Astronómovia sú stále v ranom štádiu, pokiaľ ide o otázky týkajúce sa povahy a vlastností tmavej hmoty.
Teória o existencii tejto látky bolapredložili pred viac ako 40 rokmi ako vysvetlenie nesúladu medzi hmotnosťou všetkých viditeľných objektov v galaxii a hmotnosťou samotnej galaxie. Astronómka Vera Rubin, ktorá ako prvá objavila tento nesúlad, zistila, že táto neviditeľná látka je extrémne bežná a tvorí väčšinu vesmíru. Dnes túto látku poznáme ako temnú hmotu.
Vera Rubinová. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Hoci astronómovia majú najmenej tridôkaz, že existuje temná hmota, žiadny z pokusov odhaliť priamy dôkaz jej existencie a určiť jej vlastnosti nebol úspešný.
Práca vedcov z Yale University v. \ Tvedci Peter van Dokkum, publikovaný v časopise Nature v marci 2018, vedci viac ako kedykoľvek predtým priblížili vedcov k hľadaniu ďalšieho dôkazu o existencii tejto látky.
Čo vedia astronómovia o temnej hmote?
Temná hmota je látka, ktorá nie jekomunikuje s inými záležitosťami prostredníctvom elektromagnetických (EM) alebo silných jadrových síl. Absencia elektromagnetických interakcií znamená, že nemôže emitovať, absorbovať, odrážať, lámať alebo rozptyľovať svetlo. To, samozrejme, z neho robí dosť komplikovaný predmet pozorovania. Avšak asi 85% všetkej hmoty vo vesmíre je temná hmota.
Vedci zatiaľ nemajú praktické dôkazy o tom, že temná hmota skutočne existuje, ale existuje teoretická. Tu sú tri hlavné.
Galaktické krivky rotácie
Keď sa jeden objekt otáča okolo druhého,objekt na obežnej dráhe musí byť neustále zrýchľovaný na stred (alebo presnejšie, obidva urýchľujú na svoje kombinované ťažisko). Bez tohto zrýchlenia orbitálne telo jednoducho odletí.
Čím rýchlejšie sa orbitálne telo pohybuje,na udržanie dráhy na obežnej dráhe je potrebná väčšia akcelerácia. Pretože v tomto prípade je zrýchlenie spôsobené gravitáciou, znamená to, že centrálna hmota musí byť väčšia.
Táto znalosť umožňuje vedcom „vážiť“ rôznečasti galaxie, ako aj merať rotačné rýchlosti, porovnávajúce červené posuny na blížiacich sa a ustupujúcich stranách galaxie. Pri vážení astronómovia vidia rozpor medzi hmotnosťou všetkých objektov v galaxii a jej celkovou hmotnosťou.
RedShift— posun spektrálnych čiar chemických prvkovna červenú (dlhú vlnovú dĺžku) stranu. Tento jav môže byť vyjadrením slabého difúzneho rozptylu, Dopplerovho javu alebo gravitačného červeného posunu alebo ich kombinácie. Posun spektrálnych čiar v spektrách nebeských telies prvýkrát opísal francúzsky fyzik Hippolyte Fizeau v roku 1848 a na vysvetlenie posunu navrhol Dopplerov jav spôsobený radiálnou rýchlosťou hviezdy.
Gravitačné šošovky
Podľa všeobecnej teórie relativityčas, ktorý prechádza cez gravitačné pole, je mierne skreslený. Pôsobí ako gravitačná šošovka a môže produkovať napríklad „Einsteinove krúžky“, ako na obrázku nižšie.
Einsteinova všeobecná teória relativityže gravitácia takých veľkých vesmírnych objektov, ako sú galaxie ohýbajú priestor okolo seba a odráža svetelné lúče. Keď k tomu dôjde, skreslený obraz inej galaxie - zdroja svetla.
„Einstein Ring“ na obrázku horeskreslený obraz jednej galaxie (je zvýraznený modrou farbou), umiestnený za druhou (červenou) galaxiou v strede. Svetlo z modrej šíri sa vo všetkých smeroch, ale je ohnuté gravitáciou červenej galaxie. To znamená, že svetlo, ktoré bolo napríklad pôvodne nasmerované priamo na Zem, nikdy nedosiahne našu planétu - na rozdiel od svetla, ktoré malo iný smer, ale bolo skreslené šošovkou a postupovalo ako keby zo všetkých smerov naraz. Tento proces vysvetľuje vzhľad kruhu.
V slabých gravitačných šošovkách štatistickéAnalýza deformácií svetla, ktoré dostávame, nám umožňuje „všimnúť si“ gravitačné pole medzi Zemou a vzdialenými galaxiami. V tejto oblasti je často viac hmoty – a teda viac hmoty –, než dokážu vedci vysvetliť.
Príkladom gravitačnej šošovky, ktorá z pohľadu doterajšej teórie dokazuje prítomnosť tmavej hmoty, je fotografia kopy galaxií Bullet, ktorá sa nachádza v súhvezdí Carina.
Obrázok ukazuje následky zrážky dvoch galaxií. Červená na obrázku ukazuje oblasti viditeľnej hmoty, modrá zobrazuje tmavú hmotu, ktorej prítomnosť je určená gravitačnou šošovkou.
Toto rozlíšenie je spôsobené tým, žeVäčšina svetelných látok v klastri galaxií je v intraklusterovom médiu - v horúcej, hustej plazme. Keď sa časti plazmy navzájom zrážajú, významné množstvo látky sa spomaľuje a zostáva v strede. Temná hmota však slabo spolupôsobí s hmotou, takže jej zložky z dvoch klastrov môžu voľne prechádzať navzájom - to vedie k oddeleniu zobrazenému na fotografii.
Relikálne žiarenie
Počas prvých niekoľko stotisíc rokov potomPri Veľkom tresku bol vesmír dostatočne horúci na to, aby sa stal vysoko ionizovaným. To ho dočasne urobilo takmer nepriehľadným pre svetlo – fotóny sa otáčali ako každá iná častica. Keď sa však veci dostatočne ochladili, značné množstvo protónov a elektrónov sa spojilo a vytvorili neutrálny vodík, ktorý sa stal dostatočne transparentným pre väčšinu svetla, ktoré ho obklopuje. Tento proces prebehol pomerne rýchlo (z hľadiska kozmologického času) – v dôsledku toho sa všetko svetlo obsiahnuté vo vesmíre, relatívne povedané, náhle uvoľnilo, čím sa vytvorila snímka v tomto štádiu jeho vývoja. Toto je zjednodušený spôsob popisu kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia.
Vedci môžu odhaliť toto svetlobodové rádioteleskopy v ľubovoľnom smere a v závislosti od oblasti pozorovania sa teplota mierne zmení. Rozdiel teplôt sa vysvetľuje prítomnosťou alebo neprítomnosťou tmavej hmoty v tejto oblasti.
Čo je nezvyčajné v prvej galaxii?
DF2 je galaxia, ktorá je súčasťou veľkej skupinyvedená masívnou eliptickou galaxiou NGC 1052. Galaxia upútala pozornosť vedcov, pretože na fotografiách, ktoré urobila spoločnosť Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS), vyzerala inak. V prvom sa galaxia javila ako škvrna slabého svetla, zatiaľ čo v druhom to bola skupina bodových objektov.
Na základe týchto pozorovaní vedci viedli oPeter van Dokkum identifikoval desať guľových hviezdokôp (veľké skupiny starých hviezd) vo vnútri galaxie a zistil, že sa pohybujú trikrát pomalšie, ako keby tam bolo veľa tmavej hmoty. Faktom je, že ak by bola hmotnosť galaxie väčšia ako hmotnosť viditeľných objektov, zhluky by rotovali rýchlejšie.
Vedecká obec zhodnotila publikáciu kriticky— chybou vedcov bolo, že pozorovali iba desať zhlukov a iba dve noci. Skeptici sa domnievali, že vedci mohli prehliadnuť kľúčové detaily o pohybe hviezdokop, čo malo za následok skreslenie ich odhadov hmotnosti a viditeľnej hmoty galaxie.
A v druhom?
Jediný spôsob, ako dokázať správnosť ichPozorovanie bolo hľadanie druhej galaxie, ktorá by obsahovala minimálne množstvo temnej hmoty - av marci 2019 bola objavená taká galaxia.
Vedci publikovali dva vedecké články – v rBoli prví, ktorí premerali hmotnosť DF2 pomocou pokročilej kamery Hubbleovho teleskopu a 10-metrového ďalekohľadu na observatóriu Keck na Havaji. Tentoraz astronómovia pozorovali nielen rýchlosť pohybu hviezdokôp, ale aj rýchlosť rotácie hviezd v ich vnútri. V dôsledku toho vedci zistili, že DF2 je priehľadná ultra-difúzna galaxia, ktorej veľkosť je približne rovnaká ako veľkosť Mliečnej dráhy. Len hviezd v nej bolo asi 200-krát menej.
Druhý článok bol venovaný objaveniu týchtoDF2 galaxie - DF4, ktorý sa nachádza v rovnakom klastri vedľa galaxie NGC 1052. Výskumníci sa domnievajú, že po prvé, galaxie s minimálnym množstvom tmavej hmoty nie sú nezvyčajné a po druhé, že veľká galaxia by mohla „ukradnúť“ tmavé pozadie. záležitosti od svojich menších susedov.
Ako môže byť absencia temnej hmoty dôkazom jej existencie?
Pochopiť vyhlásenie, že absencia tmyhmota v dvoch galaxiách potvrdzuje svoju prítomnosť vo vesmíre v súlade so Všeobecnou teóriou relativity, stojí za to zvážiť kritiku myšlienky prítomnosti temnej hmoty.
Niektorí vedci s tým nesúhlasia vo vesmíreje tu temná hmota a teoretické dôkazy o jej prítomnosti sa pripisujú tzv. modifikovanej Newtonovskej dynamike (MOND). Táto alternatívna teória hovorí, že gravitácia v kozmickom meradle nefunguje tak, ako predpovedal Isaac Newton alebo Albert Einstein. To znamená, že Všeobecná teória relativity, na ktorej sú postavené teórie o existencii temnej hmoty, nefunguje v prípade galaxií.
Napríklad teoretický fyzik Erik Verlinde zUniverzita v Amsterdame publikovala v roku 2016 vedeckú prácu, ktorá skúmala gravitáciu ako vedľajší produkt kvantových interakcií a navrhla, že dodatočná gravitácia pripisovaná temnej hmote je efektom tmavej energie – energie pozadia votkanej do štruktúry časopriestoru vesmíru.
Inými slovami, Verlinde verí, že temná hmota nie je hmota, ale iba interakcia medzi obyčajnou hmotou a temnou energiou.
Objav vedcov z Yale Universitydemonštruje, že tmavá hmota môže byť oddelená od obyčajnej hmoty za predpokladu, že obe detegované galaxie sa správajú v súlade so štandardnou gravitačnou teóriou. To znamená, že procesy, ktoré sa v nich vyskytujú, možno vysvetliť pomocou rovníc objavených Newtonom a Keplerom.
Aké sú otázky
Objav astronómov, ak bude úspešnýpresvedčivo potvrdené budúcimi pozorovaniami, spochybňuje existujúcu teóriu o formovaní galaxií. Hovoríme najmä o predpoklade, že väčšia NGC 1052 by mohla „ukradnúť“ temnú hmotu z DF2 a DF4. Ak je to skutočne možné, za predpokladu, že sa zachová poradie, ktoré je pozorované v oboch pozorovaných galaxiách, potom budú musieť astronómovia úplne prehodnotiť mechanizmus ich vzniku a existencie.
"Dúfame, že zistíme, aké spoločnétieto galaxie a či existujú v iných oblastiach vesmíru. Chceme nájsť viac dôkazov, ktoré nám pomôžu pochopiť, ako sú ich vlastnosti konzistentné alebo nie sú v súlade s našimi súčasnými teóriami. Dúfame, že nám to umožní urobiť ďalší krok v chápaní jednej z najväčších záhad v našom vesmíre - povahy temnej hmoty, “povedal Dokkum v rozhovore s Astronómiou.