Там полно газа, пыли, планет и каменистых тел. Может ли какая-то их комбинация объяснить темную материю?
“Когда поезд идет через туннель и становится темно, вы не выбрасываете билет и не спрыгиваете. Вы сидите спокойно и доверяете инженеру». - Корри Тен Бум
Есть много веских причин полагать, что темная материя существует: во всевозможных независимых ситуациях и при совершенно не связанных между собой направлениях наблюдения мы видим гравитационное влияние невидимых источников массы. Но существует множество известных источников массы, которые вообще не излучают свет!
То, что 99,8% массы нашей Солнечной системы заключено в нашем Солнце, не означает, что звезды являются хорошим показателем массы Вселенной. Наоборот, мы знаем, что он паршивый! Даже небольшое перемещение за пределы Солнечной системы учит нас тому, что: если мы хотим включить облако Оорта, огромное облако ледяных тел, простирающееся примерно на пару световых лет во всех направлениях, то существуют буквально триллионы астероидов и комет. объектов, общая масса которых во много раз превышает массу Земли, а на ранних стадиях Солнечной системы это число, вероятно, было даже больше.
В более крупных масштабах мы можем начать видеть, что между звездами также находится огромное количество межзвездного газа и пыли. Это становится очевидным при взгляде на нашу собственную галактику, где массивные «темные пятна» в галактической плоскости возникают из-за промежуточной пыли, блокирующей свет от звезд за ней.
И в еще больших масштабах мы знаем, что межгалактический газ и плазма распространены повсеместно, затмевая всю материю, содержащуюся в светоизлучающих частях Вселенной, звездах, совсем немного. Возможно ли, что эти формы материи - газ, пыль, лед, камни и планеты - - объясняют всю недостающую массу во Вселенной?
Вы можете подумать, что что-то вроде приведенного выше изображения Скопления Пулей является отличным контрпримером. В конце концов, если мы возьмем два скопления галактик и столкнем их, и увидим эффекты гравитации (от гравитационного линзирования, выделено синим цветом) и последствия высокоскоростных газовых столкновений (испускание рентгеновских лучей, выделено розовым), не их несоответствие указывает на темную материю? Не обязательно; это только говорит нам о том, что газообразной темной материи недостаточно, чтобы объяснить все гравитационные эффекты. Но вы также можете видеть, что оптическая материя скопление звезд в галактиках проходит сквозь друг друга, точно так же, как два орудия, наполненные птичьими ядрами и стреляющие друг в друга, почти не пропускают друг друга, за исключением очень немногих пуль.
Следуя этому ходу мысли, вы могли бы подумать, что темная материя может быть в первую очередь объектами размером с Землю, или размером с Юпитер, или размером с Луну. В конце концов, объекты, которые меньше самых маленьких звезд (включая коричневые карлики), не будут излучать никакого видимого света из-за их собственного внутреннего ядерного синтеза, и поэтому технически они также являются «темной» материей. Интересная вещь об объектах, подобных этому, заключается в том, что если они путешествуют по нашей галактике, то каждый раз, когда один из них проходит (проходит между) нашей прямой видимостью звезды, мы получаем событие микролинзирования, когда фоновая звезда ненадолго показался ярче, а затем вернулся к своей первоначальной яркости. Мы наблюдали эти события микролинзирования и обнаружили, что для объектов размером от крошечной доли массы Луны и выше они не могут составлять более нескольких процентов темной материи.
Но как насчет объектов размером с баскетбольный мяч? Или как насчет отдельных, изолированных атомов? Или как насчет любой другой промежуточной шкалы, которую мы не смогли (пока) исключить напрямую? Теоретически они все еще могут быть недостающей темной материей. Эта игра в «ударь крота», в которой мы пытаемся исключить каждый возможный аромат темной материи по отдельности, является важным направлением исследований, но этого недостаточно для «доказательства» существования несотворенной темной материи. обычных веществ: протонов, нейтронов и электронов.
Но есть способ сделать именно это! Мы можем узнать это комбинацией следующих методов:
- Измерение общего количества материи всех форм во Вселенной.
- Измерение общего количества обычной материи во Вселенной. (Или, как вариант, измерение отношения нормальной материи к общей.)
- Проверяем, совпадают ли эти два числа. (Или отношение равно «1» или некоторому числу меньше 1.)
Давайте посмотрим, как это сделать.
Есть ряд различных физических явлений, которые мы можем измерить во Вселенной, чтобы выяснить, какова полная плотность материиво Вселенной.. Например, наблюдение за скоплением галактик в самых больших масштабах (например, с использованием барионных акустических колебаний) сильно зависит от общего количества материи. Глядя на флуктуации космического микроволнового фона остаточное свечение Большого Взрыва и его крошечные несовершенства , мы можем сказать, сколько материи и энергии вместе взятых существует во Вселенной. И рассмотрение данных о красном смещении в зависимости от расстояния для объектов во Вселенной, и в частности для сверхновых типа Ia, также устанавливает ограничения на то, сколько существует материи и энергии различных типов.
Когда мы объединим все эти данные, мы обнаружим, что около 30-34%критической плотности Вселенной существует как некоторая форма материи. Итак, это одна из цифр, которые нам нужны. Но мы также можем выяснить, какой процент критической плотности Вселенной существует в виде обычной материи или в виде протонов, нейтронов и электронов. Видите ли, когда Вселенная была очень молода и горяча, она не могла даже образовать стабильные атомные ядра; они были бы немедленно разорваны на отдельные протоны и нейтроны горячей радиационной ванной Вселенной. Только когда Вселенная остывает до определенной точки, может продолжаться ядерный синтез, создавая самые легкие стабильные элементы и изотопы во Вселенной.
Но вы, возможно, не понимаете, что очень специфические соотношения образующихся элементов сколько протонов, сколько дейтерия, сколько гелия-3 и гелия-4, и сколько лития-7 возникает - чрезвычайно чувствителен только к одной простой величине во Вселенной: отношению барионов к фотонам.(Для этих целей барион является либо протоном, либо нейтроном.) На самом деле мы можем измерить это, глядя на молекулярные газовые облака, которые остались практически нетронутыми со времен Большого взрыва, претерпев ничтожно малое количество звездообразования.
Поскольку мы можем измерить первоначальную плотность фотонов (из космического микроволнового фона), определить общую барионную плотность относительно легко. Из этих наблюдений мы узнаем, что около 4,5-5,5 процентов критической плотности Вселенной существует в форме обычной материи всех типов вместе взятых, а это означает, что чем бы ни была другая 25-29 процентов темной материи, она не может быть нормальной материей любого типа!
Это то, что подтверждается наблюдениями за флуктуациями космического микроволнового фона, что соответствует предсказаниям о смеси 5 процентов нормальной материи и около 28 процентов небарионной темной материи…
и из спектра мощности крупномасштабной структуры, в которой есть небольшие «покачивания», что согласуется с нормальным отношением материи к общей материи примерно 1:6.
Итак no, темная материя не может быть просто обычной материей в какой-то комбинации форм, которые не излучают свет; действительно должно быть что-то еще, что не состоит ни из одной из частиц Стандартной модели! Мало того, что темная материя существует, это совершенно новый тип материи, который нам еще предстоит открыть. Поиски понимания того, что именно составляет большую часть массы нашей Вселенной, продолжаются.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!