Живий Всесвіт Доказ існування Темної Матерії
Астрономи вже дуже давно для пізнання Всесвіту використовують той тип роботи детектива, який винесено до епіграфу цієї статті. З часів феноменального успіху Ісаака Ньютона у поясненні руху планет за допомогою його теорії гравітації та законів руху у 1687 році, астрономи завжди використовували поняття якоїсь невидимої матерії для пояснення загадкових результатів спостережень космічних тіл.
Так, наприклад, аномальний рух Урана привів астрономів до думки, що є якась невидима планета, яку відкрили декількома роками пізніше, в 1846 і назвали Нептуном. Ця процедура - як і раніше основний спосіб, з якого відкривають планети у далеких зірок.
Та ж логіка призвела до відкриття в 1862 році, тьмяного білого карлика Сіріус В у яскравого Сіріуса.
З іншого боку, спроби пояснити аномалії руху Меркурія за допомогою невідомої планети Вулкан не принесли успіху. Рішенням стала Загальна Теорія Відносності Ейнштейна, яка вдосконалила теорію Ньютона.
Сьогодні астрономи зіткнулися з подібною, хоч і набагато серйознішою проблемою. На відміну від випадку з Ураном, коли сила тяжіння Нептуна додає частки відсотка на гравітацію, що діє на Уран, додаткова сила, яка діє у випадках, описаних нижче – кілька сотень відсотків! Не буде перебільшенням сказати, що вирішення проблеми темної матерії стане фундаментальною зміною нашого розуміння Всесвіту.
Нижче ми наводимо доказ існування темної матерії. Можливість того, що ці спостереження можна пояснити за допомогою зміни теорії всесвітнього тяжіння, обговорюються в окремій секції (Альтернативи Темної Матерії).
Як зважити спіральну галактику:
Виміряти швидкість обертанняvхмар газуна відстаніr
Розв'язати рівняння дляM = rv 2 /G.
Швидкість обертання спіральних галактик.
Вимір прискорення матерії, що кружляє орбітою навколо якогось об'єкта - основний метод визначення його маси. Наприклад, вимірювання доцентрового прискорення планети на орбіті навколо Сонця на відомій відстані, дає нам визначення маси Сонця, яка потрібна для створення такого прискорення.
Аналогічно, астрономи можуть виміряти масу галактики, знаючи прискорення хмар на її зовнішніх кордонах. Перша робота в цій серії, виконана Вірою Рубін (Vera Rubin) та її колегами, показала, що на подив дослідників, необхідна маса спіральної галактики значно більша, ніж та, яку ми спостерігаємо у вигляді зірок та газу. Майже вп'ятеро більше!
Це відкриття було підтверджено багатьма наступними дослідженнями, і загальна картина, яку ми вивели з цих досліджень - диск зірок і газу впроваджено у велике сферичне гало з темної матерії:
Гарячий газ в еліптичних галактиках
Великі еліптичні галактики мають протяжні атмосфери з гарячого газу, які, як здається, перебувають у рівновазі - тиск гарячого газу балансується гравітаційним тяжінням усієї маси галактики. Для вимірювання тиску цього гарячого газу можна використовувати Чандра та інші рентгенівські телескопи, а спостереження оптичних телескопів допоможуть визначити масу зірок.
Висновок: маси зірок і газу недостатньо, щоб зробити необхідну силу тяжіння. Еліптичні галактики повиннімістити в 5 разів більше маси в темній матерії, ніж маса, яку дають всі зірки і газ.
Хаотичні рухи зірок у карликових галактиках
Карликові галактики - тьмяні, нічим не примітні системи, які лише кілька мільйонів зірок, але вони грають найважливішу роль розумінні темної матерії. Вимірювання хаотичних рухів зірок у близьких до нас галактиках-карликах показують, що цим галактикам потрібно значно більше темної матерії, ніж звичайним. Тому вони можуть бути найкращими місцями для пошуку рентгенівських або гамма-променів, що виробляються анігіляцією частинок темної матерії.
Гарячий газ скупчень галактик
Перша згадка розміру проблеми темної матерії зустрічається у дослідженні Фрітца Цвіккі (Fritz Zwicky) у 1933 році. Цвіккі займався спорадичними рухами галактик у скупченні Волосся Вероніки. Він виявив, що для утримання скупчення галактик потрібно від 10 до 100 більше тяжіння ніж те, яке можуть зробити всі зірки, що там спостерігаються.
Одним із пояснень може бути так звана "зникла матерія" у формі гарячого газу, який залишається невидимим для оптичних телескопів. Останні 20 років рентгенівські телескопи виявили в скупченнях галактик великі хмари газу, нагрітого до багатьох мільйонів градусів. Ці хмари гарячого газу збільшують масу скупчення, але їх недостатньо, щоб вирішити цю таємницю.
Більш того, наявність гарячого газу в скупчення галактик дає незалежне підтвердження темної матерії. Також як і з гігантськими еліптичними галактиками, вимірювання тиску гарячого газу в скупченнях галактик показують, що там має бути в 5-6 разів більше темної матерії, ніж ми зараз спостерігаємо, щоб утримати весь газ скупчення.
Коментар д-ра Майкла: це цикл із 5 дуже цікавих статей про Темну Матерію на сайті Чандри, постараюся в наступні дні зробити й інші.