Karanlık maddenin doğası ve özelliklerine ilişkin sorular söz konusu olduğunda gökbilimciler hâlâ erken bir aşamadadır.
Bu maddenin varlığına dair teori40 yıldan fazla bir süre önce, bir galaksideki tüm görünür nesnelerin kütlesi ile galaksinin kendi kütlesi arasındaki tutarsızlığa ilişkin bir açıklama olarak öne sürülmüştür. Tutarsızlığı ilk keşfeden gökbilimci Vera Rubin, bu görünmez maddenin son derece yaygın olduğunu ve Evrenin çoğunu oluşturduğunu belirledi. Bugün bu maddenin karanlık madde olduğunu biliyoruz.
Vera Rubin. Fotoğraf: Carnegie Bilim Enstitüsü / carnegiescience.edu
Gökbilimcilerin en az üç olmasına rağmenkaranlık maddenin var olduğuna dair kanıt, hiçbirinin varlığının doğrudan kanıtını tespit etme ve özelliklerini belirleme girişimlerinin hiçbiri başarısız olmadı.
Ancak, Yale Üniversitesi'nden bilim adamlarının çalışmalarıMart 2018'de Nature dergisinde yayınlanan Peter van Dokkum liderliğindeki bilim adamları, bu maddenin varlığının başka bir kanıtını bulmak için bilim adamlarını her zamankinden daha fazla yakınlaştırdı.
Gökbilimciler karanlık madde hakkında ne biliyorlar?
Karanlık madde, olmayan bir maddedirelektromanyetik (EM) veya güçlü nükleer kuvvetlerle diğer konularla etkileşime girer. Elektromanyetik etkileşimlerin olmaması, ışık yaymayacağı, absorbe edemeyeceği, yansıyamayacağı, kıramayacağı ya da yayamayacağı anlamına gelir. Bu, elbette, gözlem için oldukça karmaşık bir konudur. Ancak, evrendeki tüm maddelerin yaklaşık% 85'i karanlık maddedir.
Şimdiye kadar bilim adamlarının karanlık maddenin gerçekten var olduğuna dair pratik bir kanıtı yok, ancak teorik olarak var. İşte üç ana olanlar.
Galaktik dönme eğrileri
Bir nesne diğerinin etrafında döndüğünde,Yörüngedeki bir nesne sürekli olarak merkeze doğru hızlandırılmalıdır (veya daha doğrusu her ikisi de birleşik kütle merkezlerine ivmeli). Bu hızlanma olmadan, yörünge gövdesi basitçe uçup gider.
Orbital vücut ne kadar hızlı hareket ederseyörüngede tutmak için daha fazla hızlanma gerekir. Bu durumda ivme yerçekimine bağlı olduğundan, bu, merkezi kütlenin daha büyük olması gerektiği anlamına gelir.
Bu bilgi, bilim adamlarının farklı tartıĢmalarını sağlargalaksinin bazı kısımlarının yanı sıra dönme hızlarını ölçmek, galaksinin yaklaşmakta olan ve uzaktaki taraflarındaki kırmızıya kaymaları karşılaştırarak. Ağırlıklandırırken, gökbilimciler galaksideki tüm nesnelerin kütlesi ile toplam kütle arasında bir tutarsızlık görürler.
kırmızıya kayma- kimyasal elementlerin spektral çizgilerinin kaymasıkırmızı (uzun dalga boyu) tarafa. Bu fenomen, zayıf dağınık saçılmanın, Doppler etkisinin veya yerçekimsel kırmızıya kaymanın veya bunların bir kombinasyonunun bir ifadesi olabilir. Gök cisimlerinin spektrumlarındaki spektral çizgilerin kayması ilk olarak 1848'de Fransız fizikçi Hippolyte Fizeau tarafından tanımlanmış ve bu kaymayı açıklamak için yıldızın radyal hızının neden olduğu Doppler etkisi öne sürülmüştür.
Yerçekimi mercek
Genel görelilik teorisine göre, herhangi birYerçekimi alanından geçtiği zaman hafifçe çarpıtılır. Yerçekimi merceği olarak işlev görür ve aşağıdaki resimde olduğu gibi “Einstein halkaları” üretebilir.
Einstein’ın Genel Görelilik Teorisigalaksiler gibi büyük uzay nesnelerinin yerçekiminin etrafındaki alanı eğmesi ve ışık ışınlarını saptırması. Bu olduğunda, başka bir galaksinin çarpıtılmış bir görüntüsü - ışığın kaynağı.
Yukarıdaki resimde “Einstein Ring”merkezdeki diğer (kırmızı) galaksinin arkasında bulunan bir galaksinin çarpık görüntüsü (mavi renkle vurgulanır). Maviden gelen ışık her yöne yayılır, ancak kırmızı bir galaksinin yerçekimi tarafından bükülür. Bu, örneğin, doğrudan Dünya'ya doğrudan yönlendirilen ışığın, gezegenimize asla ulaşamayacağı anlamına gelir - farklı bir yöne sahip olan ışığın aksine, ancak bir mercek tarafından çarpıtılmış ve aynı anda her yönden ilerliyor. Bu işlem, halkanın görünümünü açıklar.
Zayıf yerçekimsel merceklerde istatistikselAldığımız ışıktaki bozulmaları analiz etmek, Dünya ile uzak galaksiler arasındaki çekim alanını "fark etmemizi" sağlar. Bu alanda genellikle bilim adamlarının açıklayabildiğinden daha fazla kütle ve dolayısıyla daha fazla madde vardır.
Mevcut teori açısından karanlık maddenin varlığını kanıtlayan yerçekimsel merceklenmeye bir örnek, Carina takımyıldızında bulunan Bullet gökada kümesinin bir fotoğrafıdır.
Görüntü iki galaksinin çarpışmasının sonrasını gösteriyor. Görüntüdeki kırmızı görünür madde alanlarını, mavi ise varlığı kütleçekimsel merceklenmeyle belirlenen karanlık maddeyi gösteriyor.
Bu ayrım gerçeğinden kaynaklanmaktadırBir dizi gökadadaki aydınlık maddenin çoğu, sıcak, yoğun bir plazmada, bir orta-safha içindedir. Plazmanın parçaları birbiriyle çarpıştığında, maddenin önemli bir kısmı yavaşlar ve merkezde kalır. Ancak karanlık madde madde ile zayıf bir şekilde etkileşime girer, bu nedenle iki kümeden bileşenleri birbirlerinden serbestçe geçebilir - bu fotoğrafta gösterilen ayrılığa yol açar.
Kalıntı radyasyon
Bundan sonraki ilk birkaç yüz bin yıl boyuncaBüyük Patlama sırasında evren yüksek oranda iyonlaşacak kadar sıcaktı. Bu geçici olarak onu ışık karşısında neredeyse opak hale getirdi; fotonlar diğer parçacıklar gibi dönüyordu. Bununla birlikte, her şey yeterince soğuduğunda, önemli miktarda proton ve elektron birleşerek nötr hidrojeni oluşturdu ve bu, kendisini çevreleyen ışığın çoğuna karşı yeterince şeffaf hale geldi. Bu süreç oldukça hızlı bir şekilde gerçekleşti (kozmolojik zaman açısından) - sonuç olarak, göreceli olarak konuşursak, Evrende bulunan tüm ışık aniden serbest bırakıldı ve evriminin bu aşamasının anlık görüntüsünü aldı. Bu, kozmik mikrodalga arka plan ışınımını tanımlamanın basitleştirilmiş bir yoludur.
Bu ışığı tespit etmek için bilim insanlarıRadyo teleskoplarını herhangi bir yöne doğrultun ve gözlem alanına bağlı olarak sıcaklık biraz değişecektir. Sıcaklıktaki fark bu bölgede karanlık maddenin varlığı veya yokluğuyla açıklanıyor.
İlk galakside sıradışı bulunan nedir?
DF2 büyük bir grubun parçası olan bir galaksidirdevasa eliptik galaksi NGC 1052 tarafından yönetiliyor. Galaksi, Dragonfly ve Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması (SDSS) tarafından çekilen fotoğraflarda farklı görünmesi nedeniyle bilim adamlarının dikkatini çekti. İlkinde galaksi soluk bir ışık noktası olarak görünürken, ikincisinde ise bir grup nokta nesne vardı.
Bu gözlemlere dayanarak, bilim adamları liderliğindekiPeter van Dokkum galaksinin içinde on adet küresel küme (büyük eski yıldız grupları) tespit etti ve bunların, çok fazla karanlık maddenin olduğu duruma göre üç kat daha yavaş hareket ettiklerini buldu. Gerçek şu ki, eğer galaksinin kütlesi görünür nesnelerin kütlesinden daha büyük olsaydı, kümeler daha hızlı dönecekti.
Bilim topluluğu yayını eleştirel bir şekilde değerlendirdi— araştırmacıların hatası, yalnızca on kümeyi ve yalnızca iki gece gözlemlemeleriydi. Şüpheciler, bilim adamlarının yıldız kümelerinin hareketiyle ilgili önemli ayrıntıları gözden kaçırmış olabileceğine ve bunun galaksinin kütlesi ve görünür maddeye ilişkin tahminlerinin çarpık olmasına neden olabileceğine inanıyordu.
Ve ikinci?
Doğruluklarını kanıtlamanın tek yoluGözlem, minimum miktarda karanlık madde içerecek ikinci bir galaksinin aranmasıydı - ve Mart 2019'da böyle bir galaksinin keşfedildiği tespit edildi.
Araştırmacılar iki bilimsel makale yayınladılar.Hubble'ın Gelişmiş Kamerasını ve Hawaii'deki Keck Gözlemevi'ndeki 10 metrelik teleskopu kullanarak DF2'nin kütlesini yeniden ölçen ilk kişiler onlardı. Bu kez gökbilimciler kümelerin yalnızca hareket hızlarını değil aynı zamanda içlerindeki yıldızların dönüş hızlarını da gözlemlediler. Sonuç olarak bilim adamları, DF2'nin, büyüklüğü yaklaşık olarak Samanyolu ile aynı olan şeffaf, ultra yaygın bir galaksi olduğunu tespit ettiler. Sadece içinde yaklaşık 200 kat daha az yıldız vardı.
İkinci makale, bu keşif için ayrılmıştırDF2 galaksileri - NGC 1052 galaksisinin yanındaki aynı kümede yer alan DF4. Araştırmacılar, öncelikle, asgari miktarda karanlık madde içeren galaksilerin nadir olmadığına ve ikincisi de, büyük bir galaksinin karanlıkları “çalabileceğine” inanıyor onların küçük komşularından madde.
Karanlık maddenin yokluğu varlığının kanıtı olabilir?
Karanlık olmadığının ifadesini anlamakİki galaksideki madde evrendeki varlığını Genel Görelilik Teorisi'ne göre doğrularsa, kara madde varlığı fikrinin eleştirisi göz önünde bulundurmaya değer.
Bazı bilim adamları evrende buna katılmıyorkaranlık madde vardır ve varlığının teorik kanıtı, değiştirilmiş Newton dinamikleri (MOND) olarak adlandırılır. Bu alternatif teori kozmik bir ölçekte yerçekiminin Isaac Newton veya Albert Einstein'ın tahmin ettiği gibi çalışmadığını söylüyor. Bu, karanlık maddenin varlığına dair teorilerin üzerine kurulduğu Genel Görelilik Teorisi'nin galaksilerde çalışmadığı anlamına gelir.
Örneğin teorik fizikçi Erik VerlindeAmsterdam Üniversitesi, 2016 yılında yerçekimini kuantum etkileşimlerinin bir yan ürünü olarak inceleyen bilimsel bir makale yayınladı ve karanlık maddeye atfedilen ek yerçekiminin, Evrenin uzay-zaman dokusuna dokunan karanlık enerjinin - arka plan enerjisinin bir etkisi olduğunu öne sürdü.
Başka bir deyişle Verlinde, karanlık maddenin madde olmadığına, yalnızca sıradan madde ile karanlık enerji arasındaki etkileşim olduğuna inanıyor.
Yale Üniversitesi'nden bilim adamlarının keşfitespit edilen galaksilerin her ikisinin de standart yerçekimi teorisine uygun davranması şartıyla, karanlık maddenin normal maddeden ayrılabileceğini göstermektedir. Yani, içlerinde meydana gelen süreçler Newton ve Kepler tarafından keşfedilen denklemler kullanılarak açıklanabilir.
Sorular neler
Başarılı olursa gökbilimcilerin keşfiGelecekteki gözlemlerle kesin olarak doğrulanan bu bulgu, galaksi oluşumuyla ilgili mevcut teoriye meydan okuyor. Özellikle, daha büyük NGC 1052'nin DF2 ve DF4'ten karanlık maddeyi "çalabileceği" varsayımından bahsediyoruz. Eğer bu gerçekten mümkünse, gözlemlenen her iki galakside de gözlenen düzenin korunması koşuluyla, gökbilimcilerin bunların oluşum ve varoluş mekanizmasını tamamen yeniden düşünmesi gerekecektir.
"Ne kadar yaygın olduğunu bulmayı umuyoruzbu galaksiler ve evrenin diğer bölgelerinde var olup olmadıkları. Özelliklerinin mevcut teorilerimizle tutarlı veya tutarlı olmadığını anlamamıza yardımcı olacak daha fazla kanıt bulmak istiyoruz. Bunun, evrendeki en büyük gizemlerden birini - karanlık maddenin doğasını anlamada bir adım daha atmamıza izin vermesini ümit ediyoruz ”dedi.