 |
|
|
|
|
|
“Хъбъл” направи триизмерни снимки на черната материя Астрономи заснеха космическия “скелет” на тъмната материя, върху която се градят звездите и галактиките. Тъмната материя не отразява и не излъчва доловима светлина, но въпреки това съставя повечето от масата на Вселената.
Изследването, публикувано в списание “Нейчър”, предоставя най-добрите доказателства досега, че разпределението на галактиките следва разпределението на тъмната материя. Това е така, защото тъмната материя привлича “обикновената” материя чрез гравитационни сили.
Учените представиха подробности от изследването си по време на пресконференция на 209-та среща на Американското астрономическо дружество в Сиатъл, Вашингтон. Работата им включва близо 1000 часа наблюдения с телескопа “Хъбъл”. Според един от учените откритията предоставят “прекрасно потвърждение” на стандартните теории за обяснение на това как структурата на Вселената е еволюирала за милиарди години. Обикновената материя – газ, звезди, планети и галактики – съставят само видимата Вселена.Тъмната материя е веществото, което, според астрономите, е отговорно за разликата между масата на галактика, намерена чрез модифицирания вид на третия закон на Кеплер и наблюдаемата маса под формата на звезди и газ. Количеството тъмна материя, необходимо за да се премахне разликата е много голямо и при някои галактики достига 10 пъти видимата им маса, което ще рече, че когато наблюдаваме галактика, в някои случаи, виждаме само една десета от веществото й.
Най-силното доказателство, че тъмната материя съществува идва от галактичните криви на въртене. Кривата на въртене е полезна за изучаването на тъмната материя, защото орбиталната скорост зависи от масата, видима или не, която се намира между звездата и центъра на галактиката.Според първия закон на Нютон, ако тяло не се движи по права линия (звезда в орбита около галактика), то върху него се упражнява сила. Знаем, че в конкретния случай силата е гравитацията. Също така знаем, че гравитационното привличане зависи от масата на привличащото тяло (в този случай галактика). При равни други условия по-голяма маса ще поражда по-голяма сила. Трябва да имаме в предвид, обаче, че само материята, намираща се между центъра на галактиката и орбитата на звездата допринася за гравитационната сила. На звездите, намиращи се близо до галактичния център ще действа малка сила, защото между тях и галактичния център има малко маса. Тъй като действащата сила е малка, тези звезди не могат да се движат много бързо, защото иначе биха отлетели от галактиката. От друга страна, на звездите, орбитиращи много далеч от центъра, също трябва де действа малка сила. На тях им действа пълната маса на галактиката, но въпреки това гравитационната сила, действаша върху тях е малка, защото те са толкова отдалечени от основната маса (спомнете си, че гравитационната сила бързо ослабва с увеличаване на разстоянието от основната маса). Тези външни звезди също трябва да орбитират бавно за да не отлетят от галактиката. Разбрахме, че и близките до центъра звезди, и отдалечените от него трябва да имат ниски орбитални скорости. Следователно кривата на въртене на една галактика трябва да има връх.
Детайлни математически модели потвърждават гореописания анализ и показват, че кривата на въртене трябва да започне с малки скорости в близост до центъра. После, при средните разстояния, кривата трябва да тръгне нагоре - към по-високи скорости и впоследствие, при големи разстояния от центъра, пак да спадне до ниски скорости. Когато астрономите замерват кривите на въртене на галактики, те установяват, че скоростите в нито един случай не следват теоретичните ни разработки. Кривите наистина показват увеличение на скороста с приближаване към средните разстояния, но от там нататък те се изравняват и никога не спадат до ниски скорости. Как може да се обясни толкова важна разлика между теория и наблюдения? Ако физичните ни закони са верни, само едно нещо може да обясни такова поведение: галактиките трябва да съдържат огромни количества невидяна досега маса във външните си части. Тази маса упражнява гравитационна сила върху далечните звезди, удържайки ги в орбита, въпреки високите им орбитални скорости. Освен това, количеството на тази материя, нужно за да обясни наблюдаемите криви на въртене, е огромно (много пъти повече от наблюдаемата маса на галактиката). Проучвания сочат, че повечето галактики, включително и Млечния път, може да са обградени от огромно хало от тъмна материя, което е много по-масивно и голямо от "видимата" галактика.
Какво може да представлява тази тъмна материя? Астрономите са объркани. Можем да изключим обикновените слаби звезди, защото такива обекти биха излъчвали поне малко инфрачервена радиация, която щяхме да можем да регистрираме. Можем да изключим и студения газ, защото той може да бъде "видян" от радиотелескопите. Можем да изключим и горещия газ, защото той би бил "видян" от рентгенови, оптични или радиотелескопи. Към обектите, които не можем да изключим спадат малки тела с размерите на планетезимал, невероятно леките звезди, мъртви бели джуджета, мъртви неутронни звезди, черни дупки и податомни частици като неутриното. Други възможни обекти включват податомни частици, предсказани теоретично, но засега ненаблюдавани в лаборатория като фотино или СВМЧ (Слабо Взаимодействащи Масивни Частици). Природата на тъмната материя остава една от главните мистерии в астрономията днес. Освен това тъмната материя не се ограничава само в галактиките. Тя се "просмуква" в галактичните купове и може би дори в самата Вселена.
Не трябва да се изненадваме от факта, че нещо огромно като Вселената все още има тайни. Всъщност тъмната материя е само един от многото аспекти на галактиките, които астрономите не разбират напълно.По темата накратко
Тъмна материя в астрономията е не светещ материал, който не може да бъде директно засечен от наблюдения на електрамагнетична радиация, но чието съществуване е предположено поради определени теоретични факти. Дали тъмна материя съществува и в какви количества - са едни от най-предизвикателните въпроси в модерната астрофизика.
Учените решили че такава материя съществува, поради движението на някои галактики. Тяхната скорост е много по-висока от предположената, което би причинило тяхното излизане от орбита. Астрономите предполагат, че съществува допълнителна маса, която не може да бъде засечена, задържаща галактиките в орбита. Тази материя е по настоящем наречена "тъмна материя".Информация
Базирано на 50 години наблюдения на движението на галактиките и разширяване на вселената, повечето астрономи вярвят, че 90 % от веществото, изпьлващо вселената, са невидими обекти или частици. С други думи по-голямата част от материята вьв Вселената не излъчва радиация - не излъчва светлина, която можем да засечем. Съществуването на тази материя е предположено възоснова на данните, събрани при наблюдения на натрупвания на галактиките. В днешно време ние наричаме тази липсваща маса "тъмна материя", защото липса светлината, а не материята.
Астрономите и физиците предлагат множество обяснения за съществуването на тъмна материя. От една страна тя може да е просто обикновен материaл, като много бледи звезди, големи или малки черни дупки, студен газ или прах, разпръснат из Вселената - всички поглъщащи или отразяващи прекалено малко радиация, за да могат да бъдат засечени. От друга страна, тъмна материя може да бъде и категория от тъмни обекти, наречени MACHO (Massive Compact Halo Objects - огромни компактни ареолни обекти), които стоят невидими в ареолите, заобикалящи галактиките и галактическте струпвания. Освен това тъмна материя може да се състои с от екзотични непознати частици, които още не са наблюдавани. Физиците предполагат съществуването на тези частици, независимо от факта, че тяхното присъствие не е доказано експериментално. Друга възможност за обяснението на този проблем може да бъде нашето разбиране за гравитацията, което се нуждае от основно премисляне.
От тази гледна точка нашето непознаване на свойствата на тъмната материя е силно свързано с други важни въпроси в космологията - колко маса съдържа вселената, как са формирани галактиките и дали е възможно вселената да се разширява вечно. Съществуването на тази тъмна материя е толкова важно за нашето разбиране на размера, формата и съдбата на Вселената, че това изследване вероятно ще доминира в астрономията през следващите няколко десетилетия.Наблюдение на невидимото
Разбирането на нещо, което не можем да видим, е трудно, но не и невъзможно. Астрономите изучават тъмната материя с помощта на въздействието й върху светлата материя, която виждаме. Например, когато наблюдаваме трептението на звезда, ние предполагаме, че тъмна материя се движи в орбита около нея. Прилагайки подобни принципи за спирални галактики, можем да заключим присъствието на тази материя, защото то обяснява иначе необяснимите движения на звездите в тази галактика.
Когато наблюдаваме орбитите на звезди и облаци от газ, обикалящи центровете на галактиките, установяваме, че те се движат прекалено бързо. Тези неочаквано високи скорости сигнализират за гравитационно привличане, упражнено от нещо повече от видимата материя на галактиките. След детайлни измeрвания на скоростта може да се заключи, че голямо количество от невидима материя упражнява гравитационна сила, която държи тези звезди и облаци от газ в техните високоскоростни орбити. Ние предполагаме, че тъмната материя се разпростира в галактиката, стигаща над видимия галактически ъгъл и излизайки над и под иначе сплескания светъл галактически диск. Опитайте се да си представите типична спирална галактика като нашия Млечен Път като приблизително плосък блестящ диск, обвит от сферичен ареол от невидим матeриал - почти като много разпръснат облак.
Наблюдавайки единична галактика, астрономите виждат в нейния радиус само около 10% от общата гравитационна маса, нужна й да съществува и да обясни бързината на звездите, които се въртят около галактическия център.
В опитите да се открие количеството и разпредeлението на тъмна материя в натрупвания от галактики, астрономи открили, че галактиките в струпванията плуват, покрити със силно разпръснати облаци с температура от 100 000 000 градуса от газ, богат на енергия, но труден за засичане. Други наблюдатели се научили да използват температурата на този газ, който разпръсква ренгенови лъчи. И в двата случая тази информация ни дава следи за природата и местоположението на невижданата материя.
В натрупванията на галактики дължината на региона, излъчващ рентгенови лъчи, и температурата на газа, ни позволяват да установим количеството гравитационна маса в радиуса на струпването, която е почти 10 000 000 светлинни години. Например, когато съберем светещата материя и рентгеновите лъчи, излъчващи топъл газ, ние можем да усетим около 20 - 30 % от масата на струпването от галактики. Останалото, което е тъмна материя, остава незасечено от съществуващата техника.
В днешно време са измислени други мeтоди да се засече тъмната материя. Един от тях е набелязването на пръстени или дъги около натрупването от галактики. Така наречените Айнщайнови пръстени се появяват поради явление, иэвестно като гравитационна леща, която се появява, когато гравитацията на голям обект пречупва светлината, минаваща през него. Например, когато натрупване от галактики спира нашия поглед върху други галактики зад него, гравитацията на натрупването изкривява светлината на по-отдалечената галактика, създавайки пръстени и дъги. Интересен е фактът че по-близкото натрупване от галактики играе ролята на природен телескоп, пречупващ светлината през нашите детектори.
Използвайки компютърни модели, можем да сметнем масата на натрупването от галактики, предполагайки количеството от невидима материя, която присъства, за да създаде наблюдаваната геометрична дефлекция. Такива калкулации потвърждават теорията, че натрупванията съдържат много повече маса, отколкото се предполага от съществуването само на светеща материя.Къде се намира тъмната материя?
Няколко отбора от учени търсят прецизно за близки прояви на ефекта на лещата, причинени от невидими MACHOs в ареола на млечния път. Търсенето на тези частици се разпростира над милиони звезди в Магелановите облаци и галактиката Андромеда. Накрая изследването ще лимитира количеството тъмна материя, която съществува в ареола на нашата галактика.
С даденото силно доказателство, че спирални и елиптични галактики лежат, покрити с големи ареоли от тъмна материя, астрономите сега се опитват да открият мeстоположението, количеството и разпространението на този невидим материал. За да отговорят на тези въпроси, изследователите сравняват наблюденията от специфични близки галактики. Ние научаваме от движението на Магелановите облаци, две сателитни галактики, видими в южното полукълбо, че те обикалят в орбити в ареола на Млечния Път и че ареола продължава над облаците, обхващайки разстояние от почти 300 000 светлинни години. Всъщност движението на най-далечния сателит на нашата галактика предполага, че нейният ареол може да стига 2 пъти по-далече - 600 000 светлинни години.
Поради факта, че нашата най-близка спирална галактика Андромида се намира на едва 2 000 000 светлинни години разстояние, ние осъзнаваме, че ареола на нашата галактика може наистина да обхваща голяма част от разстоянието до Андромеда и нейния ареол. Учените също са открили, че натрупванията на галактики са покрити дори от по-големи системи от тъмна материя. Но най-дългите разстояния, до които можем да определим масата на галактиките, тъмната материя изглежда в отношение към светещата материя като 10:100.
Като цяло астрономите вярват, че тъмната материя се свързва със светещата материя, защото двете често се срещат заедно. Въпреки това, това заключение може да ни доведе до предубедени наблюдения, защото светлата материя обикновено ни позволява да открием тъмната материя.
Изучавайки формите и движението на галактиките през десетилетията, астрономите са разбрали, че индивидуални галактики непрекъснато еволюират, до голяма стeпeн породено от гравитационото дърпане от други съседни галактики. В отделните галактики звездите остават далеч една от друга, пропорционално на техните диаметри, следователно гравитационното им въздeйствие е слабо. Така галактиките си въздействат гравитационно, но с прибавянето на гравитацията на тъмната материя към техните взаимодeйствия.
Когато наблюдават разтежа, свиването, блъскането и трансформирането на галактики, учените разбират, че тези галактически движения биха били нeвъзможни без присъствието на тъмна материя.
В последно време астрономите откриха още по-близка съседна галактика - джуджето Стрелец, която се намира на далечния край на Млечния Път близо до неговия външен ъгъл. Става ясно, че гравитацията на нашата галактика разпада джуджето Стрелец, което ще престане да съществува като отделна галактика след още няколко орбити. Нашатя галaктика може сама да е създадена от дузина такива предишни придобивки. По същия начин близката галактика М31 и Млечния Път се приближават една към друга. Като очакващи зрители ние трябва да наблюдаваме този процес няколко десетилетия, за да разберем дали М31 ще се блъсне в нашата галактика или просто ще се плъзне покрай нас. Ако те се сблъскат, ние ще се изгубим: Млечният Път ще стане част от по-голямата галактика М31.
От друга страна нашата галактика като всички големи галактики се държи като нелюбезен съсед. Тя поглъща всички близки частици и ги превръща в строителни елементи за собствения си растеж. Изучавайки въртенето, извиването, обръщащите движения и структурата на много галактики, които се движат в космоса, астрономите могат да заключат гравитационните сили, нужни да се осъществи тяхното движение и количеството тъмна материя, която те съдържат.Колко тъмна материя съдържа вселената?
Съдбата на Вселената зависи от един все още неизвествен параметър: общата маса на Вселената. Ако живеем в много наситена или "затворена" Вселена, гравитационното привличане ще спре разширяването на Вселената, ще я като накара да се свие и по-късно може би повторно да се разшири. От друга страна ако живеем в малко наситена или "отворена" Вселена, тя ще се увеличава вечно.
Направените досега наблюдения предполагат, че Вселената или поне регионът, който ние можем да наблюдаваме е "отворена", вечно растяща. Когато съберем всичката светеща маса, която можем да засечем плюс всичката тъмна материя, за която предполагаме от нашите наблюдения, сумата е още само около 20% от масата, нужна да спре Вселената от вечно разширяване.
Друг сложен фактор, който трябва да се има впредвид е че изцяло тъмни системи може да съществуват - може да съществуват струпвания от тъмна материя, в които светеща материя не е прониквала. В сегашно време, ние не знаем дали такива системи съществуват, защото не разполагаме с информация нито да потвърдим или отречем тяхното присъствие.Какво е тъмна материя?
Каквото и да се окаже, че е тъмна материя, учените знаят със сигурност, че Вселената съдържа големи количества от нея. Астрономите са още в началния етап на нейното изследване. Въпреки това трябва да се определи рамката, в която са насочени техните изследвания.
Произходът на елементите след Големия Взрив може да се обясни с ядрен синтез, който лимитира броя на барионите - частици от обикновената материя, която съществува във Вселената. Този лимит е породен от стандартния модел за ранната Вселена, който има един параметър - отношението между броя бариони и броя фотони.
От температурата на космическите микровълни, която в днешно време може да бъде измерена, намираме броя фотони. Следователно, за да намерим броя бариони, ние трябва да наблюдаваме и разберем космическото изобилие светли ядра, единствените елементи, формирани веднага след Големия Взрив.
С помощта на ядрения синтез, може да бъде конструиран модел на ниско наситена, отворена Вселена. В този модел са взети по равно от барионите и екзотичната материя (не барионни частици), но в количества, които са едва 20% от нужната материя, за да се затвори Вселената. Този модел отговаря напълно на направените наблюдения. От друга страна различен от този модел на отворена Вселена, в който всичката материя е барионна, също отговаря на наблюденията ни. За нещастие този модел нахвърля възможностите на ядрения синтиз. Следоватено низко наситените Вселени имат мистериозни характеристики: по-голямата част от барионите във вселената остават невидими, с непозната природа и по-голямата част от повечето модели е екзотична материя.Екзотични частици
Диапазонът от частици, които могат да съставят тъмната материя е неутрални елементарни частици, светещи частици, количествени частици на гравитационните взаимодействия, хипотетични атомни частици и магнитни монополи. От всички тях, учените са открили само неутралните елементарни частици. Други експерименти са на път да открият още екзотични частици. Ако те съществуват, и ако имат маса в правилния диапазон, тогава тези частици могат да проникнат във Вселената и да образуват тъмната материя.
До голяма степен детайлите около еволюцията на галактиките и техните струпвания зависят от свойствата на тъмната материя. Ако не знаем тези свойства трудно може да се обясни как галактиките са еволюирали дотам, докъдето са стигнали днес. При задълбочаване на знанията ни около ранната Вселена, скоро може би ще знаем повече за формирането на галактиките и тъмната материя.
Това, което не можем да видим с очите си, можем да наблюдаваме чрез компютрите. Сега те играят важна роля в изследванията за тъмна материя. В миналото учените са съсредоточавали вниманието си върху наблюдения, сега това преминава в експериментални изследвания. Днешните астрономически експериментатори не седят в лаборатории или пред телескопи, а пред компютри. Те разглеждат подробно космически симулации, в които хиляди точки, представящи звезди, газ и тъмна материя, си взаимодействат по време на живота на една галактика. Космологът може да направи симулация като приспособява параметрите на тъмната материя и след това наблюдава какво става, когато виртуалните галактики еволюират в изолация или в претъпкана вселена.
По този начин компютърните модели могат да предскажат поведението на една галактика. Например, когато две галактики имат близка среща, силно сливане или подминаване през нощта, те понякога получават дълги приливни опашки. От моделите сега знаем, че тези опашки се появяват само когато тъмната материя на всеки галактически ареол е от 3 до 10 пъти повече от светещата материя. По-тежки ареоли поизвеждат по-ниски опашки. Това осъзнаване е помогнало на астрономите да интерпретират това, което виждат, и да разберат повече за тъмната материя, която не виждат. За първи път в историята на космологията компютърните симулации всъщност водят наблюденията.
Тези нови методи, също както и новите начини на мислене, ни дават разбиране за структурата на небесата. Преди по-малко от 400 години Галилео Галилей поставя малка леща в единия край на картонена тръба, използвайки само своя голям мозък. Така той научава за бледата река на небето, Млечния Път, в който всъщност се включват милиарди единствени звезди и звездни групи. Внезапно човекът осъзнава какво е галактика. Може би в следващия век някои нов голям мозък ще използва някакъв инструмент и ще даде окончателен отговор на въпроса какво е тъмна материя.10.01.2007 г.