Vad är mörk materia?
Mörk materia i astronomi och kosmologi, såväl som i teoretisk fysik - form
Begreppet mörk materia introduceras för det teoretiskaförklaringar av det dolda massproblemet i effekterna av anomalt hög rotationshastighet för de yttre områdena av galaxer och gravitationslinser (de involverar materia vars massa är mycket större än massan av vanlig synlig materia); bland de andra är det mest tillfredsställande.
Sammansättningen och naturen hos mörk materia i verklighetenögonblick okänt. Inom ramen för den allmänt accepterade kosmologiska modellen anses modellen för kall mörk materia vara den mest troliga. De mest troliga kandidaterna för partiklarnas roll är wimps. Trots aktiva sökningar har de ännu inte hittats experimentellt.
Termen "mörk materia" i sig kan vara den förstaanvändes för att uppskatta massan av stjärnorna i galaxen baserat på fördelningen av deras hastigheter. Till slut började termen användas just i betydelsen oobserverbar materia, vars existens endast kan bedömas utifrån dess gravitationseffekt.
Tredimensionell karta över fördelningen av mörk materia, byggd med metoden för svag gravitationslinser inom ramen för COSMOS-projektet.
Alternativa teorier om mörk materiens existens
- Alternativa gravitationsteorier
När vi försöker förklara de observerade fenomenen,På grundval av vilka totalt sett en slutsats gjordes om nödvändigheten av att det finns mörk materia, utan att involvera detta koncept, övervägdes först om giltigheten av de allmänt accepterade lagarna för gravitationsinteraktion på stora avstånd.
Den mest kända är den modifieradeNewtonsk dynamik (MOND) är en teori som föreslogs i början av 1980-talet av den israeliska astrofysikern Mordechai Milgrom som är en modifiering av tyngdlagen som producerar starkare interaktioner i vissa regioner av rymden på ett sätt som förklarar den observerade formen av rotationskurvorna för galaxer. .
År 2004, teoretisk fysiker YaakovBekenstein, också från Israel, utvecklade en relativistisk generalisering av denna hypotes - tensor-vektor-skalära teorin om gravitation, som också förklarar de observerade effekterna av gravitationslinser.
Dessutom föreslog den kanadensiske fysikern John Moffat 2007 sin teori om modifierad gravitation, även kallad skalär-tensor-vektorteori om gravitation.
Förespråkare av teorier om modifierad gravitationbetrakta den nuvarande bristen på positiva resultat från experiment om direkt detektering av mörk materia partiklar som ett argument till deras fördel.
Samtidigt, för närvarande de flesta forskarekänner inte igen MOND, eftersom beräkningar baserade på den indikerar dess inkonsekvens. Problemet med alternativa gravitationsteorier är att även om de ger motivering för individuella effekter som är konsekvenser av existensen av mörk materia, så tar de ändå inte hänsyn till dem som en helhet.
De förklarar inte det observerade beteendetkolliderande galaxkluster och är oförenliga med kosmologiska argument för närvaron av stora mängder icke-baryonisk osynlig materia i det tidiga universum.
Abell 2218 Cluster of Galaxies
- Plasmakosmologi
Denna teori utvecklades på 1960-taletav en svensk fysiker vid namn Hannes Alfven (Nobelpristagaren 1970 för upptäckter inom magnetodynamik) - därigenom använde han sig av erfarenheterna från sina studier av jordnära plasma (aurora borealis) och Christian Birkelands tidiga arbete.
Grunden för teorin är antagandet attElektriska krafter är mer betydande på stora avstånd (skala av galaxer och galaxhopar) än gravitationen. Om vi antar att plasma fyller hela universum och har god ledningsförmåga, så kan det leda enorma elektriska strömmar (cirka 1017–1019 ampere) på skalor av tiotals megaparsek.
Sådana strömmar skapar ett kraftfullt galaktiskt magnetfält, som i sin tur bildar strukturen hos både galaxer och deras kluster (galaktiska trådar eller filament).
Närvaron av ett så kraftfullt fält förklarar lättbildandet av galaktiska armar (det finns ännu ingen konsensus om orsaken till bildandet av galaktiska armar), fördelningen av rotationshastigheten för galaktiska skivor från radien, eliminerar behovet av att introducera en halo av mörk materia.
Men för tillfället observerar modern astrofysik inte sådana kraftfulla strömmar på en skala av tiotals megaparsek, och inte heller höga intergalaktiska och intragalaktiska magnetfält.
Plasma kosmologi antaganden omUniversums filamentösa cellstruktur och homogenitet i stor skala (den så kallade Large-Scale Structure of the Universe), gjorda av Alfvén och Anthony Perrat, bekräftades oväntat av observationer i slutet av 1980- och 1990-talen, men dessa observationer är också förklaras inom ramen för allmänt accepterade kosmologiska modeller.
För att förklara universums filamentstruktur iFör närvarande används teorin om bildandet av filament på grund av gravitationsinstabilitet (inledningsvis är en nästan enhetlig fördelning av massa koncentrerad på kaustik och leder till bildandet av filament), på växande strukturer av mörk materia, längs vilken strukturen av synliga materia bildas (ursprunget till en sådan struktur av mörk materia förklaras av kvantfluktuationer i inflationsprocessen).
För närvarande är plasmakosmologi somteorin är impopulär, eftersom den förnekar utvecklingen av universum längs Big Bangs väg. Å andra sidan, om vi överger Big Bang-teorin och anser att universums ålder är mycket större än 13,5 miljarder år, så kan den latenta massan till stor del förklaras av sådana MACHO-objekt som svarta dvärgar, som utvecklas från vita dvärgar som har svalnat under tiotals miljarder år ...
- Materie från andra dimensioner (parallella universum)
Vissa extradimensionella teorier accepterar gravitation som en unik typ av kraft som kan verka på vårt extradimensionella utrymme.
Detta antagande hjälper till att förklaraden relativa svagheten i gravitationsinteraktionen jämfört med de tre andra grundläggande interaktionerna (elektromagnetisk, stark och svag): tyngdkraften är svagare, eftersom den kan interagera med massiv materia i extra dimensioner, tränga in i en barriär som inte är tillgänglig för andra interaktioner.
Det följer att mörk materia-effekten kanlogiskt förklaras av växelverkan mellan synlig materia från våra vanliga dimensioner och massiv materia från andra (extra, osynliga) dimensioner genom gravitationen. Samtidigt kan dessa dimensioner och denna materia i dem inte känna andra typer av interaktioner på något sätt, inte interagera med den.
Materia i andra dimensioner (faktiskt iparallella universum) kan formas till strukturer (galaxer, galaxhopar, filament) på ett sätt som liknar våra mätningar eller bilda egna, exotiska strukturer, som i våra mätningar känns som en gravitationshalo runt synliga galaxer.
Resultat av numerisk modellering av utvecklingen av universums struktur
- Topologiska rymdfel
Mörk materia kan bara vara uråldrig(som uppstår vid Big Bang-tiden) defekter i rymden och / eller topologin för kvantfält som kan innehålla energi, vilket orsakar gravitationskrafter.
Detta antagande kan utforskas ochverifieras med hjälp av ett orbitalt nätverk av rymdsonder (runt jorden eller inom solsystemet) utrustad med en exakt, kontinuerligt synkroniserad (med hjälp av GPS) atomklocka som kommer att registrera passagen av en sådan topologisk defekt genom detta nätverk.
Effekten visas som oförklarlig (vanligrelativistiska skäl) felaktighet mellan klockornas förlopp, som har en tydlig början och med tiden slutet (beroende på rörelseriktningen och storleken på en sådan topologisk defekt).
Galaxy utan mörk materia
Forskare hittar galaxer utan mörk materia, men det finns inget sätt att förklara hur de bildades.
- NGC1052-DF2
I galaxen NGC1052-DF2 finns det minst 400 gånger mindre mörk materia än vad det borde finnas.
Resultat av mätningar utförda med hjälp avKeck-observatoriets 10 meter långa teleskop och rymdteleskopet Hubble (detta är de bästa astronomiska instrumenten som finns tillgängliga idag) medger också att det inte finns någon mörk materia alls i NGC1052-DF2.
Denna galax, synlig endast genom stora teleskop,har en total ljusstyrka på nivån 100 miljoner stjärnor som solen, och dess massa är ungefär 200 miljoner gånger högre än solens massa - enligt dessa parametrar sticker NGC1052-DF2 inte ut för mycket från den allmänna serien.
Och här är vad som finns i hennes tiorelativt ljusa objekt, och på grund av detta, i ett antal bilder, visar sig galaxen vara en uppsättning ljuspunkter istället för ett suddigt moln, är redan ett mycket mer intressant faktum; det var han som tvingade astronomer att distribuera teleskop med ett tätt packat schema mot NGC1052-DF2.
Enligt forskarna är dessa ljuspunkterär klotformade stjärnhopar, men deras antal och fördelning av ljusstyrkor är så ovanliga att astronomer till och med vägrade att tala i detalj om dessa objekt i denna publikation och lovade att återkomma till detta mer i detalj i en annan publikation, fortfarande under förberedelseprocess.
Om vi jämför NGC1052-DF2 med andragalaxer med samma massa, då borde den osynliga gloria av mörk materia vara fyrahundra gånger tyngre än vad astronomer finner, ett extremt ovanligt resultat.
- NGC 1052-DF4
Forskare beskriver resultat av ytterligareobservationer som gjorde det möjligt att göra mer tillförlitliga uppskattningar av hastighetsspridning baserat på stjärnrörelser. Som ett resultat fick astronomer ett värde på 8,5 kilometer per sekund med märkbart mindre fel (cirka 30%).
Av dessa data följer att den totala massangalaxen är ungefär lika med massan av den ljusa substansen, vilket eliminerar behovet av införande av mörk materia i detta fall. Forskare upptäckte också i närheten en liknande galax NGC 1052-DF4, som också hade en extremt låg spridning av stjärnhastigheter - cirka 4,2 kilometer per sekund, men felen i detta fall är cirka 80%.
Enligt författarna är de erhållna uppgifterna högakvaliteter ger övertygande bevis för existensen av inte bara en exceptionell galax utan mörk materia, utan också en ny klass av liknande objekt.
De påminner dig också om att dessa resultat inte är ipå intet sätt motbevisa hypotesen om mörk materia, utan tvärtom bekräfta dess nödvändighet: om de effekter som beskrivs av den faktiskt genererades av vanlig materia, kunde en sådan situation inte uppstå, och eftersom ett objekt utan mörk materia finns , då talar detta exakt om det finns två separata typer av ämnen som inte är direkt relaterade.
Hur kan galaxer existera utan mörk materia?
Galaxer som, att döma av observationer,innehåller praktiskt taget ingen mörk materia - ett ämne som svagt interagerar med omgivande materia, som tros vara ansvarigt för 26,8 % av universums massa - komplicerar astronomernas förståelse av denna materias natur.
Sådana föremål upptäcktes som ett resultat av nyligenobservationer utmanar den kosmologiska modellen Lambda-CDM som antogs av astrofysiker, enligt vilken alla galaxer bör omges av en massiv gloria av mörk materia.
Mörka materia-fria föremål är inte särskilt braväl studerade av astronomer. Ett sätt att studera de möjliga mekanismerna för deras bildning är att observera flera av dem vid olika utvecklingsstadier. Att bearbeta information om galaxer med hjälp av en datormodell gör det möjligt att spåra deras utveckling.
För att förstå strukturen hos dessaföremål har forskare modellerat sin utveckling med Illustris-modellen, som tar hänsyn till stjärnornas livscykler, påverkan av supernovor och svarta hål och sammanslagningar av galaxer. Forskarna hittade i systemet som skapades av modellen flera "dvärggalaxer" med samma antal stjärnor, antalet klotformiga kluster och massan av mörk materia.
Som namnet antyder, en dvärggalaxär liten och består av flera miljarder stjärnor. Däremot har Vintergatan, som kretsar kring mer än 20 kända dvärggalaxer, mellan 200 och 400 miljarder stjärnor.
Globulära kluster används ofta för att bedömainnehåll av mörk materia i galaxer, särskilt i små. Astrofysiker har funnit att dvärggalaxer har tappat 90% av sin mörka materia till följd av att "utdriva" sitt innehållsmaterial med sina egna gravitationskrafter.
Vad är slutresultatet?
Upptäckten av svarta hål utan mörk materia är inte möjligbetyder att det inte finns. Tvärtom, en galax utan en typisk fördelning av stjärnor efter hastighet undergräver positionerna för teorier som försöker tillskriva observationsresultaten någon universell effekt som inte är relaterad till mörk materia.
Det är i modifierad newtonsk dynamikstjärnor bör alltid rotera runt galaxernas centrum med ungefär samma hastighet, och NGC1052-DF2 spelar mot denna modell, som redan har tappat stödet från många experter.
Att erkänna existensen av en galax utan mörkerav materien kan modern astrofysik mycket väl, medan tanken att lagen om universell gravitation fungerar selektivt i olika delar av universum verkar åtminstone tveksam.
Läs mer
Det största isberget i världen kollapsade, fragment rusade norrut. Är det farligt?
Spår av raketbränsle hittades på Saturnusmånen Rhea. Var kommer det ifrån?
Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda