitácia akceptovaná ako jedinečný typ interakcie, ktorá môžepôsobiť na náš priestor z extra dimenzií.
Tento predpoklad pomáha vysvetliťrelatívna slabosť gravitačnej interakcie v porovnaní s ostatnými tromi základnými interakciami (elektromagnetickými, silnými a slabými): gravitácia je slabšia, pretože môže interagovať s masívnou hmotou v ďalších dimenziách, preniknúť cez bariéru neprístupnú pre iné interakcie.
Z toho vyplýva, že účinok temnej hmoty možno logicky vysvetliť interakciou viditeľnej hmoty z našich bežných dimenzií s masívnou hmotou z iných (extra, neviditeľných) dimenzií prostredníctvom gravitácie.Zároveň iné typy interakcií, tieto dimenzie a táto hmota v nich nemôžuNemôžu to cítiť, nemôžu s tým interagovať.
Hmota v iných dimenziách (v skutočnosti v paralelnom vesmíre) sa môže sformovať do štruktúr (galaxií, zhlukov galaxií, vlákien) podobným spôsobom ako naše dimenzie, alebo môže vytvoriť svoje vlastné, exotické štruktúry, ktoré sú v našich dimenziách pociťované ako gravitačné halo okolo viditeľných galaxií.
Výsledky numerického modelovania vývoja štruktúry vesmíru
- Chyby topologického priestoru
Tmavá hmota môže byť iba prvotná(vznikajúce v čase Veľkého tresku) defekty v priestore a / alebo topológia kvantových polí, ktoré môžu obsahovať energiu, čo spôsobuje gravitačné sily.
Tento predpoklad môže byť preskúmaný a testovaný orbitálnou sieťou vesmírnych sond (okolo Zeme alebo v rámci slnečnej sústavy) vybavených presnými, nepretržite synchronizovanými (pomocou GPS) atómovými hodinami, ktoré budú zaznamenávaťprechod takejto topologickej chyby danou sieťou.
Efekt sa javí ako nevysvetlený (bežnýrelativistické dôvody) nesúlad priebehu týchto hodín, ktorý má jasný začiatok a časom koniec (v závislosti od smeru pohybu a veľkosti takejto topologickej chyby).
Galaxia bez temnej hmoty
Vedci nachádzajú galaxie bez temnej hmoty, ale je nemožné vysvetliť, ako vznikli.
- NGC1052-DF2
V galaxii NGC1052-DF2 je najmenej 400-krát menej tmavej hmoty, ako by malo byť.
Výsledky meraní vykonaných pomocou10-metrový ďalekohľad Keck Observatory a Hubbleovho vesmírneho teleskopu (sú to najlepšie dnes dostupné astronomické prístroje) tiež pripúšťajú, že v NGC1052-DF2 nie je vôbec žiadna temná hmota.
Táto galaxia, viditeľná iba cez veľké teleskopy,má celkovú svietivosť na úrovni 100 miliónov hviezd ako Slnko a jej hmotnosť je približne 200 miliónov krát väčšia ako hmotnosť Slnka - podľa týchto parametrov NGC1052-DF2 príliš nevyčnieva zo všeobecného radu.
A tu je to, čo sa nachádza v jej desiatichrelatívne jasné objekty, a vďaka tomu sa na mnohých obrázkoch ukazuje, že galaxia je namiesto rozmazaného mraku súborom jasných bodov, čo je už oveľa zaujímavejšia skutočnosť; bol to on, kto prinútil astronómov nasadiť ďalekohľady s presne stanoveným harmonogramom smerom k NGC1052-DF2.
Podľa výskumníkov tieto svetlé bodysú guľové hviezdokopy, ale ich počet a rozloženie jasov sú také nezvyčajné, že astronómovia dokonca odmietli v tejto publikácii podrobne hovoriť o týchto objektoch a sľúbili, že sa k tomu vrátia podrobnejšie v inej publikácii, ktorá je stále v procese prípravy.
Ak porovnáme NGC1052-DF2 s inýmigalaxie rovnakej hmotnosti, potom by neviditeľné halo tmavej hmoty malo byť štyristokrát ťažšie ako to, čo zistili astronómovia, čo je mimoriadne nezvyčajný výsledok.
- NGC 1052-DF4
Vedci opisujú výsledky ďalšíchpozorovania, ktoré umožnili spoľahlivejšie odhady rozptylu rýchlosti na základe pohybov hviezd. Výsledkom bolo, že astronómovia dostali hodnotu 8,5 kilometra za sekundu s výrazne menšími chybami (asi 30 %).
Z týchto údajov vyplýva, že celková hmotnosťgalaxia sa približne rovná hmotnosti svetelnej látky, čo v tomto prípade vylučuje potrebu zavádzania tmavej hmoty. Vedci tiež objavili v okolí podobnú galaxiu NGC 1052-DF4, ktorá tiež mala extrémne nízku disperziu hviezdnych rýchlostí - asi 4,2 kilometra za sekundu, chyby sú však v tomto prípade asi 80%.
Podľa autorov sú získané údaje vysokékvality poskytujú presvedčivé dôkazy o existencii nielen jednej výnimočnej galaxie bez temnej hmoty, ale aj novej triedy podobných objektov.
Pripomínajú tiež, že tieto výsledky nie sú uvedené vv žiadnom prípade nevyvracajú hypotézu temnej hmoty, ale naopak potvrdzujú jej nevyhnutnosť: ak by ňou opísané účinky skutočne generovala obyčajná hmota, potom by takáto situácia nemohla nastať, a keďže sa nachádza objekt bez temnej hmoty , potom sa hovorí presne o existencii dvoch samostatných druhov látok, ktoré priamo nesúvisia.
Ako môžu galaxie existovať bez temnej hmoty?
Galaxie, ktoré, súdiac podľa pozorovaní,neobsahujú prakticky žiadnu tmavú hmotu – látku, ktorá slabo interaguje s okolitou hmotou, o ktorej sa predpokladá, že je zodpovedná za 26,8 % hmotnosti vesmíru – komplikujú astronómom pochopenie podstaty tejto hmoty.
Takéto objekty objavené v dôsledku nedávnejpozorovania spochybňujú kozmologický model Lambda-CDM prijatý astrofyzikmi, podľa ktorého by všetky galaxie mali byť obklopené mohutnou halo temnej hmoty.
Objekty bez tmavej hmoty nie sú veľmidobre preštudované astronómami. Jedným zo spôsobov, ako študovať možné mechanizmy ich formovania, je pozorovať niekoľko z nich v rôznych štádiách vývoja. Spracovanie informácií o galaxiách pomocou počítačového modelu umožňuje sledovať ich vývoj.
Aby sme pochopili ich štruktúruobjekty, vedci modelovali ich vývoj pomocou modelu Illustris, ktorý zohľadňuje životné cykly hviezd, vplyv supernov a čiernych dier a fúzie galaxií. Vedci našli v systéme vytvorenom modelom niekoľko „trpasličích galaxií“ s rovnakým počtom hviezd, počtom guľových hviezdokôp a hmotou temnej hmoty.
Ako už názov napovedá, trpasličí galaxiaje malá a pozostáva z niekoľkých miliárd hviezd. Naproti tomu Mliečna dráha, ktorú obieha viac ako 20 známych trpasličích galaxií, má 200 až 400 miliárd hviezd.
Na hodnotenie sa často používajú guľové hviezdokopyobsah tmavej hmoty v galaxiách, najmä v malých. Astrofyzici zistili, že trpasličie galaxie stratili 90% svojej temnej hmoty v dôsledku „pretlačenia“ materiálu, z ktorého sa skladá, vlastnými gravitačnými silami.
Čo je spodnom riadku?
Objavenie čiernych dier bez temnej hmoty nie je možnéznamená, že neexistuje. Naopak, galaxia bez typického rozloženia hviezd podľa rýchlosti podkopáva pozície teórií, ktoré sa snažia pripísať výsledky pozorovania nejakému univerzálnemu efektu nesúvisiacemu s temnou hmotou.
Je v modifikovanej newtonovskej dynamikehviezdy by sa mali vždy otáčať okolo stredu galaxií približne rovnakou rýchlosťou a NGC1052-DF2 hrá proti tomuto modelu, ktorý už stratil podporu mnohých odborníkov.
Pripustiť existenciu galaxie bez tmyhmoty, moderná astrofyzika môže dobre, zatiaľ čo predstava, že zákon univerzálnej gravitácie funguje selektívne v rôznych častiach vesmíru, sa javí prinajmenšom pochybná.
Čítaj viac
Najväčší ľadovec na svete sa zrútil, fragmenty sa rútili na sever. Je to nebezpečné?
Na Saturnovom mesiaci Rhea sa našli stopy raketového paliva. Odkiaľ to pochádza?
Potraty a veda: čo sa stane s deťmi, ktoré budú rodiť