С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов

(0)

0 0

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов бестселлер бесплатно

Тайна темной материи остается одной из главных загадок современной астрофизики. Эта загадочная субстанция не взаимодействует с электромагнитным излучением, не излучает свет и не отражает его, оставаясь невидимой для наблюдения. Тем не менее, около 26,5% массы-энергии Вселенной приходится на эту таинственную материю. Как ученые вообще пришли к выводу о существовании темной материи, если ее невозможно увидеть? Давайте рассмотрим пять наиболее убедительных доказательств.

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов. Фото №1

Открытие Веры Рубин

В конце 1960-х годов астрофизик Вера Рубин и ее коллега Кент Форд провели исследование вращения спиральной галактики Андромеды, которая находится на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет от Земли. Согласно законам Кеплера и Ньютона, скорость вращения звезд должна уменьшаться по мере удаления от центра галактики, аналогично тому, как скорость планет уменьшается по мере удаления от Солнца.

Однако наблюдения показали нечто иное: звезды на окраинах двигались с такой же скоростью, как и в центре. Это противоречило расчетам и указывало на наличие невидимой массы, которая своей гравитацией удерживает быстро вращающиеся внешние звезды от разлета. Так возникла идея "недостающей массы", позднее названная темной материей, где слово "темная" указывает на загадочность и неопределенность природы этого вещества.

Гравитационное линзирование

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты искривляют пространство-время в своем окружении, что приводит к изгибанию света. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, позволяет определять массу космических объектов.

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов. Фото №2

Изучение скоплений и сверхскоплений галактик показывает, что они искажают свет значительно сильнее, чем можно было бы предположить, основываясь на их видимой массе. Например, в случае скопления Пуля (Bullet Cluster) произошло столкновение двух групп галактик. В результате обычное вещество - горячий газ между галактиками - замедлилось из-за их взаимодействия при столкновении, аналогично тому, как две машины замедляются при аварии.

Однако, гравитационное линзирование показало, что основная масса скоплений галактик находится не в области, где сосредоточен горячий газ, а движется вместе с галактиками, которые прошли друг сквозь друга практически без замедления.

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов. Фото №3

Это означает, что основная часть массы скоплений состоит из таинственной материи, которая не взаимодействует с обычным веществом и поэтому не замедлилась при столкновении — она просто прошла насквозь, словно призрак сквозь стену.

Космический микроволновый фон

Излучение, возникшее через 380 000 лет после Великого взрыва, содержит информацию о ранней Вселенной. Его мельчайшие колебания температуры, изученные космическими аппаратами NASA WMAP и "Планк", отражают пропорции обычного вещества, темной материи и темной энергии (о последней поговорим в другой раз).

Изучение этих данных позволило исследователям выяснить, что Вселенная состоит примерно из 5% обычного вещества, 26,5% темной материи и 68,5% темной энергии. Без воздействия темной материи структура реликтового излучения выглядела бы совершенно иначе.

Формирование крупномасштабной структуры Вселенной

Исследования с использованием компьютерного моделирования показывают, что без наличия темной материи галактики и скопления галактик не смогли бы сформироваться за время, прошедшее с момента возникновения Вселенной (примерно 13,8 миллиарда лет). Обычная барионная материя не обладает достаточным гравитационным воздействием для формирования наблюдаемых нами структур в настоящее время.

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов. Фото №4

Темная материя, не взаимодействующая с излучением, начала образовывать гравитационные "ямы" задолго до появления первых звезд. Эти структуры из темной материи стали основой для появления первых сверхмассивных черных дыр и формирования галактик, объясняя наблюдаемую "космическую паутину" - сетчатую структуру распределения галактик во Вселенной, где галактики выстраиваются вдоль длинных нитей, как бусины на нити, а между ними пространство заполнено огромными пустотами.

Гравитационные эффекты в скоплениях галактик

Измерения температуры горячего газа в скоплениях галактик позволяют определить давление этого газа, что в свою очередь указывает на силу гравитационного поля, удерживающего его. Наблюдения показывают, что видимой массы скоплений недостаточно для удержания газа — необходимо в 5-10 раз больше массы.

Первоначально это было обнаружено и описано астрофизиком Фрицем Цвикки в 1933 году во время изучения скопления галактик Кома, включающего более 1 300 галактик. Несмотря на то, что его открытие не вызвало широкого внимания в то время, оно стало одним из первых намеков на существование темной материи.

С чего ученые решили, что существует темная материя? 5 убедительных аргументов. Фото №5

Альтернативы и вызовы

Некоторые ученые в области астрофизики выдвигают альтернативные теории для объяснения наблюдаемых явлений, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которая предполагает изменение законов гравитации на больших расстояниях. Однако эти предположения не могут полностью объяснить все наблюдения так эффективно, как концепция темной материи.

Несмотря на обилие убедительных доказательств существования темной материи, ее точное происхождение остается одним из наиболее увлекательных и значительных загадок современной науки. Ведущие научные центры по всему миру продолжают активные поиски элементарных частиц темной материи, которые могут стать ключом к пониманию основных законов природы. Раскрытие тайны темной материи поможет разгадать процессы зарождения и развития Вселенной, позволит понять, как формировались первые галактики и звезды, а в итоге — как сложились условия для возникновения жизни на нашей планете.