С полным набором доказательств от темной материи не убежать.
«Космическая тайна огромных масштабов, которая когда-то, казалось, была на грани разгадки, углубилась и оставила астрономов и астрофизиков в еще большем недоумении, чем когда-либо. Суть… в том, что большая часть массы Вселенной, похоже, отсутствует». - Уильям Дж. Брод
Когда мы смотрим на Вселенную, вполне естественно представить, что то же самое, что мы видим, ждет там - среди звезд, галактик и в великой темной пустоте межгалактического пространства - было бы из того же материала, что и у нас: протонов, нейтронов и электронов. Ведь наш мир и все, что в нем, наша Солнечная система и все, что в ней есть, и наш Млечный Путь (насколько нам известно) и все, из чего он состоит, состоят именно из этого.
Даже если бы это было не так, мы все равно ожидали бы, что они состоят из некоторой комбинации известных, открытых фундаментальных частиц. Когда дело доходит до всех известных форм материи, Стандартная модель элементарных частиц охватывает их все. Если он был создан, измерен или наблюдался в лабораторных условиях, он содержится в этой таблице ниже.
И все же, похоже, это не так. Подавляющее большинство физиков сходятся во мнении, что материя, которая «известна» или состоит из всех частиц (и античастиц), содержащихся в Стандартной модели во всей Вселенной, составляет лишь крошечную часть массы, которая существует снаружи.
Что привело нас к такому выводу? Ниже приведены семь фактов о Вселенной - факты, которые каждый может исследовать и узнать для себя - которые приводят нас к неизбежному выводу, что подавляющее большинство материи во Вселенной не содержится в Стандартной модели, не состоит из протонов, нейтроны и электроны, а некая новая форма темной материи, которая должна существовать.
Давайте начнем!
1.) Количество обычной материи во Вселенной известно
Есть два способа решить эту проблему:
- Измерьте и дайте количественную оценку всей нормальной материи во всех ее различных формах повсюду во Вселенной и сложите все это.
- Придумайте способ связать количество, которое вы хотите понять - сколько материи присутствует - с чем-то, что вы можете измерить, а затем измерьте это!
Первый путь самый простой и включает не только планеты и звезды, но и все мыслимые формы материи, включая газ, пыль, плазму, свободные электроны, белые карлики, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, антиматерия и нейтрино, и это лишь некоторые из самых крупных из них. Складываем их все и получаем число.
Но есть и другой способ, который не позволяет этой материи скрываться в какой-то доселе неоткрытой форме.
Поскольку мы знаем, что Вселенная возникла из горячего и плотного состояния, мы знаем, что в какой-то момент она сформировала первые стабильные атомные ядра. Если мы сможем найти образец вещества - нейтрального газа - до того, как в нем сформировались какие-либо звезды, мы сможем измерить, каково было соотношение различных элементов. Законы физики известны и дают очень конкретные прогнозы того, сколько водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7 должно присутствовать во Вселенной. Это пять независимых, измеримых величин, определяемых только одним параметром: количеством обычной материи во Вселенной.
Мы измерили все пять, и теперь мы знаем: обычная материя составляет всего около 5% от того, что необходимо для производства всей энергии во Вселенной.
2.) Скопления галактик связаны друг с другом
Когда мы смотрим на скопления галактик - одни из крупнейших связанных структур во Вселенной - мы обнаруживаем, что они содержат от сотен до многих тысяч отдельных галактик, все связанные вместе в пределах относительно компактной области космос. Основываясь на том, как быстро они движутся (и на основании известных законов гравитации), мы можем сделать вывод, какая общая масса должна быть внутри, чтобы скопления оставались связанными вместе.
Мы также можем, основываясь на всей наблюдаемой нами материи: звездный свет, газ, пыль, плазма, рентгеновские лучи при нагревании газа и т. д., сделать вывод, сколько там должно быть нормальной материи. Там много! Но этого недостаточно. Это всего лишь около 13-17% от общей массы, необходимой для удержания кластеров связанными. Там должна быть какая-то другая форма материи, чтобы объяснить массу: какая-то форма темной материи.
3.) В отдельных галактиках должно быть больше, чем газ и пыль, чтобы объяснить их наблюдаемую динамику
Если и есть что-то, что вы знаете о спиральных галактиках, так это то, что они вращаются, и именно это вращение порождает ту классическую спиральную структуру, которую вы так хорошо знаете. Но когда галактика обращена к нам ребром, мы можем сказать, какие части галактики вращаются к нам, а какие от нас, благодаря красно-синему смещению света.
Не только это, но мы можем измерить, как быстро он вращается на разных расстояниях от его центра. Если бы большая часть массы была сконцентрирована в центре, что и должна делать нормальная материя во всех ее формах, мы бы увидели, что окраины вращаются медленнее, чем внутренние части. Но этого не происходит, что приводит к идее, что должен существовать «ореол» темной материи, окружающий каждую галактику, чтобы объяснить наблюдаемые кривые вращения..
4.) Гравитационное линзирование измеряет общую массу и говорит нам, что существует больше, чем позволяет обычная материя
Когда мы смотрим на Вселенную, мы не только измеряем свет от галактики или скопления, чтобы вывести информацию о Вселенной. Благодаря общей теории относительности Эйнштейна у нас есть невероятный механизм измерения массы: сама масса может действовать как линза, преломляя весь свет от объектов позади нее, явление, известное как гравитационное линзирование. Это может проявляться в виде сильного линзирования (вверху), которое показывает, как могут образовываться большие кольца, дуги и множественные изображения, или слабого линзирования (внизу), которое искажает форму фоновых галактик понятным образом.
Вы можете измерить один или оба из этих эффектов, и пока у вас достаточно фонового света, вы можете сделать вывод о том, сколько массы присутствует в линзирующем (переднем плане) объекте. В каждом когда-либо сделанном наблюдении мы измеряли «общую массу», которая примерно в шесть раз превышает массу, которую мы ожидаем от одной только обычной материи.
5.) Для крупномасштабной кластеризации требуется темная материя, чтобы воспроизвести наблюдаемую структуру
Когда мы составляем наши самые точные карты галактик во Вселенной в самых больших масштабах, мы обнаруживаем, что обязательно должен существовать какой-то тип материи, отличный от обычной материи - протоны, нейтроны и электроны - на воспроизводить структуры, которые мы видим, в самых больших масштабах. В частности, темная материя создает иерархическую космическую паутину, в которой у нас есть крошечные карликовые галактики, более крупные спирали различных размеров, группы, содержащие несколько больших спиралей, скопления со многими спиралями и гигантскими эллиптическими нитями, соединяющие скопления, и большие пустоты с очень маленькими спиралями. материя в пространстве между.
Если бы не было темной материи, Вселенная, которую мы видим, была бы совсем другой.
Во-первых, будет отсечка в крупномасштабной структуре; у нас не было бы меньше определенного размера. Во-вторых, были бы «долины» или масштабы, на которых не было бы сгруппированных объектов. И, наконец, «акустические особенности» (или колебания) на приведенном выше графике были бы сильно преувеличены. Эти колебания создаются нормальной материей и подавляются темной материей; наблюдаемое количество «покачиваний» снова согласуется с соотношением темной материи к нормальной материи 5:1.
6.) Колебания космического микроволнового фона (CMB)
Это огромный! Когда мы смотрим на оставшееся после Большого Взрыва свечение (CMB), мы обнаруживаем очень специфический паттерн в том, как эти флуктуации группируются вместе. В то время как флуктуации начинаются одинаково на всех масштабах, взаимодействия между излучением и веществом создают «волны», похожие на рябь в водоеме в очень специфических масштабах. Если темная материя присутствует, она влияет на излучение и обычную материю из-за гравитации, но не взаимодействует так, как нормальная материя взаимодействует с собой или с излучением.
Итак, мы реконструируем эту модель флуктуаций и обнаруживаем, что она согласуется только со Вселенной, состоящей из 5% нормальной материи, 27% темной материи и 68% темной энергии. Хотя темная энергия интересна сама по себе, важным выводом здесь является то, что мы снова видим то же соотношение темной материи и обычной материи 5:1.
7.) Сталкивающиеся скопления галактик показывают, что большая часть гравитации находится не там, где находится большая часть обычной материи
Наконец, самое драматическое и экстраординарное свидетельство исходит от сталкивающихся скоплений галактик. Правильно: время от времени, хотя и невероятно редко, два галактических скопления находят друг друга в этой огромной пустой Вселенной, сближенные их огромным взаимным гравитационным притяжением. Скопления сталкиваются, и в то время как схлопнувшиеся объекты (например, отдельные звезды) проходят сквозь друг друга, рассеянный нейтральный газ внутри сталкивается с газом в другом скоплении. Когда это происходит, газ нагревается и замедляется, собираясь в центре и испуская рентгеновские лучи (показаны розовым цветом). Но когда мы воспользуемся методом слабого гравитационного линзирования, чтобы реконструировать местонахождение массы (обведено синим цветом), мы обнаружим, что она прошла вместе со звездами.
Поскольку звезды составляют лишь небольшую часть массы обычной материи, мы знаем, что должна быть какая-то форма темной материи, ответственная за подавляющее большинство (опять же, около 85%) массы в этих скоплениях.. Было много скоплений, в которых наблюдался этот эффект, вплоть до групп (см. выше), всего в несколько раз превышающих нашу маленькую локальную группу.
Существует много других независимых способов измерения изобилия темной материи, недостаточности нормальной материи или отношения темной материи к нормальной материи, в том числе по пекулярным скоростям пар галактик, через величину акустического пик от барионных акустических колебаний, недостаточная величина MACHO (или барионной темной материи) в нашей галактике и т. д. В то время как любое свидетельство само по себе может быть опровергнуто или может заменить темную материю альтернативным объяснением, полный набор доказательства указывают на неопровержимое существование темной материи
Любая Вселенная без него просто не была бы похожа на нашу.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!