ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ Понятие темной материи

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ. МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ? Понятие «темной материи» было введено в 1930 -е годы шведским астрономом Фрицем Цвикки для объяснения недостатка массы во Вселенной - видимых галактик "не хватало" для того, чтобы небесные тела вели себя так, как наблюдают астрономы. Например, галактики в скоплениях движутся быстрее «второй космической скорости» ! Скопления со столь стремительно передвигающимися членами не могут существовать. Но они существуют, а значит в чем-то мы ошибаемся. Темная материя участвует в гравитационном взаимодействии и не участвует в электромагнитном, то есть это та материя, которую невозможно наблюдать в телескоп, так как она не отражает и не излучает свет ни в каком диапазоне электромагнитного спектра. Фактически получается, что существует иной тип массы, некое невидимое «вещество» , из которого построена Вселенная.

Позже выяснилось, что не только скопления галактик, но и сами галактики содержат скрытую массу. Наша Галактика (точнее ее видимая часть!) представляет собой плоский вращающийся газо-звездный диск. Солнце удалено от центра Галактики на 25000 -30000 световых лет и совершает полный оборот примерно за 200 млн. лет, двигаясь по своей галактической орбите со скоростью около 220 км/с. Светящееся вещество в диске сильно сконцентрировано к ядру Галактики. Сила тяготения, управляющая орбитальным движением звезд, как известно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому логично предположить, что звезды на периферии диска, далеко от основной массы Галактики, будут двигаться медленнее, чем звезды, близкие к ядру.

Увы, в 70 -е годы XX века выяснилось, что ни в нашей, ни в других похожих галактиках это логичное предположение не выполняется. Даже очень далекие от центра звезды и газовые облака несутся по своим орбитам с большими скоростями, словно не желая знать, что там, где они находятся, галактика уже практически закончилась. Где же источник этого тяготения в пространстве, которое кажется почти пустым? Ответ прост. Если скрытая масса есть в скоплениях галактик, почему не быть ей и в самих галактиках? Необходимое количество темного вещества – примерно то же, что и в скоплениях. Например, чтобы описать движение звезд на окраинах нашей Галактики, нужно допустить, что она окружена обширным “темным гало”, размеры и масса которого по меньшей мере в несколько раз превосходят размеры и массу видимого диска.

Эксперты Принстонского университета, проанализировав данные с зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который был запущен американским космическим агентством NASA в 2001 г. и предназначен для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной, установили состав Вселенной. Рождение Вселенной из сингулярности

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

С точки зрения простоты хотелось бы предположить, что темное вещество состоит из привычных объектов, обладающих массой, но при этом либо не излучающих совсем, либо излучающих настолько слабо, что в современные астрономические инструменты видны лишь на очень небольшом (в галактических масштабах) расстоянии. Таких объектов ученым известно множество: коричневые и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, планеты, компактные газовые облака. Поскольку все они состоят или состояли в прошлом из обычных протонов и нейтронов, которые в физике обобщенно называются барионами, сформированное из этих объектов темное вещество называется барионным. Предпочтительной считается гипотеза о небарионном темном веществе, состоящем из особых, пока не известных элементарных частиц, обладающих специфическим набором свойств, в частности, почти не взаимодействуют с “обычным” веществом и потому до сих пор избегают обнаружения. Одно время считалось, что темной материей могут оказаться нейтрино, однако результаты последних экспериментов и наблюдений на нейтринных телескопах доказывают, что масса нейтрино хотя и не равна нулю, но все-таки слишком мала, чтобы списать на нее все “пропавшее” вещество.

Физиками существование таких частиц не только не отрицается, но и всячески приветствуется, т. к. согласуется с уточненными за последнее время представлениями о строении вещества, в частности, о двух основных видах элементарных частиц – фермионах и бозонах. В нашем сравнительно холодном мире сама материя состоит из фермионов (например, протонов и нейтронов), а бозоны (например, фотоны) обеспечивают перенос взаимодействия между ними. Но при очень высокой температуре, по сравнению с которой меркнет даже температура в звездных недрах, разница между частицами материи и частицамипереносчиками стирается, и они ведут себя одинаково. Теория тождественности фермионов и бозонов при высоких температурах носит название теории суперсимметрии. Об энергиях, необходимых для ее экспериментальной проверки, физики пока могут только мечтать, но они уверены, что доказательства суперсимметрии осталось ждать несколько лет. Большая работа в этом направлении ведется во многих лабораториях мира, в частности и на российских нейтринных обсерваториях в Баксане

Между тем, в Природе эксперимент по получению элементарных частиц сверхвысоких энергий уже проведен! Правда, закончился он довольно давно, больше 10 млрд. лет назад, но следы его проведения окружают нас со всех сторон, да и сами мы являемся ничем иным, как итогом этого грандиозного эксперимента, названного учеными Большим Взрывом! Теория суперсимметрии предсказывает, что в первые доли секунды после рождения Вселенной все ее частицы были равны и одинаковы, но затем Вселенная расширилась, остыла, и равенства в ней не стало… Интересно, что наряду с протонами, нейтронами, электронами, фотонами, нейтрино и другими известными элементарными “кирпичиками” теория суперсимметрии предсказывает рождение целого «зоопарка» неизвестных частиц. Эти неизвестные частицы образуют пары с известными частицами: у каждого фермиона есть парный с ним бозон и наоборот. Чтобы подчеркнуть суперсимметричность этого сообщества, такие пары называются суперпартнерами.

Все гипотетические частицы – суперпартнеры известных частиц – имеют общее свойство: они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, значительно превосходя в этом отношении даже всепроникающие нейтрино. На научном жаргоне их иногда называют “вимпами”, от английского сокращения WIMP – “weakly interacting massive particles”, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Увидеть вимпы очень сложно, но их можно “почувствовать” – как и все, обладающее массой, они создают вокруг себя гравитационное поле. После Большого Взрыва подобных частиц должно было остаться огромное количество, и их совокупное гравитационное влияние вполне могут ощущать на себе целые галактики. Вот вам и темное вещество! Этот факт весьма знаменателен, ибо наглядно демонстрирует, как свойства гигантских скоплений галактик и вообще макромира могут быть связаны со свойствами микромира.

Наиболее вероятным претендентом на роль темного вещества считается самая легкая суперсимметричная частица нейтралино, масса которой превышает массу протона в сотню раз. С ней и другими вимпами конкурирует другая невидимая частица – аксион, – существование которой предсказывается другой современной физической теорией – квантовой хромодинамикой. Наша Галактика и другие звездные системы погружены в облака из нейтралино, аксионов и других невидимых частиц. Эти облака, как сейчас считается, в догалактическую эпоху послужили гравитационными “затравками”, на которые стягивалось обычное вещество, ставшее строительным материалом для первых поколений звезд. На научном языке эти затравки называют первичными флуктуациями плотности. И хотя со времен их возникновения утекло много воды, свойства этих флуктуаций навеки запечатлены в виде пространственных вариаций интенсивности реликтового излучения.

Однако в последнее время появились гипотезы, указывающие на то, что тёмной материи может и не быть. Почётный профессор Торонтского университета Джон Моффат (John Moffat) и Джоэл Браунштейн (Joel Brownstein) из Канадского института теоретической физики разработали теорию модифицированной гравитации, которая объясняет наблюдаемое поведение скоплений галактик без использования «тёмной» материи. Они ввели в свою теоретическую разработку так называемые гравитоны, возникающие из вакуума, причём наиболее интенсивно гравитоны рождаются вблизи больших масс. Из чего следует, что в центре галактики (где сосредоточены крупные массы) два объекта притягиваются друг к другу сильнее, чем если бы они находились на её окраине.

Эпоха Сверхобъединения 4 типа взаимодействий: • Гравитационное • Электромагнитное • Слабое (эл. частицы) • Сильное (ядерное) Классическая физика Теория относительности Квантовая механика Единое Взаимодействие Неприменимы

Планковское время (начало действия квантовой теории) Время: 10– 43 секунды Температура: 1032 K Плотность: 1093 г/см 3 Радиус: 10– 33 см Рождение классического пространства-времени Гравитация отделяется от других взаимодействий

Эпоха инфляции Время: 10– 43 – 10– 36 секунды. Температура: от 1032 до 1029 К. Вселенная расширяется с ускорением за счет космологической «темной энергии» По окончании эпохи инфляции: Рождение вещества (при распаде «темной энергии» ) Отделение сильного взаимодействия от электрослабого

Эпоха горячего бариосинтеза Время: 10 -36 – 10 -34 секунды. Температура: 1029 – 1028 K. Барионы (протоны, нейтроны) объединяются из кварков Рождение избытка вещества над антивеществом (10– 9)

Эпоха холодного бариогенеза Время: 10 -13 – 10 -10 секунды. Температура: 1017 – 1016 K. Разделение слабого и электромагнитного взаимодействий Аннигиляция Барионного вещества осталось мало

Эпоха нуклеосинтеза Время: 1 – 200 секунд. Температура: 1010 – 109 K. Образование ядер 2 H, 3 He, 4 He, 7 Li, 9 Be, 11 B Be и B быстро разрушаются, 2 H, 3 He и Li остается очень мало. 200 секунд: нуклеосинтез останавливается. Барионный состав первичной Вселенной представлен, в основном, только 1 H и 4 He.

От нуклеосинтеза до рекомбинации Время: 200 секунд – 150 000 лет. Температура: 109 – 4000 K. Вселенная состоит в основном из излучения, но ионизованное вещество непрозрачно. Излучение многократно поглощается и заново высвечивается. Содержащаяся в нем информация не доходит до современного наблюдателя.

Эпоха рекомбинации Время: 150 000 – 400 000 лет. Температура: 4000 – 2500 K.

Измерение пространственной структуры реликтового излучения Эксперимент WMAP (Вилкинсоновские исследования анизотропии реликтового излучения, с 2003 года).

Анизотропия реликтового излучения 2006 – присуждение Нобелевской премии по физике за открытие теплового спектра и анизотропии микроволного фонового излучения. Программа COBE Джон С. Мейзер Джордж Ф. Смут 2003 – начало работы проекта WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Темные века Время: 400 тысяч – 500 миллионов лет Температура: 2500 – 25 K. Звезд и галактик нет, вещество нейтрально Виден только постепенно остывающий реликтовый фон, уходящий из видимой в инфракрасную и субмиллиметровую область спектра

Неоднородность вещества Амплитуда анизотропии реликтового излучения – 0. 001% Его распределение отражает распределение вещества в эпоху рекомбинации

Гравитационная неустойчивость Области повышенной плотности далее сжимаются под действием собственной тяжести 120 млн. лет 1. 2 млрд лет 490 млн. лет 13. 7 млрд лет Появление скоплений и сверхскоплений галактик

Крупномасштабная структура Вселенной Слоановский цифровой обзор неба (SDSS), с 1990 г. 2. 5 -м широкоугольный оптический телескоп. «Великая стена» – сверхскопление галактик

Вселенная – мир галактик

«Глубокое поле» Космического телескопа имени Хаббла Расстояние – до миллиарда световых лет Галактики – гигантские системы из миллиардов звезд, заполняющие Вселенную.

Эллиптические галактики Самые старые из наблюдаемых галактик: Нет газа, нет пыли, нет молодых звезд. Галактика M 87 в созвездии Девы, расстояние 55 млн св. лет

Спиральные галактики В диске наблюдается спиральная структура, в которой много газа, из которого образуются молодые звезды Галактика M 81 в созвездии Большой Медведицы, расстояние 5 млн св. лет.

Пыль в дисках галактик Мельчайшие твердые частицы, поглощающие излучение Пыль свидетельствует о богатом содержании тяжелых элементов и является основой образования планетных систем Но откуда взялись тяжелые элементы? Галактика M 64 в созвездии Волос Вероники, расст. 13 млн св. лет

Неправильные галактики В некоторых – интенсивное звездообразование. Механизм – гравитационная неустойчивость, рост флуктуаций плотности. Большое Магелланово Облако, расстояние 150 тыс. св. лет.

Ближайшие спиральные галактики M 31 – Туманность Андромеды, расстояние 2. 5 млн св. лет. M 33 – Туманность Треугольника, расстояние 2. 5 млн св. лет

Взаимодействие галактик Спиральные галактики теряют свою форму, гравитационная неустойчивость усиливает звездообразование

Газовые облака – место рождения звезд Механизм звездообразования – гравитационная неустойчивость

Звездообразование – модель Сгустки газа сжимаются под собственной тяжестью, образуя звезды.

Плеяды – скопление молодых звезд Возраст – около 10 миллионов лет. По звездным меркам это очень мало! Солнце тоже когда-то входило рассеянное скопление, «детский сад» звезд, но давно покинуло его. Поэтому рядом мало ярких звезд. Что позволяет звездам светить миллиарды лет?

Гипотезы о механизмах энерговыделения звезд 1. Энергия падения вещества к центру звезды – Солнцу хватило бы на 20 минут. 2. Высвечивание тепловой энергии горячего газа – Солнцу хватило бы на 10 миллионов лет. 3. Термоядерные реакции в недрах звезды – Солнцу хватит на 12 миллиардов лет!

Термоядерное горение водорода

Динамическое равновесие звезды Гравитация Газовое давление По окончании термоядерного синтеза силы, способные противостоять сжатию ядра, исчезают. Дальнейшая судьба звезды зависит от массы ядра.

Когда водород заканчивается в звездах типа Солнца Красный гигант, по радиусу в 100 раз больше Солнца В центре – маленький и очень плотный белый карлик, сравнимый по размеру с Землей. Его плотность – 1 тонна/см 3 Планетарная туманность

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела Эволюционный трек массивной звезды Светимость Эволюционный трек Солнца Температура

В недрах массивных звезд И далее – 16 O, 20 Ne, 24 Mg, …, 56 Fe. Звезды – единственные источники тяжелых элементов во Вселенной!

Коллапс массивных ядер При массе более 1. 4 массы Солнца ядро не может стать белым карликом и сжимается далее. Электроны «вдавливаются» в атомные ядра, образуя нейтроны. Нейтронная звезда: Радиус около 10 км, плотность – 1018 кг/м 3!

Наблюдения нейтронных звезд Нейтронные звезды быстро вращаются и обладают сильным магнитным полем. Вдоль магнитной оси светит «радиопрожектор» . Если он попадает на луч зрения, мы наблюдаем пульсар. Пульсары – самые точные часы во Вселенной!

Коллапс массивных ядер При массе более 3 масс Солнца ядро не может стать даже нейтронной звездой и сжимается неограниченно. Гравитация столь сильна, что с этого тела не может уйти даже свет… Эффекты Общей Теории Относительности делают область сжавшегося ядра принципиально ненаблюдаемой извне. Образуется Черная Дыра

Как проявляют себя черные дыры? 1. Гравитацией – притяжением других тел. 2. Рентгеновским излучением падающего вещества (как и нейтронные звезды).

Черные дыры во Вселенной 1. Остатки массивных звезд. 2. Сверхмассивные (106 масс Солнца) черные дыры в ядрах галактик, в том числе – в нашей Галактике. 3. Космологические черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной (возможная природа «темной материи» .

Коллапс звездного ядра При сжатии ядра выделяется колоссальная энергия. Происходит взрыв Сверхновой звезды. При взрыве образуются элементы тяжелее железа, вплоть до урана.

Остатки вспышек сверхновых В межзвездное пространство выбрасывается большое количество газа, содержащего тяжелые элементы В нашей Галактике Сверхновые вспыхивают в среднем 1 раз в 20 лет, но из-за пыли большинство мы не видим. Крабовидная Туманность – остаток вспышки Сверхновой, наблюдавшейся в 1054 году.

Вторичное звездообразование Выброшенный газ вновь участвует в процессе звездообразования Звезды второго поколения богаты тяжелыми элементами, в том числе углеродом и кислородом.

Протозвездное облако Одновременно со звездой из протозвездного облака образуются более мелкие тела. Механизм тот же – гравитационная неустойчивость.

Молодое Солнце Звезда типа T Тельца (на рисунке закрыта маской) Остатки протозвездного облака частично сгущаются, образуя планетную систему Первичное вещество остается в виде астероидов, комет и межпланетной пыли

Малые тела Солнечной системы Марс Юпитер Астероиды: Количество – 100 000, Масса – 0. 001 массы Земли Не являются осколками планеты. Напротив, не смогли образовать планету из-за приливного влияния Юпитера. Солнце Земля

Зодиакальный свет Эклиптика Образуется при рассеянии света Солнца на частицах пыли, до сих пор остающихся в Солнечной системе в слое, видимом с Земли «с ребра» Хорошо виден в тропических широтах вечером и под утро Солнце

Солнечная система На разных расстояниях от Солнца планеты отличаются по свойствам и химическому составу

Уран и Нептун – «планеты-близнецы» Радиус – 4. 0 радиуса Земли Масса – 14. 5 масс Земли Радиус орбиты – 19. 2 а. е. Радиус – 3. 9 радиуса Земли Масса – 17. 1 масс Земли Радиус орбиты – 30. 1 а. е.

Сатурн Радиус – 9. 4 радиуса Земли Масса – 95. 2 масс Земли Радиус орбиты – 9. 5 а. е. Плотность – 0. 7 г/см 3

Спутники Сатурна Титан

Титан Радиус – 2600 км (больше Меркурия) Единственный спутник планеты, имеющий плотную азотную атмосферу «Грозы на Титане» (Марк Гарлик)

Юпитер Радиус – 11. 2 радиуса Земли Масса – 318 масс Земли Радиус орбиты – 5. 2 а. е.

Крупнейшие спутники Юпитера Европа Ио Ганимед Каллисто

Марс Радиус – 0. 53 радиуса Земли Масса – 0. 11 массы Земли Радиус орбиты – 1. 5 а. е.

Меркурий Радиус – 0. 38 радиуса Земли Масса – 0. 05 массы Земли Радиус орбиты – 0. 39 а. е.

Венера Самое яркое светило на земном небе после Солнца и Луны

Венера Самая плотная атмосфера в Солнечной системе Прохождение Венеры по диску Солнца 8 июня 2004 года

Венера Радиус – 0. 95 радиуса Земли Масса – 0. 81 массы Земли Радиус орбиты – 0. 72 а. е. Вид снаружи Вид изнутри

Земля Во многом отличается от всех других планет

Земля – двойная планета Луна меньше Земли по размеру в 3. 67 раза, по массе в 81 раз. Эти цифры – наименьшие для 8 больших планет!

Магнитный щит Земли

Ультрафиолетовый щит Земли

Состав атмосферы Земли Ar O 2 N 2 Венера и Марс: CO 2 >95%, O 2 – нет.

Сценарии эволюции Вселенной Был ли Большой Взрыв единственным в истории Вселенной? Если средняя плотность Вселенной больше 10– 29 г/см 3, то нет – Вселенная закрыта (замкнута). Если равна или больше, то да – Вселенная будет расширяться вечно. 1980 -е годы: Вселенная плоская? 1998: Открытие темной энергии.

Темная энергия «Всемирное отталкивание» , заставляющее Вселенную расширяться с ускорением.

Темная материя и темная энергия Темная материя: Природа неизвестна Обладает инертной массой Обладает гравитационным притяжением Плотность убывает со временем Темная энергия ( «космический вакуум» ): Природа неизвестна Не обладает инертной массой Обладает гравитационным отталкиванием Плотность не изменяется со временем плотность темная энергия темная материя 7 млрд лет время

Начало «новой эры» Время: 7 миллиардов лет (сейчас – 14 миллиардов лет). Температура: 5 K (сейчас – 2. 7 K). Плотность всех форм материи убывает и становится меньше постоянной плотности темной энергии Вновь начинается ускоренное расширение Вселенной

Открытие расширения Вселенной 1929 – Э. П. Хаббл: далекие галактики удаляются от нас тем быстрее, чем больше расстояние до них. V = H*R, H – постоянная Хаббла, равная 500 км/c*Мпк. Современное значение – около 65 км/с*Мпк. 1929 Настоящее время

Вселенная в настоящее время Наличие темной энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной

Две эпохи инфляции Современное ускоренное расширение Рекомбинация Инфляция Большой Взрыв

Масштабы Вселенной