Що таке темна матерія?
Темна матерія в астрономії та космології, а також у теоретичній фізиці – форма
Поняття темної матерії введено для теоретичногопояснення проблеми прихованої маси в ефектах аномально високій швидкості обертання зовнішніх областей галактик і гравітаційного лінзування (в них задіяно речовина, маса якого набагато перевищує масу звичайної видимої матерії); серед інших запропонованих воно найбільш задовільно.
Склад і природа темної матерії на справжніймомент невідомі. В рамках загальноприйнятої космологічної моделі найбільш вірогідною вважається модель холодної темної матерії. Найбільш ймовірні кандидати на роль частинок - вімпи. Незважаючи на активні пошуки, експериментально вони поки не виявлені.
А сам термін «темна матерія», можливо, впершебув використаний щодо оцінки маси зірок галактики виходячи з розподілу їх швидкостей. В остаточному підсумку термін почав використовуватися саме в сенсі матерії, що не спостерігається, про існування якої можна судити лише за її гравітаційним впливом.
Тривимірна карта розподілу темної матерії, побудована за допомогою методу слабкого гравітаційного лінзування в рамках проекту COSMOS.
Альтернативні теорії існування темної матерії
- Альтернативні теорії гравітації
При спробі пояснити спостережувані явища, напідставі яких в сукупності був зроблений висновок про необхідність існування темної матерії, без залучення цієї концепції в першу чергу висловлювалися міркування щодо справедливості загальноприйнятих законів гравітаційної взаємодії на великих відстанях.
Найбільш відомою є модифікованаНьютонівська динаміка (MOND) — теорія, запропонована на початку 1980-х років ізраїльським астрофізиком Мордехаєм Мілгромом і що є модифікацією закону тяжіння, що дає сильнішу взаємодію в деяких областях простору, таким чином, щоб пояснювався вид кривих обертання галактик, що спостерігається.
У 2004 році фізиком-теоретиком ЯаковимБекенштейном, також із Ізраїлю, було розроблено релятивістське узагальнення цієї гіпотези — тензор-вектор-скалярна теорія гравітації, що пояснює також ефекти гравітаційного лінзування, що спостерігаються.
Крім того, в 2007 році канадський фізик Джон Моффат запропонував свою теорію модифікованої гравітації, яку також називають скаляр-тензор-векторною теорією гравітації.
Прихильники теорій модифікованої гравітаціївважають аргументом на свою користь відсутність в даний час позитивних результатів експериментів щодо безпосереднього виявлення частинок темної матерії.
Тим часом, в даний час більшість вченихне визнає MOND, оскільки на ній розрахунки вказують на її неспроможність. Проблема альтернативних теорій гравітації в тому, що якщо вони дають обґрунтування окремим ефектам, які є наслідками існування темної матерії, все одно не враховують їх у сукупності.
Вони не пояснюють спостережуваного поведінкизіштовхуються скупчень галактик і несумісні з космологічними аргументами на користь присутності великої кількості небаріонної невидимого речовини в ранньому Всесвіті.
Скупчення галактик Abell 2218
- плазмова космологія
Ця теорія була розроблена в 1960-х рокахшведським фізиком по імені Ханнес Альфвен (нобелівський лауреат 1970 роки за відкриття по магнітодінамікі) - при цьому він використовував досвід своїх досліджень навколоземної плазми (полярне сяйво) і ранні роботи Крістіана Біркеланд.
Основою теорії є припущення, щоелектричні сили є більш вагомими на більших відстанях (масштаб галактики та скупчення галактик), ніж гравітація. Якщо припустити, що плазма заповнює весь всесвіт і має хорошу провідність, то вона могла б проводити величезні електричні струми (близько 1017-1019 ампер) на масштабах десятки мегапарсек.
Такі струми створюють потужне галактичне магнітне поле, яке формує структуру як галактик, так і їх скупчень (галактичних ниток або філаментів).
Наявність такого потужного поля легко пояснюєформування галактичних рукавів (єдиної думки про причину утворення галактичних рукавів поки що немає), розподіл швидкості обертання галактичних дисків від радіусу, усуває необхідність введення гало з темної матерії.
Але зараз ні таких потужних струмів у масштабах десятків мегапарсек, ні високих міжгалактичних та внутрішньогалактичних магнітних полів сучасна астрофізика не спостерігає.
Припущення плазмової космології прониткоподібно-клітинної структури і однорідності Всесвіту на великих масштабах (так звана Великомасштабна структура Всесвіту), зроблені Альфвеном і Ентоні Перратом, несподівано були підтверджені спостереженнями в кінці 1980-х і в 1990-х роках, проте ці спостереження пояснюються моделі.
Для пояснення ниткоподібної структури ВсесвітуНині використовується теорія утворення ниток за рахунок гравітаційної нестійкості (спочатку майже однорідний розподіл маси концентрується на каустиках і призводить до утворення ниток), на зростаючих структурах темної матерії, вздовж яких і формується структура видимої матерії (походження такої структури темної матерії пояснюється квантуванням. процесі інфляції).
В даний час плазмова космологія яктеорія непопулярна, тому що заперечує розвиток Всесвіту шляхом Великого Вибуху. З іншого боку, якщо відмовитися від теорії Великого Вибуху і вважати вік Всесвіту набагато більшим, ніж 13,5 мільярда років, то прихована маса багато в чому може бути пояснена такими MACHO-об'єктами як чорні карлики, які еволюціонують з охололи за десятки мільярдів років білих карликів .
- Матерія з інших вимірів (паралельних всесвітів)
У деяких теоріях з додатковими вимірами гравітація сприймається як унікальний тип взаємодії, який може діяти наш простір з додаткових вимірів.
Це припущення допомагає пояснитивідносну слабкість гравітаційної взаємодії в порівнянні з трьома іншими основними взаємодіями (електромагнітним, сильним і слабким): гравітація слабкіше, так як може взаємодіяти з масивної матерією в додаткових вимірах, проникати крізь бар'єр, недоступний іншим взаємодій.
Звідси випливає, що ефект темної матерії можебути логічно пояснений взаємодією видимої матерії з наших звичайних вимірів з масивною матерією з інших (додаткових, невидимих) вимірів через гравітацію. При цьому інші типи взаємодій ці вимірювання і цю матерію в них не можуть відчути, не можуть з нею взаємодіяти.
Матерія в інших вимірах (фактично впаралельного Всесвіту) може формуватися в структурі (галактики, скупчення галактик, філаменти) схожим на наші виміри способом або формувати свої, екзотичні структури, які в наших вимірах відчуваються як гравітаційне гало навколо видимих галактик.
Результати чисельного моделювання еволюції структури Всесвіту
- Топологічні дефекти простору
Темна матерія може просто бути початковими(Що виникли в момент Великого Вибуху) дефектами простору і / або топології квантових полів, які можуть містити в собі енергію, тим самим викликаючи гравітаційні сили.
Це припущення може бути досліджено іперевірено за допомогою орбітальної мережі космічних зондів (навколо Землі або в межах Сонячної системи), оснащених точним безперервно синхронізованим (за допомогою GPS) атомним годинником, який зафіксує проходження такого топологічного дефекту через цю мережу.
Ефект проявиться як незрозуміле (звичайнимирелятивістськими причинами) неузгодженість ходу цього годинника, що має чітке початок і, з часом, кінець (в залежності від напрямку руху і розмірів такого топологічного дефекту).
Галактика без темної матерії
Вчені знаходять галактики без темної матерії, однак пояснити способи їх формування напевно не можна.
- NGC1052-DF2
У галактиці NGC1052-DF2 темної матерії щонайменше в 400 разів менше, ніж мало б бути.
Результати вимірювань, проведених за допомогою10-метрового телескопа обсерваторії Кека і космічного телескопа «Хаббл» (це найкращі з астрономічних інструментів, що є на сьогодні), допускають і те, що темної матерії в NGC1052-DF2 немає зовсім.
Ця видима лише у великі телескопи галактикамає сумарну світність на рівні 100 млн таких зірок, як Сонце, а її маса вища за масу Сонця приблизно в 200 млн разів — за цими параметрами NGC1052-DF2 не надто вибивається із загального ряду.
А ось те, що всередині неї виявляється десятьпорівняно яскравих об'єктів і за рахунок цього на ряді знімків галактика виявляється сукупністю яскравих точок замість розмитого хмарки, вже набагато більш цікавий факт; саме він змусив астрономів розгорнути в бік NGC1052-DF2 телескопи з щільно забитим графіком роботи.
За висновками дослідників, ці яскраві точкиє кульовими зоряними скупченнями, проте їх кількість і розподіл світимостей настільки незвичайно, що астрономи навіть відмовилися докладно розповідати про ці об'єкти у справжній публікації та пообіцяли повернутися до цього докладніше в іншій публікації, яка все ще перебуває у процесі підготовки.
Якщо порівнювати NGC1052-DF2 з іншимигалактиками такої ж маси, то невидиме гало з темної матерії мало б бути в чотириста разів важчим за те, що виходить у астрономів, і це надзвичайно незвичайний результат.
- NGC 1052-DF4
Вчені описують результати додатковихспостережень, які дозволили зробити більш надійні оцінки дисперсії швидкостей з урахуванням рухів зірок. В результаті астрономи отримали значення 8,5 кілометра на секунду з помітно меншими помилками (близько 30%).
З цих даних випливає, що повна масагалактики приблизно дорівнює масі речовини, що світиться, що виключає необхідність введення темної матерії в даному випадку. Також вчені виявили поруч схожу галактику NGC 1052-DF4, у якій також виявилася екстремально низька дисперсія швидкостей зірок - близько 4,2 кілометра в секунду, але помилки в даному випадку становлять близько 80%.
На думку авторів, отримані дані високогоякості є переконливим доказом існування не просто однієї виняткової галактики без темної матерії, а й нового класу подібних об'єктів.
Також вони нагадують, що ці результати ні вякій мірі не спростовують гіпотезу про темну матерію, а, навпаки, підтверджують її необхідність: якби описувані їй ефекти насправді породжувалися звичайною матерією, то подібної ситуації не могло б виникнути, а раз знайдений об'єкт без темної матерії, то це говорить саме про існування двох окремих видів субстанцій, які не пов'язані безпосередньо.
Як галактики можуть існувати без темної матерії?
Галактики, які, судячи з спостережень,практично не містять темної матерії, що слабко взаємодіє з навколишньою речовиною субстанції, яка, як вважається, відповідає за 26,8% маси Всесвіту, — ускладнюють розуміння астрономами природи цієї речовини.
Такі об'єкти, виявлені в результаті недавніхспостережень, кидають виклик прийнятій астрофізиками космологічної моделі Лямбда-CDM, згідно з якою всі галактики повинні бути оточені масивним гало темної матерії.
Вільні від темної матерії об'єкти не дужедобре вивчені астрономами. Один із способів дослідження можливих механізмів їх формування полягає в спостереженні за декількома з них, що знаходяться на різних етапах розвитку. Обробка інформації про галактиках за допомогою комп'ютерної моделі дозволяє простежити їх еволюцію.
Для того, щоб розібратися в пристрої цихоб'єктів, вчені змоделювали їх еволюцію за допомогою моделі Illustris, яка враховує життєві цикли зірок, вплив наднових і чорних дір і злиття галактик. Дослідники виявили в системі, створеній моделлю, кілька «карликових галактик» з однаковою кількістю зірок, числом кульових скупчень і масою темної матерії.
Як випливає з назви, карликова галактиканевелика і складається з кількох мільярдів зірок. Навпаки, Чумацький Шлях, довкола якого обертається понад 20 відомих карликових галактик, має від 200 до 400 мільярдів зірок.
Галактики часто використовуються для оцінкизмісту темної матерії в галактиках, особливо в невеликих. Астрофізики виявили, що карликові галактики втратили 90% своєї темної матерії в результаті «виштовхування» становить їх матеріалу власними гравітаційними силами.
Що в підсумку?
Відкриття чорних дірок без темної матерії неозначає, що її немає. Навпаки, галактика без типового розподілу зірок за швидкостями підриває позиції теорій, які намагаються списати результати спостережень на універсальний і пов'язаний із темною матерією ефект.
Саме в модифікованій ньютонівській динаміцізірки завжди повинні обертатися навколо центру галактик з приблизно рівною швидкістю, а NGC1052-DF2 грає проти цієї моделі, яка вже й так втратила підтримку багатьох фахівців.
Допустити існування галактики без темноїматерії сучасна астрофізика цілком може, в той час як думка про те, що закон всесвітнього тяжіння вибірково працює в різних частинах Всесвіту, представляється щонайменше сумнівною.
Читати далі
Найбільший в світі айсберг зруйнувався, оскільки кинулися на північ. Це небезпечно?
На супутнику Сатурна Реї виявили сліди ракетного палива. Звідки воно там?
Аборти і наука: що буде з дітьми, яких народять