Астрономия .Темная материя

Слайд 1

Слайд 2

Общее определение Тёмная мате́рия в астрономии и космологии , а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи , которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной материи затрудняет и, возможно, даже делает невозможным её прямое наблюдение. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам . Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы , которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик .

Слайд 3

История В истории науки встречались ситуации, когда движение небесных тел отклонялось от законов небесной механики ; как правило, это явление находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус B . В 1922 году астрономы Джеймс Джинс и Якобус Каптейн исследовали движение звёзд в нашей Галактике и пришли к выводу, что бо́льшая часть вещества в галактике невидима; в этих работах, вероятно, впервые появился термин «тёмная материя» . Ян Оорт использовал тот же термин в статье 1932 года. Широкое распространение термин получил после работ Фрица Цвикки , который употребил его в 1933 году в своей работе ] . Цвикки измерил радиальные скорости восьми галактик в скоплении Кома (созвездие Волосы Вероники ) и обнаружил, что для устойчивости скопления приходится предположить, что его полная масса в десятки раз больше, чем масса входящих в него звёзд. Вскоре другие астрономы пришли к таким же выводам для многих других галактик. Особенный интерес вызвала туманность Андромеды .

Слайд 5

Начиная с 1960-х годов, когда начался бурный прогресс наблюдательных средств астрономии, число аргументов в пользу существования тёмной материи быстро росло. При этом оценки её параметров, полученные из разных источников и разными методами, в целом согласуются между собой. Описанное выше неубывание скорости вращения звёзд оказалось не аномалией, а типичной ситуацией в мире галактик. При исследовании движения спутников галактик и близко расположенных шаровых скоплений было подтверждено, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу её звёзд. Было проведено изучение движения в системах двойных галактик и в галактических скоплениях. Оказалось, что в этих масштабах доля тёмной материи намного выше, чем внутри галактик. Звёздная масса эллиптических галактик , согласно расчётам, недостаточна для удержания входящего в галактику горячего газа, если не учесть тёмную материю. Оценка массы скоплений галактик, осуществляющих гравитационное линзирование , даёт результаты, включающие вклад тёмной материи и близкие к полученным другими методами.

Слайд 6

Большой вклад внесли в конце 1960-х и начале 1970-х годов астрономы Вера Рубин из Института Карнеги и Кент Форд — они были первыми, кто провёл точные и надёжные вычисления, указывающие на наличие тёмной материи. Рубин и Форд заявили на конференции Американского астрономического общества в 1975 году об открытии: большинство звёзд в спиральных галактиках двигаются по орбитам примерно с одинаковой угловой скоростью, что приводит к мысли, что плотность массы в галактиках одинакова и для тех регионов, где находится большинство звёзд ( балдж ), и для тех регионов (на краю диска), где звёзд мало. Похожий вывод был сделан независимо в 1978 году [9] . В 1980 году работа Рубин была окончательно признана астрономическим сообществом [10] [11] . Интересно, что сама Вера Рубин предпочитала модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) как причину найденного ей эффекта, замечая: «Если бы я выбирала, то я бы хотела открыть, что это именно ньютоновские законы должны быть изменены для правильного описания гравитационных взаимодействий на больших расстояниях. Это более привлекательно, чем Вселенная, наполненная новым типом субъядерных частиц» [12] .

Слайд 7

Данные наблюдений Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» ( барионным ) веществом, по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью , в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом , свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения . Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение не более 0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными [14] [15] [16] .

Слайд 9

Теории о тёмной материи Барионная материя Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому не обнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало , коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики , чёрные карлики — они же остывшие белые карлики, нейтронные звёзды , чёрные дыры . Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды , Q-звёзды и преонные звёзды , также могут являться частью барионной тёмной материи.

Слайд 10

Модифицированная ньютоновсксая динамика Модифицированная ньютоновская динамика ( MOND ) — физическая гипотеза, альтернативная теория гравитации , предлагающая изменение в законе тяготения Ньютона , объясняющее вращение галактик без привлечения тёмной материи . Когда постоянная скорость обращения внешних частей галактик была впервые обнаружена, это было неожиданно, так как ньютоновская теория гравитации предсказывает, что чем дальше объект от центра, тем меньше его скорость. Например, для орбит планет солнечной системы скорость убывает с увеличением расстояния до Солнца .