1 Что такое темная материя скрытое

1

Что такое «темная материя» ( «скрытое» вещество)? «Темная материя» это несветящееся вещество, которое не может быть обнаружено с помощью изучения любых форм электромагнитного излучения, но существование которой предполагается на основе косвенных данных (см. ниже). Ранее уже были предположения о наличии «темной материи» . Дело в том, гипотеза образования Вселенной предсказывает, что галактик во Вселенной должно быть больше, чем мы их наблюдаем. Поэтому возникло предположение, что существуют «темные» галактики. 2

Что говорит о существовании «скрытой» материи? Факт 1. Если проследить поведение скорости вращения галактики в зависимости от расстояния до центра галактики, то полученная зависимость не может быть объяснена наличием массы только светящегося (т. е. наблюдаемого) вещества. Факт 2. Определение скоростей движения отдельных галактик в скоплениях галактик говорит также о возможном наличии темного вещества в этих скоплениях. Факт 3. Расширение Вселенной происходит так, что необходимо предположить существование темного вещества во Вселенной. Факт 4. Существование Великого Аттрактора. Факт 5. Анизотропия реликтового излучения. Факт 6. Наличие горячего газа в скоплениях галактик. Факт 7. Гравитационное линзирование говорит о большей массе скоплений галактик, чем видимая масса. Факт 8. Странное движение шаровых скоплений в Галактике. 3 Подробности об этих фактах - в следующих слайдах.

Типичная кривая вращения у галактик cкорость врашения V плато расстояние от центра R Вращение по закону Кеплера расстояние от центра R Вращение твердого тела расстояние от центра cкорость врашения V Факт 1. Кривая вращения у галактик Вращение с постоянной скоростью расстояние от центра R 4

Вращение галактики на разных расстояниях от центра. скорость вращения V (км/сек) Пример 1 Наблюдаемая кривая вращения для галактики IC 4895 Такой вид кривой вызывает главный вопрос: с удалением от центра закон вращения должен приближаться к кеплеровскому, т. е. А это не наблюдается(!) Возможный ответ: в галакответ имеется темное несветящееся вещество, которое себя не проявляет, но отклоняет Расстояние от центра движение от кеплеровского. (секунды дуги) Мало того, закон вращения говорит о том, что темная материя сосредоточена в гало галактик. И светящаяся (наблюдаемая) масса вещества галактик составляет всего 10% всей массы.

Пример 2: кривая вращения для галактики М 33 Пример 3: кривые вращения для 3 галактик 6

Темное вещество в нашей Галактике Скорость вращения ( км/сек) Наблюдаемая кривая вращения Наблюдаемая скорость вращения Солнца 220 км/сек Эта разница вызвана наличием темной материи Скорость вращения Солнца должна быть 160 км/сек Кривая вращения при учете только видимого вещества Расстояние от центра (кпс) 7

По одной из гипотез светящуюся материю нашей Галактики (звезды, туманности и др. ) окружает неизлучающее вещество, названное темным гало. 8

Моделирование кривой вращения Галактики (с темным гало) V (км/сек). , Диск Галактики Центр Галактики Темное гало Общая кривая плато R (кпс) Если предположить, что у Галактики есть гало (см. следующий слайд), состоящее из «темной» материи, то получаемая теоретически кривая вращения близка по поведению к наблюденной кривой. Чтобы теоретически пол чить верхнюю (наблюда емую) кривую, массу нашей Галактики, получ ную по светящемуся вещ 9 ству, надо увеличить в

Факт 2. Движение членов скопления галактик Массу скопления галактик можно вычислить, если изучить орбитальное движение членов скопления (вспомним 3 уточненный закон Кеплера). Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники С другой стороны, массу скопления можно оценить по всем видимым галактикам скопления (это так называемая «видимая» масса). Было обнаружено, что полученное таким образом значение массы меньше значения, полученного 1 способом и явно недостаточно для того, чтобы скопление галактик оставалось гравитационно устойчивым в течение млрд. лет. Значит, в скоплении имеется «скрытая» масса 10 (см. следующий слайд),

Члены скопления двигаются из-за их взаимного гравитационного взаимодействия Но скорости движения членов скопления оказалась выше, чем скорости при учете только взаимного гравитационного взаимодействия. Темное вещество Это означает, что в скоплении имеется невидимая материя. 11

Факт 3: расширение Вселенной • Характер расширения Вселенной зависит от значения параметра Ω=средняя плотность Вселенной/критическая плотность= (средн)/ (крит). - С учетом всей светящейся (наблюдаемой) массы всех объектов Вселенной Ω=0. 005. - Эта величина не согласуется с наблюдаемой скоростью расширения. - Необходима дополнительная масса, чтобы объяснить расширение Вселенной. 12

Факт 4: Существование «Великого Аттрактора» • Галактика Андромеда приближается к нашей Галактике со скоростью 90 км/сек. Для такого сближения этих двух галактик необходимы массы, в 10 раз большие, чем наблюдаемые по светящейся материи массы этих двух галактик. - Скопление галактик в Деве притягивает нашу Местную группу галактик со скоростью в 450 км/сек. Для такого притяжения масса этого скопления галактик должна быть в 10 раз больше наблюдаемой. 13

Наблюдения галактик вокруг нас показывают, что помимо общего расширения эти галактики движутся со скоростями 600 км/сек в направлении созвездия Центавра. В этом движении от нас участвуют Местная группа, скопление галактик в Деве, сверхскопление Гидра-Центавр и другие объекты на расстояниях до 60 мпс. Вычисления показывают, что Скопление галактик Abell 3627 имеется концентрация масс центр «Великого Аттрактора» (Великий Аттрактор) в 1016 М на расстоянии 65 мпс в направлении созвездия Центавра. Исследования этого района (см. снимок скопления галактик Abell 3627) показывают, что видимая масса в 10 раз меньше той, которая может вызвать наблюдаемый поток галактик и скоплений. Это приводит к выводу о наличии 14 невидимой темной материи.

Где находится «Великий Аттрактор» ? сверхскопление Галактическая плоскость Место Великого Аттрактора Центр Галактики 15 На карте даны положения некоторых объектов в ближней Вселенной: скопления галактик (clusters), сверхскопления галактик (superclusters ). В скобках показаны

Факт 5: Анизотропия реликтового излучения • Измерения гравитационных источников реликтового излучения показывают, что для их объяснения требуется дополнительно 25% полной массы Вселенной. 16

Факт 6: Горячий газ в скоплениях галактик Недавние наблюдения установили в скоплениях галактик наличие ранее не обнаруженного горячего (Т=(3 -10) 107 К) газа. Оценим скорость частиц V в таком газе по формуле: m. V 2/2=3/2 k. T. Тогда получим, что V ~ 108 см/сек. Для того, чтобы эти частицы при таких больших скоростях не удалились из скопления, масса скопления должна быть больше видимой массы скопления. P. S. Но следует сказать, что плотность газа (число элек в 1 см 3 = 10 -3) недостаточна для объяснения всей темно 17 сы скопления.

Факт 7: Гравитационное линзирование Пример 1. На снимке дано изображение скопления галактик. Это скопление вызывает сильный эффект линзирования: четыре точки в центре (A, B, C, D) это мнимые изображения квазара, расположенного за скоплением. Эффект линзирования зависит от массы линзы (скопления галактик). Расчеты показывают, что видимое вещество скопления, сосредоточенное в желтоватых галактик снимка, явно недостаточно для создания наблюдаемого эффекта линзирования. Масса видимого вещества составляет лишь 1% необходимой массы. Остальная масса сосредоточена в темной невидимой материи. 18 P. S. Были проанализированы более 145 000 очень далеких галактик, чтобы найти искажения, создавае- мые «темной» материей.

Пример 2: Гигантское скопление галактик CL 0025+1654 расположено на расстоянии 1. 5 млрд с. л. и является гигантской гравитационной линзой. Анализируя распределение светящегося вещества и свойства гравитационного линзирования, которое определяется всей массой скопления, астрономы установили, как распределена невидимая темная материя. Она изображена на снимке синеватым цветом. 19

Темная материя – линзирование(3 мин)

Одно из скоплений Факт 8: Солнце Распределение шаровых скоплений в Галактике Шаровое скопление М 13 в Геркулесе Шаровые скопления образуют сферическую систему в нашей Галактике. В их движении установлена интересная особенность: они периодически то поднимаются над плоскостью Галактики (желтая линия на рисунке), то опускаются под нее. Это объясняется наличием темной материи в нашей Галактике. 21

Какова масса «темной материи» во Вселенной? 1. Сперва оценим массу светящегося вещества во Вселенной: - число наблюдаемых галактик примерно 10 11, - среднее число звезд в галактике около 10 11 ( по примеру нашей Галактики), - масса каждой звезды примерно 2 1033 г. ( примеру Солнца), - тогда масса светящегося вещества во Вселенной будет равна М 1 = 1011 2 1033 = 2 1055 г. 2. Но по примеру нашей Галактики (см. выше слайд N 9) масса темного вещества должна быть в 5 раз больше светящегося вещества в 5 раз. Тогда масса темного вещества во Вселенной примерно равна М 2 = 5 М 1 = 5 2 1055 = 1056 г. 22

Возможные формы «скрытой» материи (1) 1. Коричневые карлики. Известно, что число звезд сильно растет при уменьшении их масс. Предельная нижняя массы для звезды это 0. 085 М 0. Если этот рост соблюдается и для объектов с меньшими массами (коричневых карликов), то эти объекты могут составлять значительную долю «скрытой» материи. Однако число обнаруженных в нашей Галактике коричневых карликов говорит о том, что эти объекты все же не являются основной частью «скрытой» материи в Галактике. 2. Остатки звездной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Однако наше знание истории развития Галактики говорит о том, что темп рождения, эволюции и смерти звезд был не настолько интенсивен в прошлом, чтобы к настоящему времени возникло необходимая масса темного вещества. 3. Газ. Можно предположить, что в галактиках имеется не учтенный астрономами газ. Но астрономы все же считают, что масса 23 межзвездного и межгалактического газа оценивается верно.

Возможные формы «скрытой» материи (экзотика) 5. Небарионная форма. Если бы нейтрино имело бы очень незначительную массу, то так как их число велико и вся Вселенная пронизана ими – тогда это бы частично решило проблему скрытой массы. Кроме того, эти частицы очень горячи, т. е на ранних этапах формирования Вселенной они двигались с почти световой скоростью. Это значит, что из них не могли сложиться наблюдаемые космические структуры. 6. WIMP (Weakly Interacting Massive Particles=Слабо взаимодействующие массивные частицы). Это гипотетические частицы, которые не обна- ружены: нейтралино, аксионы, суперсимметричные частицы и др. Среди них наиболее привлекательны нейтралиносочетание суперпартнеров фотона (носи- теля электромагнитных сил), Z-бозонов (носителей сил слабого взаимодействия) и других частиц. Их существование предполагается теорией суперсимметрии, т. е. симметрии между частицами с полуцелым спином и частицами с целым спином. При этом массы симметричных пар должны быть одинаковыми. 7. MAHO (Massive Compact Halo Bjects=Массивные компактные объекты гало). Это гипотетические массивные объекты (с М

Можно ли непосредственно обнаружить «темное» вещество? В настоящее время проводятся 11 экспериментов по улавливанию частиц «темной» материи. В основном, они нацелены на прием нейтралино. Суть всех экспериментов связан с тем, что Земля вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Галактики. Поэтому Землю «обдувает» поток частиц темного вещества, подобно тому как ветер мотоциклиста. По оценкам ученых через каждый квадратный см проходит примерно 100 000 частиц «темного» вещества. Эти эксперименты должны решать две задачи: - создание чувствительного детектора, это не составляет неразрешимую задачу; - исключение радиоактивного фона вокруг нас. Дело в том, что материалы, из которых делаются детекторы, содержат радиоактивные примеси, при распаде которых образуются частицы, регестрируемые так же, как и частицы «темного» вещества. Естественный радиоактивный фон Земли превышает ожидаемый поток нейтралино в 10 раз. Каковы успехи этих экспериментов, покажет недалекое будущее. Если нейтралино будет обнаружено, то это будет грандиозный успех теории 25 Суперсимметрии. В противном случае от нее надо будет отказаться.

Прямое обнаружение «темной материи» ? Английские астрономы в скоплении галактик Virgo (Дева) открыли объект (названный как VIRGOHI 21), который по их предположению является невидимой галактикой, состоящей из «темной материи» . Эта галактика содержит большое количество этой материи и вращается как обычная галактика, но не содержит звезды. Поэтому ее можно было обнаружить только в радиодиапазоне. В этом диапазоне астрономы определили массу водорода в этом скоплении в 108 М. Но по изучению вращения было Область в скоплении Дева, установлено, что объект VIRGOHI 21 где расположен должен иметь массу в 1000 раз объект VIRGOHI 21. больше, чем масса с учетом только водорода. Если это подтвердится в дальнейшем, то это будет первое открытие «темной» галак 26 тики.

Альтернатива «темной» материи» Модификация теории тяготения. Для объяснения явления «темной» материи необходимо предположить, что силы тяготения должны быть сильнее на больших расстояниях или при малых полях. Одна из предложенных гипотез это теория Модифицированной Ньютоновской Динамики, которая корректирует закон Ньютона при малом ускорении. Однако, эта теория совершенно не способна, в частности, объяснить явление линзирования. Квантово-механическое объяснение. Другой подхода основан на объединении гравитации с квантовой механикой в попытке найти поправки к традиционной теории гравитации. Эта теория пока еще не является вполне завершенной. 27