Доказательство существования Темной Материи

"Отбросьте все остальные факторы и тот, который останется, и будет единственно правильным"
Шерлок Холмс, Знак Четырех, А. Конан Дойл


Астрономы уже очень давно для познания Вселенной используют тот тип работы детектива, который вынесен в эпиграф этой статьи. Cо времен феноменального успеха Исаака Ньютона в объяснении движения планет при помощи его теории гравитации и законов движения в 1687 году, астрономы всегда использовали понятие некоей невидимой материи для объяснения загадочных результатов наблюдений космических тел.

Так, например, аномальное движение Урана привело астрономов к мысли, что есть некая невидимая планета, которую открыли несколькими годами позднее, в 1846 году и назвали Нептуном. Эта процедура - по прежнему основной метод, при помощи которого открывают планеты у далеких звезд.

Та же логика привела к открытию в 1862 году, тусклого белого карлика Сириус В у яркого Сириуса.


на фото: Сириус А и Сириус B в рентгеновском диапазоне

С другой стороны, попытки объяснить аномалии движения Меркурия при помощи неизвестной планеты Вулкан не принесли успеха. Решением стала Общая Теория Относительности Эйнштейна, которая усовершенствовала теорию Ньютона.

Сегодня астрономы столкнулись с подобной, хотя и гораздо более серьезной проблемой. В отличие от случая с Ураном, когда сила притяжения Нептуна добавляет доли процента на гравитацию, действующую на Уран, дополнительная сила, которая действует в случаях, описанных ниже - несколько сотен процентов! Не будет преувеличением сказать, что решение проблемы темной материи станет фундаментальным изменением нашего понимания Вселенной.

Ниже мы даем доказательство существования темной материи. Возможность того, что эти наблюдения могут быть объяснены при помощи изменения теории всемирного тяготения, обсуждаются в отдельной секции (Альтернативы Темной Материи).

Как взвесить спиральную галактику:

• Вычислить центростремительное ускорение облаков = v2/r
  
• Приравнять ускорение к силе притяжения материи M внутри орбиты = GM/r2 (G - универсальная постоянная)
  
• Измерить скорость вращения v облаков газа на расстоянии r
  
• Решить уравнение для M = rv2/G.
  

на рисунке: Определение гравитации галактики (Illustration: NASA/CXC)

Скорость вращения спиральных галактик.

Измерение ускорения материи, кружащейся по орбите вокруг некоего объекта - основной метод для определения его массы. Например, измерения центростремительного ускорения планеты на орбите вокруг Солнца на известном расстоянии, дает нам определение массы Солнца, которая нужна для создания такого ускорения.

Аналогично, астрономы могут измерить массу галактики, зная ускорение облаков на ее внешних границах. Первая работа в этой серии, проделанная Верой Рубин (Vera Rubin) и ее коллегами, показала, что к удивлению исследователей, требуемая масса спиральной галактики значительно больше, чем та, которую мы наблюдаем в виде звезд и газа. Почти в 5 раз больше!

Это открытие было подтверждено множеством последующих исследований, и общая картина, которую мы вывели из этих исследований - диск звезд и газа внедрен в большое сферическое гало из темной материи:

Анатомия Млечного Пути

• Сверхмассивная черная дыра в центре
  
• Тонкий диск со звездами, газом и пылью
  
• Шаровые скопления
  
• Облако Темной Материи, включающей в себя большинство массы Галактики.
  

на рисунке: более подробная схема структуры Млечного пути.

Горячий газ в эллиптических галактиках


У больших эллиптических галактик есть протяженные атмосферы из горячего газа, которые, как кажется, находятся в равновесии - давление горячего газа балансируется гравитационным притяжением всей массы галактики. Для измерения давления этого горячего газа можно использовать Чандру и другие рентгеновские телескопы, а наблюдения оптических телескопов помогут определить массу звезд.

Заключение: массы звезд и газа не достаточно, чтобы произвести нужную силу притяжения. Эллиптические галактики должны содержать в 5 раз больше массы в темной материи, чем та масса, которую дают все звезды и газ.

На рисунке: пример эллиптической галактики

Хаотичные движения звезд в карликовых галактиках

Карликовые галактики - тусклые, ничем не примечательные системы, в которые всего несколько миллионов звезд, но они играют важнейшую роль в понимании темной материи. Измерения хаотичных движений звезд в близких к нам галактиках-карликах показывают, что этим галактикам нужно значительно больше темной материи, чем обычным. Поэтому они могут быть лучшими местами для поиска рентгеновских или гамма-лучей, которые производятся аннигиляцией частиц темной материи.

На рисунке: пример карликовой галактики

Это сообщение отредактировал PoxerV - 24.04.2012 - 12:30

Горячий газ скоплений галактик

Первое упоминание размера проблемы темной материи встречается в исследовании Фритца Цвикки (Fritz Zwicky) в 1933 году. Цвикки занимался спорадическими движениями галактик в скоплении Волосы Вероники. Он обнаружил, что для удержания скопления галактик нужно от 10 до 100 больше тяготения чем то, которое могут произвести все наблюдаемые там звезды.

Одним из объяснений может быть так называемая "исчезнувшая материя" в форме горячего газа, который остается невидимым для оптических телескопов. И действительно, в последния 20 лет рентгеновские телескопы обнаружили в скоплениях галактик обширные облака газа, нагретого до многих миллионов градусов. Эти облака горячего газа увеличивают массу скопления, но их недостаточно, чтобы решить эту тайну.

Более того, наличие горячего газа в скоплениях галактик дает независимое подтверждение темной материи. Также как и с гигантскими эллиптическими галактиками, измерения давления горячего газа в скоплениях галактик показывают, что там должно быть в 5-6 раз больше темной материи, чем мы сейчас наблюдаем, чтобы удержать весь газ скопления.

На рисунке: пример скопления галактик

Скопления галактик как гравитационные линзы

Еще одна независимая серия доказательств существования темной материи указывает на доминирование Темной в скоплениях галактики. Согласно Общей Теории Относительности Эйнштейна, пространство искривляется в сильных гравитационных полях.

Одно из таких следствий искривления пространства может быть изгибание луча света, когда он проходит мимо скопления - примерно так же, как стеклянная линза преломляет свет. Изображения галактик искажены этим эффектом "гравитационной линзы", изгиб тем больше, чем больше масса скопления. Этот метод дает оценки количества темной материи, которые хорошо согласуются с рентгеновскими наблюдениями.

На рисунке: схематическое изображение, эффекта гравитационной линзы

Это сообщение отредактировал PoxerV - 24.04.2012 - 12:34

а вот и само фото, как наглядный пример:

Флуктуации реликтового излучения

Реликтовое излучение показывает нам, какой была Вселенная, когда ей было всего несколько тысяч лет, задолго до того, как сформировались галактики и скопления галактик. В это время Вселенная представляла собой расширяющийся газ, состоявший главным образом из протонов, электронов, фотонов, нейтрино и темной материи.

Интенсивность микроволнового излучения была практически одинаковой по все направлениям, но в то же время не совершенно одинаковой - были обнаружены небольшие, буквально в доли процента вариации. Эти различия или флуктуации образовались вследствие того, что комки матрии были немного горячее или холоднее, чем в среднем.

Можно вычислить, насколько сильно эти комья материи могли вырасти в горячий расширяющийся газ, представляющий собой смесь различных фотонов, протонов, нейтрино и темной материи. Сравнение подобных вычислений с наблюдениями микроволнового фона (особенно космическим аппаратом WMAP) с другими данными показывает, что во Вселенной в 6 раз больше темной, чем обычной материи.

Итог: Количество темной материи:
Многие доказательства показывают, что масса темной материи в галактиках, скоплениях галактик и всей Вселенной в 5 или 6 раз больше, чем масса обычной барионной материи - протонов и нейтронов.

Хотя доказательство существования темной материи широко и глубоко, тем не менее, оно непрямое и основано на предположении, что применимы законы движения и гравитации в том виде, как они сформулированы Ньютоном и расширены Эйнштейном. Альтернативой является возможность модификации теории гравитации так, чтобы объяснить эффекты, приписываемые темной материи. Основная идея здесь в том, что при очень маленьких ускорениях, которые соответствуют очень большим расстояниям, обычный закон всемирного тяготения работает не совсем так, как мы представляем.

Наиболее изученной модификацией является так называемая Модифицированная Ньютоновская Динамика или MOND. Согласно этой гипотезе, сила притяжения между объектами падает обратно пропорционально не квадрату, а первой степени расстояния. С таким предположением для объяснения наблюдаемого вращения внешних слоев галактик, требуется значительно меньшая масса, чем в теории Ньютона-Эйнштейна. Устанавливая различные параметры этой теории, можно полностью исключить необходимость присутствия темной материи.

Хотя MOND и добилась некоторого успеха в объяснении результатов наблюдений галактик, эта и другая теории модифицированного закона всемирного тяготения имеют большие трудности с результатами наблюдений скопления галактик 1E0657-56, или скопления Пуля.

На снимке показан горячий газ, создающий рентгеновское излучение, и оптический свет от звезд в скоплении галактик (оранжевым и белым). Рентгеновские наблюдения показывают, что скопление Пуля состоит из двух скоплений, которые сталкиваются на высокой скорости (изображение ниже)

Используя метод гравитационных линз, астрономы поняли, что общая масса, сконцентрированная в скоплениях (синим), отличается от положения горячего газа. Это разделения по всей видимости произошло при столкновении на высокой скорости, в которой частицы газа сталкивались друг с другом, а звезды и темная материя прошли насквозь. И этот результат нельзя объяснить альтернативным законом всемирного тяготения, что дало первое прямое доказательство существования темной материи в скоплении Пуля. Хотя такие яростные столкновения скоплений галактик - редкость, есть еще одно подобное столкновение, в котором наблюдается та же картина - MACS J0025.4-122.

Это сообщение отредактировал PoxerV - 24.04.2012 - 12:38

В свете таких убедительных доказательств того, что большинство материи во Вселенной - Темная, самым насущным вопросом современной астрофизики является следующий - Что же такое эта самая Темная Материя?

На этот вопрос ответа еще пока нет, но со все возрастающей уверенностью можно сказать, чем она точно не является. Детальные наблюдения фонового реликтового излучения спутником WMAP показывают, что темная материя не может быть некоей формой обычной, барионной материи - протонов и нейтронов, которые образуют звезды, планеты и межзвездную материю. Это касается также горячего и холодного газа, коричневых карликов, красных и белых кардиков, нейтронных звезд и черных дыр.

Черные дыры могли бы показаться идеальным кандидатом на роль темной материи - они действительно очень темные. Но черные дыры звездной массы создаются коллапсом массивных звезд, которых значительно меньше, чем обычных, содержащих по крайней мере одну пятую массы темной материи. Также процессы, которые создадут черных дыр в количестве, достаточном для объяснения темной материи, произведут огромное количество энергии и тяжелые элементы. Подтверждения такой гипотезе нет.

Небарионные кандидаты могут быть сгруппированы в три широкие категории - горячую, теплую и холодную. Горячая темная материя относится к частицам - таким, как известные типы нейтрино, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, когда комки материи, из которых потом образуются первые галактики и скопления галактик, только начали формироваться. Холодная темная материя относится к частицам, которые двигались медленно в тот же период жизни Вселенной, а теплые - со средней скоростью.

Эта классификация должна иметь подтверждение на основе наблюдений размера куч материала, которые могли бы сжиматься в расширяющейся Вселенной. Горячие частицы темной материи движутся так быстро, что комки массой с галактику должны были быстро рассеяться, смогли бы сформироваться только облака с массой в тысячи галактик - размером с целое скопление галактик. Отдельные галактики сформировались бы позднее, при дефрагментации облаков размером со скопление, в процессе сверху - вниз.

Холодная же темная материя, напротив, смогла бы сжаться в комья размером с галактику или меньше. Тогда галактики объединялись бы в скопления в процессе снизу-вверх.

Наблюдения Чандры показывают много примеров, когда скопления создаются слиянием групп и малых скоплений. Это, как и другие доказательства, показывает, что галактики старше, чем группы и скопления и являются сильным аргументом, подтверждающим гипотезу холодной темной материи.

Главные кандидаты на частицы холодной темной материи - т.н. WIMPs, Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы. WIMPs не предсказываются Стандартной Моделью, но все попытки создать универсальную теорию всех элементарных частиц предполагают, что WIMPs создавались в огромных количествах, когда Вселенной было всего доля секунды от роду.

Типичная WIMP, согласно прогнозам, должна быть в 100 раз массивнее, чем атом водорода. Воображаемый зоопарк частиц мог бы пополниться такими WIMPs как нейтралино, гравитино, и аксино. Еще одна гипотеза - что существуют некие стерильные нейтрино, а также отклонения Калуза-Клейна, дающие дополнительные измерения Вселенной.

Это сообщение отредактировал PoxerV - 24.04.2012 - 12:42

Несмотря на убедительные доказательства, проблема в том, что пока мы не обнаружим сами частицы темной, мы не можем быть полностью уверены в ее существовании, или, может, все-таки наши законы гравитации нужно модифицировать.

Многие исследования разворачиваются вокруг двух типов экспериментальных поисков темной материи - прямое обнаружение ее частиц при помощи детектора особого типа, или же прием рентгеновских или гамма-лучей, образовавшихся после аннигиляции частиц темной материи.

Если WIMPs (Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы) - все-таки темная материя, мы, должно быть, просто купаемся в ее море, и миллиарды этих частиц пронизывают нам каждую секунду. Проблема их обнаружения - именно в слабом взаимодействии этих частиц. К сожалению для нас, большинство из них соверщенно спокойно проходят не только через наши тела, но и через всю Землю.

Тем не менее, есть вероятность, что WIMP сможет столкнуться с атомом и слегка оттолкнуть его ядро, что создаст микроскопическую вибрацию в сверхохлажденном кристаллическом детекторе. Пока самые чувствительные из экспериментов, Криогенный Поиск Темной Материи, который находится на глубине в полмили в старой шахте в Миннесоте, не смог обнаружить ни одной WIMPs. Потом планируются боле чувствительные эксперименты.

Эксперимент "Криогенный Поиск WIMPS" в Беркли

Аксионы можно обнаружить методом прямых наблюдений, используя различные методы. Эти гипотетические частицы должны взаимодействовать с сильным магнитным полем и создавать радиоволны. Такие эксперименты как Эксперимент Аксионной Темной Материи, пока приносит только разочарования. Планируются новые эксперименты в ближайшем будущем.

Еще один подход к обнаружению темной материи по косвенным признакам - наблюдение уникальных следов их распада. Большинство теорий предсказывают, что когда сталкиваются WIMPs, они аннигилируют и производят ливень из высокоэнергетических частиц и излучения. Одна из самых важных программ НАСА - гамма-телескоп Ферми - занимается поиском гамма-лучей, получившихся после аннигиляции WIMPs или взаимодействия аксионов с сильным магнитным полем в ядрах галактик. Чандра или большой рентгеновский телескоп в будущем также могут обнаружить распад стерильных нейтрино в рентгеновские лучи.


Вместо того, что использовать пассивный подход, наблюдая частицы темной материи в лаборатории напрямую или по косвенным признакам - путем астрономических наблюдений, некоторые физики предлоагают ее создавать. Так как частицы темной материи, скорее всего, были созданы в течение нескольких первых наносекунд после Большого Взрыва, когда температуры достигали квадриллиона градусов, ускоритель частиц, который смог бы воспроизвести такие условия, возможно, смог бы и создать частицы темной материи.

Большой Адронный Коллайдер - самый большой и высокоэнергетический ускоритель заряженных частиц, начал работать в 2009 году.

Массовый поиск новых частиц разных типов был предпринят на Теватроне - коллайдере лаборатории Ферми, и пока без успеха. Физики продолжают надеяться на стартовавший Большой Адронный КОллейдер в ЦЕРНЕ, Швейцария, который стал самым мощным ускорителем частиц, сталкивая протоны с энергиями до 10 триллионов электрон-вольт, достаточных для обнаружения многих предсказанных частиц темной материи.

на фото: столкновение частиц

Так или иначе - многие физики и астрономы остаются оптимистами, считая, что окончательное подтверждение существования Темной Материи будет получено в течение нескольких следующих лет. А если нет, тогда загадка, с которой они столкнулись сейчас, окажется гораздо глубже.

Всё. Позаимствовал отсюда
http://www.nebulacast.com/2012/04/blog-post_6099.html
http://www.nebulacast.com/2012/04/2.html
http://www.nebulacast.com/2012/04/blog-post_21.html
http://www.nebulacast.com/2012/04/blog-post_23.html
http://www.nebulacast.com/2012/04/blog-post_24.html
и кое-че с вики.

Это сообщение отредактировал PoxerV - 24.04.2012 - 12:46

В очередной раз убеждаюсь, что ни хрена мы не знаем, как устроена Вселенная. И скорее всего никогда не узнаем.

Ну, Покс, ну грузанул Интересно, но труднодогоняемо

Не могу полностью согласиться с данным постом. Ведь псевдогравитационная ионная масса планетарных тел, при спиралевидном ускорении движения массы обоих центров галактик, воздействует на центробежный (а в некоторых случаях - антицентробежный) вектор уклонения нематериальных тел, который никак нельзя назвать константой. По-моему, это даже школьнику понятно.

Что это за астрономический винегрет?!
Какая бездарная копипаста всего подряд!
Как человек увлекающийся астрономией ответственно заявляю...

У меня вопрос, на четвертой фоте/графике (сломавших не считаю), солнечная система изображена ближе к центру галактики. Я считал что солнечная система расположена на окраине млечного пути, я ошибался? Или это условное схематичное изображение?