กาแลคซีสามารถดำรงอยู่ได้โดยปราศจากสสารมืด เราบอกคุณว่าเป็นไปได้อย่างไร

สสารมืดคืออะไร?

สสารมืดในดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา ตลอดจนในรูปแบบฟิสิกส์เชิงทฤษฎี

เรื่องที่ไม่มีส่วนร่วมในแม่เหล็กไฟฟ้าปฏิสัมพันธ์จึงไม่สามารถเข้าถึงการสังเกตโดยตรงได้ มันเป็นประมาณหนึ่งในสี่ของพลังงานมวลของจักรวาลและปรากฏเฉพาะในปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

มีการนำแนวคิดของสสารมืดมาใช้ในเชิงทฤษฎีคำอธิบายของปัญหามวลที่ซ่อนอยู่ในผลของความเร็วในการหมุนรอบนอกของกาแลคซีและเลนส์ความโน้มถ่วงสูงผิดปกติ (เกี่ยวข้องกับสสารที่มีมวลมากกว่ามวลของสสารที่มองเห็นได้ทั่วไปมาก) เป็นที่น่าพอใจที่สุด

องค์ประกอบและลักษณะของสสารมืดที่มีอยู่จริงไม่ทราบช่วงเวลา ในกรอบของแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปแล้วแบบจำลองของสสารมืดที่เย็นจัดถือว่าเป็นไปได้มากที่สุด ผู้ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับบทบาทของอนุภาคคือ wimps แม้จะมีการค้นหาที่ใช้งานอยู่ แต่ก็ยังไม่พบการทดลอง

คำว่า “สสารมืด” อาจเป็นคำแรกใช้ในการประมาณมวลของดวงดาวในกาแลคซีโดยพิจารณาจากการกระจายความเร็วของพวกมัน ท้ายที่สุดแล้ว คำนี้เริ่มถูกนำมาใช้อย่างแม่นยำในความหมายของสสารที่ไม่สามารถสังเกตได้ ซึ่งการมีอยู่ของสสารสามารถตัดสินได้จากผลของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

แผนที่สามมิติของการกระจายของสสารมืดสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการเลนส์ความโน้มถ่วงที่อ่อนแอในกรอบของโครงการ COSMOS

ทฤษฎีทางเลือกของการดำรงอยู่ของสสารมืด

• ทฤษฎีทางเลือกของแรงโน้มถ่วง

เมื่อพยายามอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้บนพื้นฐานของซึ่งโดยรวมแล้วข้อสรุปเกิดขึ้นเกี่ยวกับความจำเป็นของการมีอยู่ของสสารมืดโดยไม่เกี่ยวข้องกับแนวคิดนี้การพิจารณาได้ถูกแสดงออกครั้งแรกเกี่ยวกับความถูกต้องของกฎที่ยอมรับโดยทั่วไปของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงในระยะทางไกล

ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือการดัดแปลงพลศาสตร์ของนิวตัน (MOND) เป็นทฤษฎีที่เสนอในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอิสราเอล มอร์เดชัย มิลกรอม ซึ่งเป็นการดัดแปลงกฎแรงโน้มถ่วงที่ก่อให้เกิดอันตรกิริยาที่รุนแรงขึ้นในบางพื้นที่ของอวกาศในลักษณะที่อธิบายรูปร่างที่สังเกตได้ของเส้นโค้งการหมุนของกาแลคซี .

ในปี 2004 ยาคอฟ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเบเกนสไตน์จากอิสราเอลเช่นกัน ได้พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของสมมติฐานนี้ นั่นคือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเมตริกซ์-เวกเตอร์-สเกลาร์ ซึ่งอธิบายผลที่สังเกตได้จากเลนส์โน้มถ่วงด้วย

นอกจากนี้ ในปี 2007 นักฟิสิกส์ชาวแคนาดา จอห์น มอฟแฟต ได้เสนอทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบดัดแปลงของเขา หรือที่เรียกว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบสเกลาร์-เทนเซอร์-เวกเตอร์

ผู้เสนอทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบดัดแปลงพิจารณาการขาดผลลัพธ์เชิงบวกในปัจจุบันจากการทดลองเกี่ยวกับการตรวจจับอนุภาคสสารมืดโดยตรงในฐานะข้อโต้แย้งที่สนับสนุนพวกเขา

ขณะเดียวกันปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่รู้จัก MOND เนื่องจากการคำนวณตามการระบุนั้นบ่งบอกถึงความไม่สอดคล้องกัน ปัญหาของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือกก็คือ แม้ว่าทฤษฎีเหล่านี้จะให้เหตุผลสำหรับผลกระทบส่วนบุคคลที่เป็นผลมาจากการมีอยู่ของสสารมืด แต่ก็ยังไม่ได้คำนึงถึงทฤษฎีเหล่านั้นโดยรวม

พวกเขาไม่ได้อธิบายถึงพฤติกรรมที่สังเกตได้กระจุกกาแลคซีชนกันและไม่สอดคล้องกับข้อโต้แย้งทางจักรวาลวิทยาสำหรับการปรากฏตัวของสสารที่มองไม่เห็นที่ไม่ใช่แบริออนจำนวนมากในเอกภพยุคแรก

กระจุกกาแล็กซี Abell 2218

• จักรวาลวิทยาของพลาสมา

ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาในทศวรรษที่ 1960โดยนักฟิสิกส์ชาวสวีเดนชื่อ Hannes Alfven (ผู้ได้รับรางวัลโนเบลปี 1970 จากการค้นพบในสาขาแม่เหล็ก) - ในการทำเช่นนั้นเขาใช้ประสบการณ์จากการศึกษาพลาสมาใกล้โลก (aurora borealis) และผลงานในยุคแรกของ Christian Birkeland

พื้นฐานของทฤษฎีคือการสันนิษฐานว่าแรงไฟฟ้ามีความสำคัญมากกว่าในระยะทางไกล (สเกลของกาแลคซีและกระจุกกาแลคซี) มากกว่าแรงโน้มถ่วง หากเราสมมติว่าพลาสมาเต็มจักรวาลและมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี พลาสมาก็สามารถนำกระแสไฟฟ้าจำนวนมหาศาล (ประมาณ 1,017–1,019 แอมแปร์) ได้ในระดับหลายสิบเมกะพาร์เซก

กระแสน้ำดังกล่าวสร้างสนามแม่เหล็กดาราจักรอันทรงพลัง ซึ่งจะสร้างโครงสร้างของทั้งดาราจักรและกระจุกดาราจักร (เกลียวหรือเส้นใยดาราจักร)

การมีอยู่ของสนามที่ทรงพลังเช่นนี้อธิบายได้ง่ายการก่อตัวของแขนกาแลคซี (ยังไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์เกี่ยวกับสาเหตุของการก่อตัวของแขนกาแลคซี) การกระจายความเร็วการหมุนของดิสก์กาแลคซีจากรัศมีช่วยลดความจำเป็นในการแนะนำรัศมีของสสารมืด

แต่ในขณะนี้ ดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมัยใหม่ไม่ได้สังเกตกระแสน้ำที่มีกำลังสูงขนาดนั้นในระดับหลายสิบเมกะพาร์เซก หรือสนามแม่เหล็กระหว่างดาราจักรและในดาราจักรสูง

สมมติฐานเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาพลาสม่าโครงสร้างเซลล์เส้นใยและความสม่ำเสมอของเอกภพในระดับขนาดใหญ่ (หรือที่เรียกว่าโครงสร้างเซลล์ขนาดใหญ่ของจักรวาล) สร้างขึ้นโดยอัลฟเวนและแอนโธนี แปร์รัต ได้รับการยืนยันอย่างไม่คาดคิดจากการสังเกตในช่วงปลายทศวรรษปี 1980 และ 1990 แต่การสังเกตเหล่านี้ก็เช่นกัน อธิบายไว้ภายใต้กรอบของแบบจำลองทางจักรวาลวิทยาที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป

เพื่ออธิบายโครงสร้างเส้นใยของจักรวาลในปัจจุบันมีการใช้ทฤษฎีการก่อตัวของเส้นใยเนื่องจากความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วง (ในขั้นต้นการกระจายมวลที่เกือบจะสม่ำเสมอนั้นมุ่งเน้นไปที่สารกัดกร่อนและนำไปสู่การก่อตัวของเส้นใย) ในโครงสร้างการเติบโตของสสารมืดตามโครงสร้างของที่มองเห็นได้ สสารถูกสร้างขึ้น (ต้นกำเนิดของโครงสร้างของสสารมืดอธิบายได้จากความผันผวนของควอนตัมในกระบวนการเงินเฟ้อ)

ปัจจุบันจักรวาลวิทยาพลาสมาเป็นทฤษฎีนี้ไม่เป็นที่นิยมเนื่องจากปฏิเสธการพัฒนาของจักรวาลตามเส้นทางของบิ๊กแบง ในทางกลับกันถ้าเราละทิ้งทฤษฎีบิ๊กแบงและพิจารณาว่าอายุของเอกภพมีค่ามากกว่า 13.5 พันล้านปีมวลแฝงส่วนใหญ่สามารถอธิบายได้จากวัตถุ MACHO เช่นดาวแคระดำซึ่งวิวัฒนาการมาจากดาวแคระขาวที่ เย็นลงกว่าหลายหมื่นล้านปี ...

• สสารจากมิติอื่น (จักรวาลคู่ขนาน)

ทฤษฎีมิติพิเศษบางทฤษฎียอมรับว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงชนิดพิเศษที่สามารถกระทำต่ออวกาศมิติพิเศษของเราได้

สมมติฐานนี้ช่วยอธิบายจุดอ่อนสัมพัทธ์ของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงเมื่อเทียบกับปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอีกสามอย่าง (แม่เหล็กไฟฟ้าแรงและอ่อนแอ): แรงโน้มถ่วงจะอ่อนแอกว่าเนื่องจากสามารถโต้ตอบกับสสารขนาดใหญ่ในมิติพิเศษทะลุผ่านสิ่งกีดขวางที่ไม่สามารถเข้าถึงได้เพื่อปฏิสัมพันธ์อื่น ๆ

ตามมาด้วยว่าเอฟเฟกต์สสารมืดสามารถเกิดขึ้นได้ได้รับการอธิบายอย่างมีเหตุผลด้วยอันตรกิริยาของสสารที่มองเห็นได้จากมิติปกติของเรากับสสารขนาดใหญ่จากมิติอื่น (พิเศษที่มองไม่เห็น) ผ่านแรงโน้มถ่วง ในเวลาเดียวกัน มิติเหล่านี้และเรื่องนี้ในพวกเขาไม่สามารถรู้สึกถึงปฏิสัมพันธ์ประเภทอื่น แต่อย่างใด ไม่สามารถโต้ตอบกับมันได้

เรื่องในมิติอื่น (จริง ๆ แล้วอยู่ในจักรวาลคู่ขนาน) สามารถก่อตัวเป็นโครงสร้างได้ (กาแลคซี กระจุกกาแลคซี เส้นใย) ในลักษณะคล้ายกับการวัดของเราหรือสร้างโครงสร้างแปลกใหม่ขึ้นมาเอง ซึ่งในการวัดของเรารู้สึกว่าเป็นรัศมีความโน้มถ่วงรอบกาแลคซีที่มองเห็นได้

ผลของการสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขของวิวัฒนาการโครงสร้างของจักรวาล

• ข้อบกพร่องของพื้นที่โทโพโลยี

สสารมืดอาจเป็นเพียงแค่ยุคดึกดำบรรพ์(เกิดขึ้นในช่วงเวลาของบิ๊กแบง) ข้อบกพร่องในอวกาศและ / หรือโทโพโลยีของสนามควอนตัมที่สามารถบรรจุพลังงานได้จึงทำให้เกิดแรงโน้มถ่วง

สมมติฐานนี้สามารถสำรวจและตรวจสอบโดยใช้เครือข่ายวงโคจรของยานอวกาศ (รอบโลกหรือภายในระบบสุริยะ) พร้อมกับนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำและซิงโครไนซ์อย่างต่อเนื่อง (โดยใช้ GPS) ซึ่งจะบันทึกการผ่านของข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีผ่านเครือข่ายนี้

ผลกระทบจะปรากฏขึ้นโดยไม่ได้อธิบาย (ทั่วไปเหตุผลเชิงสัมพัทธภาพ) ไม่ตรงกันของหลักสูตรของนาฬิกาเหล่านี้ซึ่งมีจุดเริ่มต้นที่ชัดเจนและเวลาสิ้นสุด (ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่และขนาดของข้อบกพร่องทอพอโลยีดังกล่าว)

กาแล็กซี่ไม่มีสสารมืด

นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหากาแลคซีที่ไม่มีสสารมืด แต่ไม่มีทางอธิบายได้ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

• NGC1052-DF2

ในกาแลคซี NGC1052-DF2 มีสสารมืดน้อยกว่าที่ควรจะเป็นอย่างน้อย 400 เท่า

ผลลัพธ์ของการวัดที่ดำเนินการโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ 10 เมตรของหอดูดาวเคกและกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (เป็นเครื่องมือทางดาราศาสตร์ที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน) ก็ยอมรับว่าไม่มีสสารมืดเลยใน NGC1052-DF2

กาแล็กซีนี้มองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เท่านั้นมีความสว่างรวมที่ระดับดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ 100 ล้านดวง และมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ประมาณ 200 ล้านเท่า ตามพารามิเตอร์เหล่านี้ NGC1052-DF2 ไม่ได้โดดเด่นจากอนุกรมทั่วไปมากนัก

А вот то, что внутри нее обнаруживается десять วัตถุที่ค่อนข้างสว่างและด้วยเหตุนี้ในหลาย ๆ ภาพกาแลคซีจึงกลายเป็นชุดของจุดสว่างแทนที่จะเป็นเมฆที่พร่ามัวจึงเป็นข้อเท็จจริงที่น่าสนใจกว่ามาก เขาเป็นคนบังคับให้นักดาราศาสตร์ติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ด้วยตารางเวลาที่แน่นหนาสำหรับ NGC1052-DF2

ตามที่นักวิจัยระบุจุดสว่างเหล่านี้เป็นกระจุกดาวทรงกลม แต่จำนวนและการกระจายของความสว่างนั้นผิดปกติมากจนนักดาราศาสตร์ปฏิเสธที่จะพูดรายละเอียดเกี่ยวกับวัตถุเหล่านี้ในเอกสารเผยแพร่นี้และสัญญาว่าจะกลับมาดูรายละเอียดนี้ในเอกสารเผยแพร่อื่นซึ่งยังอยู่ในขั้นตอนการเตรียมการ

 หากเราเปรียบเทียบ NGC1052-DF2 กับรุ่นอื่นกาแลคซีที่มีมวลเท่ากัน ดังนั้นรัศมีที่มองไม่เห็นของสสารมืดควรจะหนักกว่าที่นักดาราศาสตร์ค้นพบถึงสี่ร้อยเท่า ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ผิดปกติอย่างมาก

• NGC 1052-DF4

นักวิทยาศาสตร์บรรยายผลลัพธ์เพิ่มเติมการสังเกตที่ทำให้สามารถประมาณการกระจายตัวของความเร็วได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ เป็นผลให้นักดาราศาสตร์ได้รับค่า 8.5 กิโลเมตรต่อวินาทีโดยมีข้อผิดพลาดน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด (ประมาณ 30%)

จากข้อมูลเหล่านี้เป็นไปตามมวลรวมกาแลคซีมีค่าประมาณเท่ากับมวลของสารเรืองแสงซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องนำสสารมืดมาใช้ในกรณีนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังค้นพบกาแลคซีที่คล้ายกัน NGC 1052-DF4 ซึ่งอยู่ใกล้เคียงกันซึ่งมีความเร็วของดาวฤกษ์ที่กระจายตัวต่ำมาก - ประมาณ 4.2 กิโลเมตรต่อวินาที แต่ข้อผิดพลาดในกรณีนี้อยู่ที่ประมาณ 80%

ตามที่ผู้เขียนข้อมูลที่ได้รับมีอยู่ในระดับสูงคุณสมบัติเป็นหลักฐานที่น่าสนใจสำหรับการมีอยู่ของกาแลคซีพิเศษที่ไม่มีสสารมืดเพียงแห่งเดียว แต่ยังเป็นวัตถุประเภทใหม่ที่คล้ายกันอีกด้วย

นอกจากนี้ยังเตือนคุณด้วยว่าผลลัพธ์เหล่านี้ไม่ใช่ไม่มีทางหักล้างสมมติฐานของสสารมืด แต่ในทางกลับกันยืนยันความจำเป็น: หากผลกระทบที่อธิบายโดยมันเกิดจากสสารธรรมดาจริงสถานการณ์ดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นและเนื่องจากพบวัตถุที่ไม่มีสสารมืด จากนั้นสิ่งนี้พูดได้อย่างแม่นยำถึงการมีอยู่ของสารสองประเภทที่แยกจากกันซึ่งไม่เกี่ยวข้องโดยตรง

กาแล็กซีดำรงอยู่โดยไม่มีสสารมืดได้อย่างไร?

กาแล็กซีที่ตัดสินจากการสังเกตแทบไม่มีสสารมืด ซึ่งเป็นสสารที่มีปฏิกิริยาน้อยกับสสารรอบๆ ซึ่งเชื่อกันว่ามีส่วนรับผิดชอบต่อมวล 26.8% ของจักรวาล ทำให้นักดาราศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของสสารนี้ได้ยากขึ้น

วัตถุดังกล่าวถูกค้นพบอันเป็นผลมาจากล่าสุดการสังเกตเหล่านี้ท้าทายแบบจำลองจักรวาลวิทยาแลมบ์ดา - ซีดีเอ็มที่นำมาใช้โดยนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ซึ่งกาแลคซีทั้งหมดควรถูกล้อมรอบด้วยสสารมืดขนาดมหึมา

วัตถุที่ปราศจากสสารมืดนั้นมีไม่มากนักดาราศาสตร์ได้รับการศึกษาเป็นอย่างดี วิธีหนึ่งในการศึกษากลไกที่เป็นไปได้ของการก่อตัวของพวกมันคือสังเกตหลาย ๆ อย่างในขั้นตอนต่างๆของการพัฒนา การประมวลผลข้อมูลเกี่ยวกับกาแลคซีโดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ทำให้สามารถติดตามวิวัฒนาการได้

เพื่อที่จะเข้าใจโครงสร้างของสิ่งเหล่านี้วัตถุนักวิทยาศาสตร์ได้จำลองวิวัฒนาการโดยใช้แบบจำลอง Illustris ซึ่งคำนึงถึงวัฏจักรชีวิตของดวงดาวอิทธิพลของซูเปอร์โนวาและหลุมดำและการรวมกันของกาแลคซี นักวิจัยพบในระบบที่สร้างขึ้นโดยแบบจำลอง "ดาราจักรแคระ" หลายดวงที่มีจำนวนดาวเท่ากันจำนวนกระจุกดาวทรงกลมและมวลของสสารมืด

ตามชื่อกาแล็กซีแคระมีขนาดเล็กและประกอบด้วยดวงดาวหลายพันล้านดวง ในทางตรงกันข้าม ทางช้างเผือกซึ่งโคจรรอบด้วยกาแลคซีแคระมากกว่า 20 แห่งที่รู้จัก มีดาวฤกษ์อยู่ระหว่าง 200 ถึง 400 พันล้านดวง

มักใช้คลัสเตอร์ทรงกลมในการประเมินเนื้อหาสสารมืดในกาแลคซีโดยเฉพาะในดาราจักรขนาดเล็ก นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์พบว่าดาราจักรแคระสูญเสียสสารมืดไปถึง 90% อันเป็นผลมาจากการ "ผลัก" วัตถุที่เป็นส่วนประกอบออกมาโดยแรงโน้มถ่วงของมันเอง

บรรทัดล่างคืออะไร?

ไม่สามารถค้นพบหลุมดำที่ไม่มีสสารมืดได้หมายความว่ามันไม่มีอยู่จริง ในทางกลับกัน ดาราจักรที่ไม่มีการกระจายดาวตามความเร็วโดยทั่วไปจะบ่อนทำลายตำแหน่งของทฤษฎีที่พยายามจะถือว่าผลการสังเกตเป็นผลจากปรากฏการณ์สากลบางอย่างที่ไม่เกี่ยวข้องกับสสารมืด

อยู่ในรูปแบบไดนามิกของนิวตันที่ได้รับการดัดแปลงดาวควรหมุนรอบใจกลางกาแลคซีด้วยความเร็วประมาณเดียวกันเสมอ และ NGC1052-DF2 ก็เล่นกับแบบจำลองนี้ ซึ่งสูญเสียการสนับสนุนจากผู้เชี่ยวชาญหลายคนไปแล้ว

เพื่อยอมรับการมีอยู่ของกาแลคซีที่ไม่มีความมืดฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่อาจเป็นได้ดีในขณะที่ความคิดที่ว่ากฎของความโน้มถ่วงสากลทำงานอย่างเลือกได้ในส่วนต่างๆของจักรวาลอย่างน้อยก็เป็นที่น่าสงสัย

อ่านเพิ่มเติม

ภูเขาน้ำแข็งที่ใหญ่ที่สุดในโลกถล่มเศษชิ้นส่วนพุ่งไปทางเหนือ เป็นอันตรายหรือไม่?

พบร่องรอยของเชื้อเพลิงจรวดบนดวงจันทร์เรอาของดาวเสาร์ มันมาจากไหน?

การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด