Какова природа скопления галактик и роль темной материи в них кратко
Обновлено: 05.07.2024
С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не менее достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц, например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.
В 2005 году сверхновую типа Ia впервые наблюдали в трех диапазонах: видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском. Такие наблюдения важны для уточнения физических моделей вспышек сверхновых, по которым оценивают расстояния до далеких галактик . Фото: NASA, SWIFT, S. IMMLER
Самая большая ошибка Эйнштейна
Далекие сверхновые
Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение подчиняется закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга, причем скорость, определяемая по красному смещению в спектрах галактик, прямо пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени закон Хаббла был непосредственно проверен лишь на относительно небольших расстояниях — тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как расширялась Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно было судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой проверкой закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX века, когда появился способ определять расстояния до далеких галактик по вспыхивающим в них сверхновым звездам.
Основные эпохи эволюции Вселенной: инфляция, доминирование излучения, вещества и темной энергии. Рис. NASA, WMAP SCIENCE TEAM
Краткая история времен
Около 85% вещества во Вселенной находится в форме темной материи, природа которой остается загадкой, а остальное - в виде атомов. Темная материя обладает гравитацией, но в остальном не взаимодействует с нормальной материей и не излучает свет. Астрономы, изучающие эволюцию галактик, обнаружили, что темная материя, тем не менее, доминирует над образованием крупномасштабных структур Вселенной, таких как скопления галактик.
Модель распределения темной материи во Вселенной 13.6 миллиардов лет назад.
Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17.
В последнее десятилетие наблюдения и гидродинамическое моделирование значительно способствовали нашему пониманию того, как развиваются массивные галактики, и в настоящее время предпочтение отдается двухфазному сценарию. На первом этапе массивные ядра современных галактик образуются в космологическое время от гравитационного коллапса вещества в галактику вместе с окружающим их гало темной материи. Звездообразование тогда увеличивает звездную массу галактики. Однако самые массивные галактики имеют вторую фазу, в которой они захватывают звезды из внешних областей других галактик, и как только их собственное звездообразование спадает, эта фаза доминирует над первой. Компьютерные модели и некоторые результаты наблюдений подтверждают этот сценарий.
Астрономы изучили около 3200 галактик, звездные массы которых больше, чем у Млечного Пути (примерно четыреста миллиардов солнечных масс). Используя анализ гравитационных линз, они обнаружили, что информация об истории массивных гало темной материи закодирована в звездных распределениях масс массивных центральных галактик. Среди других выводов, ученые видят, что для галактики той же массы, но которые имеют более протяженные формы, как правило, имеют более массивные гало темной материи. Результаты открывают новое окно для изучения того, как массивные галактики формируются и эволюционируют за космическое время.
Космологи, работающие над происхождением Вселенной, долгое время сталкивались с собственной темнотой, когда они пытались объяснить одну из величайших тайн астрономии. Она известна как темная материя, которая сама по себе является заполнителем чего-то неизвестного и до сих пор невидимого. Однажды она получит новое имя, но сегодня мы застряли на этом временном ярлыке.
В отличие от барионной материи темная материя не испускает и не поглощает свет или другие формы электромагнитной энергии. Астрономы знают, что она существует, потому что во Вселенной действуют значительные силы гравитации на объекты, которые мы можем видеть. Когда астрономы измеряли гравитационные эффекты, они посчитали, что темная материя составляет 23% всей Вселенной. Барионная материя составляет всего 4,6%. И еще одна космическая тайна, известная как темная энергия, составляет все остальное – колоссальные 72%!
Так что же такое темная материя? Откуда взялась? Где она сейчас? Как ученые изучают материал, когда они не видят его? И что они надеются получить, решая эту головоломку? Является ли тёмный вопрос секретом торможения стандартной модели физики элементарных частиц, или это будет фундаментально изменять то, как мы рассматриваем и понимаем мир вокруг нас? Так много вопросов, на которые нужно ответить. Мы начнем с самого начала.
НАЧАЛО
Одним из ключевых аспектов астрономов, которые надеялись измерить, была масса галактики. Но вы не можете просто взвесить что-то размером с галактику - надо найти массу другими способами. Один из методов - измерение интенсивности света или светимости. Чем ярче галактика, тем больше массы она обладает. Другой подход - рассчитать вращение тела или диска галактики, отслеживая, как быстро звезды в галактике движутся вокруг своего центра. Вариации скорости вращения должны указывать на области различной силы тяжести и, следовательно, на массу.
Когда астрономы начали измерять вращение спиральных галактик в 1950-х и 60-х годах, они сделали загадочное открытие. Они ожидали увидеть звезды вблизи центра галактики, где видимое вещество более сосредоточено, движущимися быстрее, чем звезды на краю. Вместо этого они увидели, что звезды на краю галактики имеют ту же скорость вращения, что и звезды вблизи центра. Астрономы наблюдали это сначала у Млечного Пути, а затем, в 1970-х годах, Вера Рубин подтвердила это явление, когда она сделала подробные количественные измерения звезд в нескольких других галактиках, включая Андромеду.
Следствие всех этих результатов указывало на две возможности: что-то было принципиально неправильным в нашем понимании гравитации и вращения, что казалось маловероятным, учитывая, что законы Ньютона выдержали много испытаний на протяжении веков. Или, скорее всего, галактики и галактические кластеры должны содержать невидимую форму материи, ответственную за наблюдаемыми гравитационными эффектами – темную материю. Когда астрономы сосредоточили свое внимание на темной материи, они стали собирать дополнительные доказательства ее существования.
НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ
Астрономы продолжали находить загадочную информацию, изучая дальние галактики Вселенной. Несколько бесстрашных ученых обратили свое внимание на галактические кластеры - узлы галактик, соединенные вместе гравитацией - в надежде найти месторождения горячего газа, которые ранее не были обнаружены, и которые могли бы объяснить, что за масса приписывается темной материи.
Когда они повернули рентгеновские телескопы, такие как рентгеновская обсерватория Чандра, к этим кластерам, они действительно нашли огромные облака перегретого газа. Однако недостаточного, чтобы объяснить расхождения в массе. Измерение давления горячего газа в галактических кластерах показало, что должно быть в 5-6 раз больше темного вещества, чем всех наблюдаемых звезд и газа. В противном случае в кластере не было бы достаточной силы тяжести, чтобы предотвратить утечку горячего газа.
Галактические кластеры предоставили другие сведения о темной материи. Заимствуя идеи из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, астрономы показали, что кластеры и сверхскопления могут искажать пространство-время своей огромной массой. Световые лучи, исходящие от отдаленного объекта за кластером, проходят через искаженное пространство-время, что заставляет лучи изгибаться и сходиться при движении к наблюдателю. Поэтому кластер действует как большая гравитационная линза, подобно оптической линзе.
Искаженное изображение удаленного объекта может отображаться тремя видами в зависимости от формы объектива:
Кольцо Эйнштейна - изображение появляется в виде частичного или полного круга света, известного как кольцо Эйнштейна. Это происходит, когда удаленный объект, галактика-линза и наблюдатель (телескоп) идеально выровнены.
Крест Эйнштейна – когда обширное или эллиптическое изображение разбивается на четыре изображения и появляется своего рода крест.
Кластер - изображение появляется как серия бананоподобных дуг .
Измеряя угол изгиба, астрономы могут вычислять массу гравитационной линзы (чем больше изгиб, тем массивнее объектив). Используя этот метод, астрономы подтвердили, что галактические кластеры действительно имеют большие массы, превышающие массы, измеренные по светимости вещества, и, как результат, представили дополнительные доказательства темной материи.
ИЗОБРАЖЕНИЕ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Когда астрономы свыклись с существованием, темной материи, они обратились к компьютеру, чтобы создать модели того, как может быть организовано это странное вещество. Они дали обоснованные догадки о том, сколько барионной и темной материи могло бы существовать во Вселенной, а затем позволить компьютеру нарисовать карту, основанную на этой информации. Моделирование показало темную материю как материал в виде паутины, переплетенный с регулярным видимым веществом. В некоторых местах темная материя сливалась в куски. В других местах она растягивался, образуя длинные нити, на которых галактики кажутся запутанными, как насекомые в паутине. Согласно компьютеру, темная материя может быть повсюду, связывая Вселенную, как какая-то невидимая соединительная ткань.
В некоторых случаях астрономы сопоставляют отдельные кластеры. Например, в 2011 году две команды использовали данные рентгеновской обсерватории Чандра и других инструментов, таких как космический телескоп Хаббла, для сопоставления распределения темной материи в галактическом кластере, известном как Abell 383, который расположен примерно в 2,3 миллиардах световых лет от Земли. Обе команды пришли к такому же выводу: темная материя в кластере не сферическая, а яйцевидная, ориентированная одним концом на наблюдателей. Так астрономы показали, что темная материя может быть обнаружена и успешно изображена.
В январе 2012 года международная команда исследователей опубликовала результаты еще более амбициозного проекта. Используя 340-мегапиксельную камеру на телескопе Канада-Франция-Гавайи (CFHT) на горе Мауна-Кеа на Гавайях, ученые изучали эффекты гравитационного линзирования 10 миллионов галактик в четырех разных областях неба в течение пяти лет. Когда они сводили все вместе, у них была картина темной материи, которая простиралась на 1 миллиард световых лет в пространстве - самая большая карта невидимого материала, созданного до настоящего времени. Их готовый продукт напоминал более ранние компьютерные симуляции и показал обширную паутину темной материи, простирающуюся поперек пространства и смешивающуюся с обычным веществом, о котором мы знаем уже много веков.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЧАСТИЦ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Последнее представляется маловероятной, но астрономы рассмотрели несколько кандидатов, которые они называют MACHO , или массивные компактные объекты гало . MACHO - большие объекты, которые находятся в гало галактиках, но избегают обнаружения, потому что они имеют низкие светимости. К таким объектам относятся коричневые карлики, чрезвычайно тусклые белые карлики, нейтронные звезды и даже черные дыры. MACHO, вероятно, несколько способствуют разгадке темной материи, но их просто недостаточно, чтобы объяснить всю темную материю в одной галактике или скоплении галактик.
Астрономы полагают, что темная материя состоит из совершенно нового типа материи, построенного из нового типа элементарной частицы. Сначала они рассматривали нейтрино, фундаментальные частицы, впервые постулированные в 1930-х годах, а затем обнаруженные в 1950-х годах, но поскольку у них такая небольшая масса, ученые сомневаются, что они составляют много темной материи. Другие кандидаты - это плоды научной фантазии. Они известны как СВМЧ (слабо взаимодействующие массивные частицы), и, если они существуют, эти частицы имеют массы в десятки или сотни раз больше, чем у протона, но так слабо взаимодействуют с обычным веществом, что их трудно обнаружить. СВМЧ могут включать любое количество странных частиц, таких как:
Нейтралино - Гипотетические частицы, похожие на нейтрино, но тяжелее и медленнее. Хотя они еще не были обнаружены, они являются лидерами в категории СВМЧ.
Аксионы - Маленькие, нейтральные частицы с массой менее миллионной доли электрона. Во время Большого Взрыва аксионы могли быть обильно произведены.
Фотины - подобны фотонам, каждый с массой больше протона. Фотины не заряжены и слабо взаимодействуют с веществом.
Ученые во всем мире продолжают агрессивно охотиться на эти частицы. Одна из их самых важных лабораторий - Большой адронный коллайдер лежит глубоко под землей в кольцевом туннеле длиной 16,5 миль, который пересекает франко-швейцарскую границу. В туннеле электрические поля ускоряют два протон-упакованных пучка до абсурдных скоростей, а затем позволяют им столкнуться, что рождает множество частиц. Цель экспериментов БАК заключается не в том, чтобы напрямую производить СВМЧ, а получать других частицы, которые могут распадаться на темную материю. Этот процесс распада, хотя и почти мгновенный, позволил бы ученым отслеживать изменения импульса и энергии, которые могли бы служить косвенным свидетельством совершенно новой частицы. Другие эксперименты включают в себя подземные детекторы, надеясь зарегистрировать частицы темной материи, пролетающие через Землю.
АЛЬТЕРНАТИВЫ
Не все ученые верят в существование темной материи. Несколько астрономов полагают, что законы движения и гравитации, сформулированные Ньютоном и расширенные Эйнштейном, возможно, должны быть пересмотрены. Если это так, то модификация силы тяжести, а не какая-то невидимая частица, может объяснить эффекты, приписываемые темной материи.
В 1980-х годах физик Мордехай Милгром предположил, что второй закон движения Ньютона (f = ma) следует пересмотреть в случаях галактических движений. Его основная идея заключалась в том, что при очень низких ускорениях, соответствующих большим расстояниям, был нарушен второй закон. Чтобы он работал лучше, он добавил новую математическую константу в знаменитый закон Ньютона, назвав модификацию МОНД или модифицированной ньтоновской динамикой. Поскольку Милгром разработал МОНД как решение конкретной проблемы, а не как фундаментальный принцип физики, многие астрономы и физики не воспринимают такую идею серьезной.
Кроме того, МОНД не может объяснить доказательства темной материи, обнаруженные другими методами, которые не связаны со вторым законом Ньютона, таким как рентгеновская астрономия и гравитационные линзы. Пересмотр в 2004 году теории МОНД, известный как ТВС (тензор-вектор-скалярная гравитация), вводит три разных поля в пространство-время, чтобы заменить одно гравитационное поле. Поскольку ТВС включает в себя относительность, он может вместить такие явления, как линзирование. Но это не уменьшило дебаты. В 2007 году физики протестировали второй закон Ньютона вплоть до -14 порядка и сообщили, что закон выполняется, без каких-либо необходимых изменений, что делает МОНД еще менее привлекательным.
Другие альтернативы рассматривают темную материю как иллюзию, вызванную квантовой физикой. В 2011 году Драган Хайдукович из Европейской организации ядерных исследований предложил, чтобы пустое пространство заполнялось частицами материи и антиматерии, которые являются не только электрическими противоположностями, но и гравитационными. При различных гравитационных зарядах частицы вещества и антивещества образуют гравитационные диполи в пространстве. Если бы эти диполи образовались вблизи галактики - объекта с массивным гравитационным полем – то гравитационные диполи стали бы поляризоваться и усиливать гравитационное поле галактики. Это объясняет гравитационные эффекты темной материи, не требуя новых и экзотических форм материи.
СУДЬБА ВСЕЛЕННОЙ
Если темная материя действует как космический клей, астрономы способны образование Вселенной. Теория большого взрыва утверждает, что ранняя Вселенная претерпела огромную экспансию и продолжает развиваться сегодня. Для того, чтобы гравитация объединила галактики вместе в скопления, должно быть большое количество массы, оставшейся от Большого Взрыва, особенно невидимая масса в форме темной материи. Фактически, суперкомпьютерное моделирование образования Вселенной показывает, что галактики, галактические кластеры и более крупные структуры могут в конечном итоге образоваться из агрегатов темной материи в ранней Вселенной.
Помимо создания структуры Вселенной темная материя может сыграть свою роль в ее судьбе. Вселенная расширяется, но будет ли она расширяться всегда? Гравитация в конечном итоге определит судьбу экспансии, а гравитация зависит от массы Вселенной; в частности, существует критическая плотность массы во Вселенной 10 в -29 степени г/см3 (что эквивалентно нескольким атомам водорода в телефонной будке), которая определяет, что может произойти.
Замкнутая вселенная. Если фактическая плотность больше, чем плотность критической массы, Вселенная будет расширяться, замедляться, останавливаться и сворачиваться обратно.
Плоская вселенная. Если фактическая плотность равна критической плотности массы, вселенная будет продолжать расширяться всегда, но скорость расширения будет все больше и больше возрастать с течением времени. Все во Вселенной со временем станет холодным.
Открытая вселенная. Если фактическая плотность меньше, чем критическая плотность массы, Вселенная будет продолжать расширяться без изменения ее скорости расширения.
Измерения массовой плотности должны включать в себя и темную материю. Поэтому важно знать, сколько темной материи существует во Вселенной.
Недавние наблюдения за движениями отдаленных сверхновых показывают, что скорость расширения Вселенной фактически увеличивается. Это открывает четвертую возможность, ускоряющую вселенную, в которой все галактики будут относительно быстро отходить друг от друга, и вселенная станет холодной и темной (быстрее, чем в открытой вселенной, но порядка десятков миллиардов лет). Что вызывает это ускорение, неизвестно, но ее называют темной энергией. Темная энергия еще более таинственна, чем темная материя - и еще один пример темноты в астрономии. Возможно, Вселенная будет еще долго хранить свои секреты
Эта теория мироздания, объясняющая многие парадоксы Вселенной, тёмной материи и гравитации.
До момента появления материи космос был пуст – абсолютно. В абсолютной пустоте ничего не распространяется – ни свет , ни радио, ни звуковые колебания – нет среды , которая передает колебания. После образования Вселенной появилась темная материя, состоящая из очень мелких частиц, имеющих массу, проникающих сквозь любую материю, невидимых, мало взаимодействующих с магнитными и электрическими полями, а также видимая часть материи – водород, гелий и др. В абсолютной пустоте вся материя за доли секунды может распространяться с любой скоростью, что и произошло , а внутри темной материи – видимая часть материи распространяется с максимальной – т.е. световой скоростью, которая зависит от структуры Темной материи.
В центре Вселенной создалось сильное давление разных видов материй, в результате чего Вселенная быстро расширяется во все стороны – в абсолютную пустоту, при этом с ускорением передвигая галактики и другую видимую часть материи. На 90 % Вселенная состоит из темной материи. Из -за давления внутри Вселенной Темной материи на материю, которую мы видим – создаётся эффект гравитации – т.е. большие предметы не притягивают маленькие, а наоборот мелкие предметы Темная материя прижимает к более крупным, за счет разницы давлений при прохождении Темной материи через крупные и более мелкие частицы видимой материи. Темная материя присутствует везде на Земле – она имеет очень мелкую структуру, проникает сквозь любое вещество , оказывая на него при этом давление, в зависимости от количества, плотности вещества и структуры ядер его атомов.
Чем сложнее ядра атомов и ближе друг к другу они расположены, тем большее давление на вещество оказывает Темная материя и тем больше соответственно у него вес (при одинаковом количестве атомов). Темная материя не проникает сквозь ядра атомов, а все пространство между атомами веществ заполнено темной материей. Свет – это разновидность электромагнитных колебаний, созданных в среде Темной материи, он не распространяется в абсолютной пустоте – мы видим галактики и звезды посредством колебаний с частотой света Темной материи . За пределами Вселенной или через пустоты в Темной материи мы ничего не увидим – нет среды передачи колебаний.
Читайте также: