О темной материи во Вселенной

Лишь малая часть Вселенной состоит из видимой материи. Гораздо большая часть невидима и состоит из темной материи и темной энергии. О темной энергии известно очень мало, но существует множество теорий и экспериментов о существовании, направленных на поиск этих пока еще неизвестных форм. Ученые  выдвинули новую теорию о том, как темная материя могла образоваться вскоре после возникновения Вселенной.

Темная материя присутствует во всей Вселенной, образуя галактики и крупнейшие известные структуры в космосе.

Считается, что темная материя составляет приблизительно 27 процентов известной Вселенной, а обычная материя составляет всего 4 процента.

Остальные 69 процентов, как полагают, состоят из темной энергии. Поскольку темная материя слабо взаимодействует с нормальной, ее присутствие доказывается гравитационным воздействием на видимые тела, такие как звезды, галактики и скопления галактик.

Согласно наиболее широко принятой модели, совместное движение Земли, Солнца и самой Галактики приводит к ветру темной материи.  Для наблюдателя на Земле более конкретно, ветру слабо взаимодействующих частиц аксион, гипотетических частиц, которые, как считается, составляют темную материю.

В настоящее время в научном сообществе существует широкий консенсус относительно существования темной материи.

Ученые о существовании темной материи

Пионером статистических исследований движения звезд был польский астроном Мариан Ковальский. В 1859 году он заметил, что движение ближайших звезд не может быть объяснено только движением Солнца. Это было первое наблюдательное свидетельство, свидетельствующее о вращении Млечного Пути. Таким образом, Ковальски – это человек, который “потряс основы” Галактики.

Первые доказательства были найдены в 1933 году в исследованиях скорости вращения галактик швейцарским астрономом Фрицем Цвикки (1898-1974).  Цвикки понял, что скорости вращения галактик были выше, чем они должны были быть в соответствии с наблюдаемой светящейся массой, и предположил, что гравитационный вклад другого вида материи, который он назвал  “темная материя” должен влиять на эти скорости. Он проанализировал движения структуры в скоплении галактик Кома с использованием нескольких методов. Затем он заметил, что они двигались так, как будто вокруг них было гораздо больше материи, чем наблюдалось астрономами.

Вера Рубин

Вера Рубин

В 1970-х годах американский астроном Вера Рубин (1928-2016) подтвердила гипотезу Цвикки в систематическом исследовании скорости вращения галактик. Строгие расчеты Рубиной, подтвержденные последующими исследованиями, показали, что соответствующие галактики должны содержать по крайней мере в пять-десять раз больше темной материи, чем обычная.

Сегодня, основываясь на скорости вращения галактик и других данных, таких как гравитационное линзирование, впервые предложенное в теории гравитации Эйнштейном, и фоновое микроволновое излучение, принятые пропорции для состав Вселенной составляет:

  •  примерно 4 процента нормальной материи;
  • 27 процентов темной материи;
  • 69 процентов темной энергии.

Если существование темной материи широко признано, то теперь главное – определить, из чего она состоит и как взаимодействует.

Темная материя впервые была предложена для объяснения движения звезд внутри галактик и галактик внутри галактических скоплений.

Астрономы считают, что во Вселенной должно быть почти в 5,5 раз больше темной материи, чем обычной, как показывают измерения фонового микроволнового излучения. Но природа темной материи до сих пор неизвестна.

Что это за темная материя?

Она не взаимодействует с электромагнетизмом—силой между положительно и отрицательно заряженными частицами. Она отвечает практически за все, что мы можем наблюдать в повседневной жизни—за исключением гравитации.

Электромагнитные силы, существующие между атомами и молекулами в земле, являются причиной того, что гравитация Земли не тянет нас вниз к ее (расплавленному горячему) ядру. Свет, излучаемый компьютером, позволяет читать эту историю путем генерации и взаимодействия электрически заряженных частиц в вашем мониторе, иначе известных как электричество.

Обычная материя выглядит как обычное вещество из-за электромагнитных сил между атомами и молекулами.

Но темная материя не взаимодействует с электромагнетизмом. Это значит, что мы не можем видеть, понюхать, попробовать на вкус или потрогать. Итак, если темная материя практически не обнаруживается, почему мы думаем, что она существует?

И что, черт возьми, мы ищем?

Гравитация Вселенной

Начнем с основного предположения—гравитация существует. Наряду с электромагнетизмом гравитация является одной из четырех основных сил, которые физики используют для объяснения почти всего. Гравитация говорит, что тяжелые вещи притягивают все другие тяжелые вещи, поэтому гравитационное притяжение Земли-причина, по которой мы все не плаваем бесцельно в космосе.

Если мы всмотримся во все это пространство, то увидим, что наша галактика Млечный Путь имеет спиральную форму. В центре галактики есть большая выпуклость в форме бруска, из которой спиралевидные руки змеятся в плоском направлении. Земля находится где – то в середине одного из этих рукавов и завершает один круг галактики каждые 225-250 миллионов лет.

Если мы представим себе всю Вселенную как гигантский парк развлечений, мы можем представить себе наш Млечный Путь как карусель. В отличие от обычных каруселей, которые имеют пластиковые пони, закрепленные на месте полюсами, звезды, луны и планеты, составляющие нашу галактику, разъединены и свободно вращаются с разной скоростью. Итак, если все разобщено и вращается, что же заставляет нас аккуратно вращаться по нашей маленькой спирали? Что ж если мы продолжим аналогию с тематическим парком, мы можем уподобить это явление прогулке на качелях. Когда вы раскачиваетесь в кресле вокруг башни, металлическая цепь создает постоянную силу в центре аттракциона, которая заставляет вас вращаться вокруг этого центрального полюса.

То же самое происходит и в космосе, только вместо цепи у нас гравитация.

Гравитация обеспечивается массой вещества, в частности, массой нашего галактического центра, который ученые считают сверхмассивной черной дырой. Он имеет такую большую массу в таком малом пространстве, что оказывает гравитационное воздействие. Сила настолько высока, что поглощает свет.

Что известно и неизвестно о темной материи

Что известно:

  1. Мы можем наблюдать его последствия.

Хотя мы не можем видеть темную материю, мы можем наблюдать и измерять ее гравитационные эффекты.

Наблюдалось, что галактики вращаются гораздо быстрее, чем ожидалось, исходя из их видимой материи, и галактики движутся быстрее в скоплениях, чем ожидалось, поэтому ученые могут вычислить “недостающую массу”, ответственную за это движение.

  1. Она обильна.

Она составляет около 85 процентов от общей массы Вселенной и около 27 процентов от

общей массы и энергии Вселенной.

  1. Мы знаем больше о том, чем не является темная материя.

Все более чувствительные детекторы снижают возможную скорость, с которой частицы материи темной метки могут взаимодействовать с нормальной материей.

Что неизвестно

  1. Состоит ли он из одной частицы или из многих частиц?

Может ли темная материя состоять из целого семейства частиц, таких как теоретически “скрытая долина” или “темный сектор”?”

  1. Существуют ли силы действующие на темную материю?

Существуют ли силы за пределами гравитации и другие известные силы, которые действуют на эту форму веществ, и может ли она взаимодействовать сама с собой?

  1. Существует ли темная антиматерия?

Может ли она иметь аналог антиматерии, как и нормальная материя, и существует ли подобный дисбаланс, который благоприятствует темной материи над “темной антиматерией”, как и в случае с нормальной материей-антиматерией?

Новая теория происхождения темной материи

Нынешнее предположение состоит в том, что темная материя является космологическим реликтом, который, по существу, остается стабильным с момента его создания.

Астрономы, изучающие эволюцию галактик во Вселенной, обнаруживают, что темная материя проявляет гравитацию и, поскольку она настолько обильна, она доминирует в формировании крупномасштабных структур во Вселенной, таких как скопления галактик. Темную материю трудно наблюдать непосредственно, само собой разумеется, и это не показывает никаких признаков взаимодействия с самим собой или другой материей, кроме как через гравитацию, но, к счастью, это можно проследить, моделируя чувствительные наблюдения за распределением Галактик в различных масштабах.

Темная материя – это метко названная невидимая материя, которая составляет основную массу материи в нашей Вселенной.

Но из чего состоит темная материя – вопрос спорный, вроде бы из аксион.

Ученые никогда непосредственно не обнаруживали темную материю. Но на протяжении десятилетий они предлагали различные теории о том, какой тип материала—от новых частиц до первичных черных дыр может содержать темную материю и объяснять ее многочисленные эффекты на нормальную материю.темная материя

Самая старая из теорий, восходящая к 1980-м годам, и в настоящее время является стандартной моделью. Теория утверждает, что темная материя состоит из относительно массивных, медленно движущихся частиц аксионов со “слабо взаимодействующими” свойствами. Это помогает объяснить уникальную крупномасштабную структуру Вселенной, например, почему галактики имеют тенденцию собираться в большие группы.

Темная материя – это форма предполагаемая в астрономии и космологии для объяснения значительной части массы, которая, по-видимому, присутствует во Вселенной. Её нельзя увидеть непосредственно в телескоп; очевидно, она не излучает и не поглощает свет или другое электромагнитное излучение на сколько – ни будь значительном уровне. В противном случае предполагается, что это просто материя, которая не реагирует на свет.