Проблема «скрытой» массы (темная материя)

Приведем отрывок из научно-популярной книги по астрономии, поясняющий проблему темного вещества.

«...В сущности, как бы ни были мы уверены в своих наблюдениях, экспериментах, данных и теориях, приходится довольствоваться тем, что 85 % всей гравитации по Вселенной берется из неведомого загадочного источника, который не удается зарегистрировать никакими средствами из накопившегося у нас на данный момент инструментария по исследованию Вселенной. Насколько мы можем судить, этот источник состоит не из обычного вещества вроде электронов, протонов и нейтронов и не из той или иной разновидности вещества или энергии, которые с ними взаимодействуют.

Эту до обидного призрачную субстанцию мы прозвали «темным веществом»,

и на сегодня это одна из величайших космических неурядиц»1.

Темное вещество до сего дня является одним из открытых вопросов строения галактик. Темное вещество не проявляет себя ничем, кроме гравитационного взаимодействия. В составе некоторых галактик его доля может доходить до 90 % от общей массы, а в некоторых галактиках (например, карликовых) оно отсутствует в принципе.

Современная стандартная космологическая модель — A.CDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») — сокращение от Lambda cold dark matter, где А,-член — космологическая постоянная, введенная А. Эйнштейном в ОТО и отвечающая за темную энергию, т.е. предполагается расширение Вселенной с ускорением. В 1998 г. было доказано, что Вселенная расширяется с ускорением[1] [2], позднее за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисе были удостоены Нобелевской премии (2011).

Другие космологические модели:

  • • слоановская;
  • • волновая модель темной материии (МТМ);
  • • горячей темной материи и др.

Темная материя — неизвестная форма материи, содержащая примерно 27 % массы и энергии во Вселенной. Предсказал наличие темной материи в 1933 г. — Фритц Цвикки (Fritz Zwicky, 1898—1974).

Он заметил, что в созвездии Волосы Вероники (рис. 9.19) средняя масса галактик, полученная на основе их гравитационных эффектов, не отвечает средней массе, рассчитанной по светимости галактик в ночном небе. Практически 90 % массы как будто не было или она была невидима. Данную массу именовали темной материей.

Эта материя не излучает и не взаимодействует с электромагнитным излучением, что отражает ее название. Она проявляет себя в гравитационном взаимодействии (скрытая масса). Долю темной материи в составе Вселенной можно представить на рис. 9.20, который составлен на основе современных гипотез.

Рассмотрим в качестве наглядного примера аналитические действия для выявления темной материи на основе вычисления массы галактики.

Как «взвесить» спиральную галактику?

  • 1. Измерить скорость вращения v облаков газа на расстоянии г (рис. 9.21).
  • 2. Вычислить центростремительное ускорение облаков = v[2]/r.
  • 3. Приравнять ускорение к силе притяжения материи М внутри орбиты = GM/r2 (G — универсальная постоянная)
  • 4. Решить уравнение для М = rv2/G.

Рис. 9.19. Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (скриншот из электронного планетария Stellarium)

Рис. 9.20. Современное представление о составе Вселенной

В 1960-е гг, американский астроном Вера Рубин смогла подтвердить теорию Цвикки: скорость движения звезд и видимой материи в галактике Туманность Андромеды с удалением от центра растет.

Гравитационное линзирование (см, параграф 8.4) является следствием гравитационного влияния скрытой массы темной материи (как актуальная гипотеза, не только результат грав-действия черных дыр, галактик и их скоплений), (рис. 9.22).

Схема вращения спиральной галактики

Рис. 9.21. Схема вращения спиральной галактики

Рис. 9.22. Подтверждение линзирования

Темная материя вокруг нас

Структура спиральных галактик подробно представлена в параграфе 9.1 (см. рис. 9.4).

По результатам компьютерного моделирования темная материя занимает существенное пространство между галактиками (рис. 9.23).

Компьютерное моделирования космического пространства

Рис. 9.23. Компьютерное моделирования космического пространства:

— темная материя; HZ- — галактики

Претендентами на звание частиц темной материи являются:

  • • астрономические объекты (MACHOs — массивные астрофизические компактные гало-объекты):
    • — черные дыры;
    • — нейтронные звезды;
    • — коричневые, или бурые, карлики (brown dwarfs);
    • — белые карлики (?);
  • • элементарные частицы (WIMPs — слабо взаимодействующие массивные частицы):
  • — фотино (партнер, античастица фотона), гипотетическая нейтральная частица (без электрического заряда), тяжелая, участвующая в слабом взаимодействии. Скорость около 300 км/с;
  • — аксионы;
  • — фермионы (рис. 9.24).
Фермионы

Рис. 9.24. Фермионы

Для поисков темной материи использует детектор темной материи LUX (Large Underground Xenon), расположенный в пещере Дэвис, Южная Дакота (рис. 9.25)

Детектор темной материи

Рис. 9.25. Детектор темной материи

(?) Рассмотрите ряд существующих гипотез о существовании темной материи (например, из источников https://lenta.ru/news/2018/06/01/ universe и https://pronedra.ru/space/2016/12/22/otsutstvie-tyomnoj- materii). Напишите раскрытый ответ: какая точка зрения вам ближе, подробно разберите плюсы и минусы представленных мнений.

Скрытая масса является в каком-то смысле и философской категорией: «Это продолжение мировоззренческой революции Коперника. Теперь мы уже не только не в центре Вселенной, но и состоим из особого вещества, которое является лишь небольшой добавкой к основному компоненту Вселенной...» (профессор Бернард Садулейт, директор Центра астрофизических исследований частиц Калифорнийского университета в Беркли).

  • [1] Деграсс Тайсон Н. Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности. М. : ACT, 2016. С. 21.
  • [2] Riess, A. et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe anda cosmological constant // Astronomical Journal. 1998. 116. 1009. URL: http://inspirehep.net/record/470671.
  • [3] Riess, A. et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe anda cosmological constant // Astronomical Journal. 1998. 116. 1009. URL: http://inspirehep.net/record/470671.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >