Цёмная матэрыя: Што мы ведаем і як мы ведаем

Нават калі мы не ўпэўненыя ў тым, што такое на самай справе цёмная матэрыя, навука распрацавала некалькі надзейных метадаў высновы пра яе прысутнасць і месцазнаходжанне. Мы можам не ведаць, што гэта, але мы ведаем, што там ёсць і дзе ёсць.

Нягледзячы на ​​ўсе нашы поспехі ў галіне навукі, фізікі і астраноміі, мы ўсё яшчэ не ведаем, што прыблізна 80% -90% матэрыі ў Сусвеце. Але гэта не зусім безнадзейная сітуацыя, мы ведаем вельмі шмат пра гэта таямнічае рэчыва, якое называецца цёмнай матэрыяй. Напрыклад; мы ведаем, што гэта там, і мы ведаем, дзе гэта.

Перш чым вывучыць метады, якія дазволілі нам зрабіць выснову аб існаванні цёмнай матэрыі, давайце спачатку ўстанавім, што мы маем на ўвазе, калі мы кажам «цёмная матэрыя». Пад паняццем мы маем на ўвазе матэрыю, якую мы не можам бачыць - альбо таму, што яна зацямняецца пылам і газам, яна занадта цьмяная, каб бачыць, альбо не паглынае і не вылучае фатоны так, як мы гэта адчуваем з паўсядзённай матэрыі вакол нас. .

Каля 15% масы матэрыі, якую мы не бачым, прыпадае на барыёнавыя рэчывы - выгляд матэрыі, якая нас акружае кожны дзень, - якая затуманена або занадта цьмяная, каб бачыць. Астатнія 80–90% - гэта тое, чаго мы не адчуваем у паўсядзённым жыцці; ці, калі ён ёсць, ён паводзіць сябе чужым нам спосабам.

Мы можам быць упэўнены, што ён не барыянічны - ён не складаецца з пратонаў і нейтронаў - ён цёмны, таму што не ўзаемадзейнічае з фатонамі.

Мы звычайна маем на ўвазе менавіта гэтую няззяючую і небарыёнавую форму, калі мы кажам «цёмная матэрыя», і гэта будзе вызначэнне, якое мы будзем выкарыстоўваць наперад. Таксама варта адзначыць - мы не ведаем, што гэта.

Гэта не значыць, што мы цалкам у цемры. Мы ведаем, што гэтая маса існуе, і мы можам зрабіць выснову аб яе прысутнасці гравітацыйным уздзеяннем, якое мы аказваем. Мы таксама можам высветліць некаторыя характарыстыкі гэтай цёмнай матэрыі.

Мы ведаем, што ён не ўзаемадзейнічае са святлом. Мы ведаем, што яна праходзіць праз іншую матэрыю і цёмную матэрыю, як быццам яе нават няма.

Аднак пытанне па-ранейшаму застаецца: як мы можам быць упэўнены ў тым, што ёсць нешта, што трэба выявіць? Ці існуе цёмная матэрыя наогул ці магчыма, што мы можам памыліцца нашымі тэорыямі гравітацыі на вялікіх маштабах?

Зніклая маса: адкуль мы ведаем, што цёмная матэрыя ёсць

Патрэба ў нейкай іншай "нябачнай" масе ва Сусвеце ўпершыню ўзнікла ў Фрыца Цвікі ў 1933 годзе. Вывучыўшы кластар галактык Кома, Цвікі сцвярджаў, што большая частка гравітацыйнай масы гэтага кластара была не ў выглядзе зорак і газу, але ў нейкай цёмнай форме выяўляецца толькі дзякуючы гравітацыйным уздзеянням.

Фрыц Цвікі; бацька цёмнай матэрыі (Швейцарскае фізічнае таварыства)

Цвікі - швейцарскі астраном, які правёў большую частку сваёй працоўнай жыцця ў Каліфарнійскім тэхналагічным інстытуце (CalTech) у ЗША - выкарыстаў метад, вядомы як тэарэма вірусаў, каб вывесці гравітацыйную масу кластара Кома, выявіўшы, што сумесная маса зорак і газ у сістэме проста не быў настолькі вялікі, каб гравітацыйна трымаць яго разам.

У аснове тэарэмы пра вірусы ляжыць велічыня гравітацыйнай энергіі ў сістэме, якая ў два разы перавышае кінэтычную энергію. Карыстаючыся гэтым у якасці адпраўной кропкі, можна разлічыць масу сістэмы адносна проста, калі ведаць яе хуткасць - якую можна вымераць, выкарыстоўваючы доплераўскія зрухі.

Наймацнейшае пацвярджэнне існавання цёмнай матэрыі - вымярэнне крывой кручэння спіральнай галактыкі NGC 1560.

Вядома, такі вынік, як Цвікі, варта прайграць іншымі метадамі. На шчасце, у нас ёсць некалькі розных метадаў вызначэння масы галактык і галактычных кластараў.

Сведчанне масы галактыкі таксама забяспечваецца гравітацыйным лінзіраваннем. Тэорыя Айнштайна аб агульнай адноснасці прагназуе, што маса перакручвае саму тканіну прасторы і часу. Чым большая маса, тым большая вайна. Самы просты спосаб растлумачыць гэта - уявіць размяшчэнне розных узважаных прадметаў на нацягнутым гумовым лісце і глядзець на атрыманы сагнуты ў яго ліст.

Асноўнае ўяўленне гравітацыйнага лінзавання

Нават святло вынікае з гэтых адхіленняў, гэта значыць, што святло ад далёкіх галактык выгнуты, калі ён праходзіць праз іншыя галактыкі і галактычныя навалы. Ступень скрыўлення - гэта паказчык велічыні ўмяшальнай масы. Гэта прыводзіць да таго, што галактыкі з'яўляюцца зрушанымі і нават у крайніх выпадках з'яўляюцца ў некалькіх кропках на небе з-за розных шляхоў, якія праходзіць святло, каб дасягнуць Зямлі.

Наймацнейшае пацвярджэнне зместу цёмнай матэрыі - у мясцовым Сусвеце. Хуткасць кручэння спіральных галактык можа быць выкарыстана для высновы аб масе, заключанай у гэтай галактыцы. Хуткасць зоркі і газу галактыкі, выражаная ў залежнасці ад радыуса спіралі, называецца крывой павароту.

Калі б не было цёмнай матэрыі, крывая павароту адпавядала б прагназаванням зоркі і газу. На прыведзеным ніжэй дыяграме паказана вымераная крывая кручэння спіральнай галактыкі NCG 1560. Уклад у хуткасці, дасягнутыя агульнай масай газу і зорак, недастаткова для растлумачэння агульнай крывой кручэння.

Крывая кручэння NGC 1560. Кропкі дадзеных паказваюць назіраныя хуткасці. Штрыховая крывая паказвае прадказаны ўклад у хуткасці ад масы зорак. Пункцірная лінія паказвае ўклад у хуткасці ад масы газу. Гэтага недастаткова для растлумачэння назіраных хуткасцей. Пункцірная лінія - гэта абавязковы ўклад цёмнай матэрыі (Serjeant, 2010)

Нават калі мы ўспрымаем гэта як яснае сведчанне знікнення масы ва Сусвеце, скептык можа спытаць: "Чаму гэта азначае, што маса павінна быць у той форме, пра якую мы не ведаем?" Ці не магчыма, што гэтая маса проста не свяцілася барыёнавай матэрыяй? Што рабіць, калі ёсць нейкія недахопы ў нашым разуменні гравітацыі? Што рабіць, калі гэта пытанне зафіксавана ў чорных дзірках? "

Той факт, што газ у галактыцы і цёмная матэрыя гэтай галактыкі займаюць аднолькавую прастору, азначае, што можа адбыцца перагляд гравітацыйных тэорый, якія маглі б пазбавіцца ад патрэбы ў цёмнай матэрыі. Было вылучана некалькі перагледжаных версій механікі Ньютона, напрыклад, Modified Newtonian Dynamics (MOND).

Каб пацвердзіць неабходнасць цёмнай матэрыі і адмовіцца ад MOND і эквівалентнай альтэрнатыўнай гіпотэзы, нам давядзецца назіраць сітуацыю, калі газ і цёмная матэрыя былі падзеленыя. На шчасце, такі сцэнар прадугледжаны сутыкненнямі кластараў галактык, напрыклад, падрабязна ніжэй.

Кластарная куля: прамыя эмпірычныя доказы цёмнай матэрыі

Наяўнасць цёмнай матэрыі абумоўлена яе гравітацыйнымі эфектамі, як гэта падрабязна выкладзена вышэй, але неабходнасць новай формы матэрыі, а не перагляд нашага цяперашняга разумення, забяспечваецца назіраннямі за галактычным кластарам 1EO657–558 або кулявым кластарам.

Кластарная куля - гэта астатак двух падкластэраў, якія сутыкнуліся каля 100 мільёнаў гадоў таму. Рэнтгеналагічнае даследаванне кулявай кучы паказвае, што ўнутрыклассны газ, які трапіў паміж субкластэрамі, паводзіць сябе сапраўды так, як мы чакалі. Яны былі сціснутыя і запаволілі свой крок да краёў навалы.

Назіранні, зробленыя пры дапамозе гравітацыйнага лінзавання, паказваюць, што дамінуючыя масы ў групе Кулі паводзілі сябе па-рознаму з газам. Гэтая маса стала аддзяляцца ад ўнутрыкласнага газу. На самай справе, мы бачым, што навалы цёмнай матэрыі прайшлі праз іншы матэрыял і нават адзін праз адзін, утвараючы дзве "вяршыні".

Выявы (Lambourne, Jones, Serjeant (2009))

Такія паводзіны нельга растлумачыць мадыфікаванай тэорыяй гравітацыі. Не можа таксама гэта прывіднае паступовае адлюстраванне барыёнавай матэрыі. Цёмная матэрыя існуе. Але дзе гэта?

Паляванне працягваецца: метады пошуку цёмнай матэрыі

Каб знайсці цёмную матэрыю, мы звернемся да Эйнштэйна і яго тэорыі агульнай адноснасці, дакладней, мы выкарыстоўваем слабое гравітацыйнае лінзіраванне. У гэтым выпадку мы шукаем скажэнні, выкліканыя далёкімі фонавымі галактыкамі ў выніку ўмяшання цёмнай матэрыі.

Каб апісаць гэта, выкарыстоўваючы паўсядзённую аналогію, уявіце, як вы глядзіце на дно басейна, які мае на ім сетку з малюнкам. Калі басейн будзе нерухомы, вы ўбачыце сетку, як на дне дна. Калі паверхню вады бурлівая, вы бачыце, што сетка скажаецца і перакрыўляецца.

Паставіць гэта ў касмалагічным маштабе; мы можам адлюстраваць поле ідэальна кругавых галактычных кластараў, прагледжаных праз палатно цёмнай матэрыі. Перакосы ў форме гронкі сведчаць аб наяўнасці цёмнай матэрыі, чым больш скажэнне, тым большая канцэнтрацыя цёмнай матэрыі. Гэтыя скажэнні называюць касмічным зрухам.

(А. Рэфрыгер, Кембрыджскі універсітэт)

Нягледзячы на ​​тое, што па-за межамі гэтай гіпатэтычнай сітуацыі галактыкі рэдка бываюць ідэальна кругавымі, а рэальны зрух надзвычай малы, астраномы могуць асерадзіць скажэнні некалькіх галактык, блізка размешчаных у небе.

Схема Млечнага Шляху, якая паказвае арэол цёмнай матэрыі (шэры), шарападобныя навалы (чырвоныя кругі), тоўсты дыск (цёмна-фіялетавы), зорны дыск (белы), зорны выпуклы (чырвона-аранжавы) і цэнтральную чорную дзірку. Зорны дыск дыяметрам каля 100 000 светлавых гадоў. Цёмны арэол распаўсюджваецца на дыяметр не менш за 600 000 светлавых гадоў. (NASA / CXC / M. Weiss)

У выпадку з уласным Млечным Шляхам мы змаглі вызначыць, што цёмная матэрыя існуе ў касым арэоле, навакольным дыск нашай галактыкі. Мы змаглі вызначыць, што яго маса прыблізна 10 см² сонечных мас, што ў 10 разоў перавышае масу зорак Млечнага Шляху і ў 100 разоў перавышае масу газу і пылу. Зыходзячы з гэтага, мы можам быць упэўнены, што гравітацыйны ўплыў цёмнай матэрыі трымае нашу галактыку і іншых разам.

Хоць мы і дакладна не ведаем, што такое цёмная матэрыя, мы ведаем шмат, і мы можам зрабіць яшчэ больш. Найбліжэйшыя дзесяцігоддзі абяцаюць развязаць адну з найвялікшых таямніц навукі: прырода цёмнай матэрыі, хутчэй за ўсё, раскрыецца, магчыма, адказ проста пакіне ў нас больш пытанняў.