Mračna materija: Što znamo i kako znamo

Iako nismo sigurni što je zapravo tamna tvar, znanost je razvila nekoliko pouzdanih metoda da zaključi o svojoj prisutnosti i položaju. Možda ne znamo što je to, ali znamo da je tamo i gdje je 'tamo'.

Unatoč svom napretku u znanosti, fizici i astronomiji, još uvijek ne znamo što je oko 80% -90% materije u svemiru. Ali ovo nije potpuno beznadna situacija, znamo mnogo o ovoj tajanstvenoj tvari, privremenom nazvanoj tamnoj materiji. Na primjer; znamo da je tamo i znamo gdje je.

Prije nego što istražimo metode koje su nam omogućile zaključak postojanja tamne materije, prvo utvrdimo na što mislimo kad kažemo „tamna materija“. Pod ovim pojmom podrazumijevamo materiju koju ne možemo vidjeti - ili zato što je ona zatamnjena prašinom i plinom, previše je nejasna za gledanje ili ne apsorbira i emitira fotone na način na koji doživljavamo svakodnevne materije oko nas ,

Otprilike 15% mase materije koju ne možemo vidjeti barionska tvar - vrsta materije koja nas svakodnevno okružuje - koja je zatamnjena ili pretamna da bi se vidjela. Ostalih 80–90% je nešto što ne doživljavamo u svakodnevnom životu; ili ako jest, ponaša se na način koji nam je tuđi.

Možemo biti prilično sigurni da je nebarionski - nije sastavljen od protona i neutrona - mračan je jer ne utječe na fotone.

To je ne blistavo, ne-barionsko tvar o kojem uglavnom govorimo kada kažemo „tamna materija“ i to je definicija koju ćemo koristiti u naprijed. Također, vrijedi naglasiti - ne znamo što je to.

To, međutim, ne znači da smo potpuno u mraku. Znamo da je ta masa tamo, možemo zaključiti njezinu prisutnost gravitacijskim učinkom koji ima na materiju koju možemo vidjeti. Također smo u mogućnosti utvrditi neke karakteristike ove tamne materije.

Znamo da nema interakcije sa svjetlošću. Znamo da prolazi kroz drugu materiju i tamnu materiju kao da je nema ni tamo.

I dalje ostaje pitanje, kako možemo biti sigurni da tamo doista treba otkriti nešto? Postoji li tamna tvar uopće ili je moguće da bismo umjesto toga mogli pogriješiti svoje teorije gravitacije na velikim skalama?

Nestala masa: Kako znamo da postoji tamna tvar

Potrebu za nekom drugom 'nevidljivom' masom u Svemiru prvi je potaknuo Fritz Zwicky 1933. Nakon što je proučavao skupinu galaksija Coma, Zwicky je tvrdio da većina gravitacijske mase u tom klasteru nije u obliku zvijezda i plina, ali u nekom tamnom obliku, prepoznatljiv samo kroz svoje gravitacijske efekte.

Fritz Zwicky; otac tamne materije (Švicarsko fizičko društvo)

Zwicky - švicarski astronom koji je veći dio svog radnog vijeka proveo na Califonia Institute of Technology (CalTech) u SAD-u - koristio je metodu poznatu kao teorem virusa za zaključivanje gravitacijske mase klastera Coma, otkrivši da je kombinirana masa zvijezda i plin u sustavu jednostavno nije bio dovoljno velik da ga gravitacijski drži zajedno.

Osnova teorema virusa jest da je jačina gravitacijske energije unutar sustava jednaka dvostrukoj kinetičkoj energiji. Koristeći to kao polaznu točku, relativno je lako izračunati masu sustava ako znate njegovu brzinu - koja se može mjeriti pomoću Doplerovih pomaka.

Najjači potporni dokazi postojanja tamne materije potječu od mjerenja krivulje rotacije spiralne galaksije NGC 1560.

Naravno, rezultat poput Zwickyja treba ponoviti na druge načine. Srećom imamo nekoliko različitih tehnika za određivanje mase galaksija i galaktičkih klastera.

Dokaz o masi galaksije pruža se i gravitacijskim lećanjem. Einsteinova teorija opće relativnosti predviđa da masa iskrivljava samu tkaninu prostora-vremena. Što je veća masa, to je i veće ratovanje. Najlakši način za objašnjenje ovoga je zamišljanje postavljanja različitih ponderiranih predmeta na istegnutu gumenu ploču i gledanje rezultiranog savijenog stvorenog u limu.

Osnovni prikaz gravitacijskog leća

Čak i svjetlost prati ta odstupanja, što znači da je svjetlost iz dalekih galaksija zakrivljena dok prolazi kroz druge galaksije i galaktičke nakupine. Stupanj zakrivljenosti je pokazatelj veličine posredovane mase.
To rezultira da se galaksije pojavljuju raseljene ili čak u ekstremnim slučajevima koje se pojavljuju na više točaka na nebu zbog različitih putova kojima svjetlost prolazi do Zemlje.

Najjači potporni dokazi za sadržaj tamne tvari nalaze se u lokalnom Svemiru. Brzina rotacije spiralnih galaksija može se koristiti za zaključivanje mase zatvorene u toj galaksiji. Brzina zvijezda i plina galaksije izražena kao funkcija polumjera spirale poznata je kao krivulja rotacije.

Da nema tamne materije, krivulja rotacije bi se slagala s predviđanjima koja su napravljena od zvijezda i plinova. Na donjem dijagramu prikazana je izmjerena krivulja rotacije spiralne galaksije NCG 1560. Doprinosi brzinama ukupne mase gasa i zvijezda nisu dovoljni da objasne ukupnu krivulju rotacije.

Rotacijska krivulja NGC 1560. Točke podataka pokazuju promatrane brzine. Isprekidana krivulja pokazuje predviđeni doprinos brzinama iz mase zvijezda. Točkasta linija prikazuje doprinos brzinama iz mase plina. To nije dovoljno za objašnjenje uočenih brzina. Crta-iscrpna linija potreban je doprinos tamne materije (Serjeant, 2010)

Čak i ako ovo shvatimo kao jasan dokaz nestale mase u Svemiru, skepticima se može postaviti pitanje: „Zašto to znači da masa mora biti u nekom obliku kojeg mi nismo svjesni? Nije li moguće da ta masa jednostavno nije blještava barionska tvar? Što ako postoje neke mane u našem razumijevanju gravitacije? Što ako je to stvar zatvorena u crnim rupama? "

Činjenica da plin u galaksiji i tamna tvar te galaksije zauzimaju isti prostor implicira da bi mogla doći do revizije gravitacijskih teorija koje bi mogle ukloniti potrebu za tamnom materijom. Izdvojeno je nekoliko revidiranih verzija newtonske mehanike poput Modificirane newtonske dinamike (MOND).

Da bismo potvrdili potrebu za tamnom materijom i odbacili MOND i ekvivalentne alternativne hipoteze, morali bismo promatrati situaciju u kojoj su plin i tamna tvar razdvojeni. Srećom, takav scenarij omogućen je sudarima klastera galaksija, kao što je onaj detaljniji u nastavku.

Skup metaka: izravni empirijski dokazi o tamnoj materiji

Prisutnost tamne materije poticala je njezinim gravitacijskim efektima kao što je detaljnije opisano gore, ali potreba za novim oblikom materije, a ne revizijom našeg trenutnog razumijevanja, osigurava se promatranjem galaksije 1EO657-558 ili Bullet Cluster-a.

Bullet cluster je ostatak dva podgrupa koja su se sudarila prije otprilike 100 milijuna godina. Rendgenski pregled metak sa skupinama metaka pokazuje da će se unutar potkupnog plina uhvatiti između potklastera, ponašajući se onako kako očekujemo. Stisnuti su zajedno i usporavaju svoj napredak prema rubovima nakupine.

Promatranja učinjena gravitacijskim lećanjem pokazuju da su se dominantne mase u grupi Bullet ponašale drugačije prema plinu. Ta se masa odvojila od intraklasterskih plinova. Zapravo možemo vidjeti da su nakupine tamne materije prolazile kroz drugi materijal, pa čak i međusobno i tvore dva "vrha".

Slike (Lambourne, Jones, Serjeant (2009))

Ovo se ponašanje ne može objasniti modificiranom teorijom gravitacije. Barijenske materije također ne mogu prikazati ovu sablasnu fazu. Tamna materija postoji. Ali gdje je to?

Lov je uključen: metode pronalaženja tamne materije

Da bismo locirali tamnu tvar, okrenućemo se Einsteinu i njegovoj teoriji opće relativnosti, točnije, koristimo slabo gravitacijsko sočivanje. U ovom slučaju tražimo izobličenja uzrokovana dalekim pozadinskim galaksijama intervenirajući tamnom materijom.

Da biste to opisali uporabom svakodnevne analogije, zamislite zurenje u dno bazena koji na sebi ima uzorku rešetke. Ako je bazen još uvijek, vidjeli biste rešetku otprilike kao što je na dnu bazena. Ako je površina vode uzburkana, vidjet ćete da je rešetka iskrivljena i da se lomi.

Staviti ovo na kozmološku ljestvicu; možemo zamisliti polje savršeno kružnih galaktičkih klastera koje gledamo kroz mrežu tamne materije. Izobličenja u obliku grozdova ukazuju na prisustvo tamne materije, što je veća distorzija veća koncentracija tamne materije. Ova izobličenja nazivaju se kozmičkim smicanjem.

(A. Refrieger, Sveučilište u Cambridgeu)

Iako su izvan ove hipotetičke situacije galaksije rijetko savršeno kružne, ako ikad, a stvarno je smicanje vrlo malo, astronomi mogu procijeniti izobličenje u nekoliko galaksija usko smještenih na nebu.

Shema mliječnog puta prikazuje halo tamne materije (siva), globularne nakupine (crveni krugovi), debeli disk (tamno ljubičast), zvjezdani disk (bijeli), zvjezdani ispupčenje (crveno-narančasto) i središnju crnu rupu. Zvjezdani disk je promjera oko 100 000 svjetlosnih godina. Tamni se halo proteže do promjera od najmanje 600 000 svjetlosnih godina. (NASA / CXC / M. Weiss)

U slučaju vlastitog Mliječnog puta, uspjeli smo utvrditi da tamna tvar postoji u kosoj halo oko diska naše galaksije. Uspjeli smo utvrditi da je njegova masa otprilike 10 ² solarne mase, 10 puta veća od zvijezda Mliječnog puta i 100 puta veća od mase plina i prašine. Iz ovoga možemo biti sigurni da gravitacijski utjecaj tamne materije drži našu galaksiju i druge zajedno.

Iako ne znamo točno što je tamna materija, postoji mnogo toga što znamo i još više toga možemo zaključiti. Desetljeća koja obećavaju da će riješiti jednu od najvećih misterija znanosti, priroda tamne materije vjerojatno će se otkriti, možda će nam odgovor ostaviti još pitanja.