Что такое тёмная материя?

25.06.2014 Разместил: Елена Рубрика: наука

Темная материя - одна из самых загадочных субстанций во вселенной. Во всяком случае, так считают очень многие. Загадочности этому "веществу" придает и то, что её невозможно обнаружить, и то, что она якобы есть везде, и само название "темная".
Но, на самом деле, ничего особенно загадочного в ней нет. Или есть. Решайте сами =)

Немного истории

"Открытие" темной материи состоялось в конце прошлого века. Физики изучали скорость вращения галактик и внезапно пришли к выводу, что она значительно выше, чем предсказываемая теоретически. Галактики вращались слишком быстро.

А поскольку скорость вращения галактики напрямую зависит от её массы, астрономы и физики пришли к выводу, что помимо непосредственно наблюдаемой материи в галактиках есть еще что-то - что-то тяжелое и невидимое. Темная материя.

Изначально предполагалось, что темная материя - это просто материя, невидимая в "стандартном" электромагнитном диапазоне. В конце концов, в космосе полно объектов, которые невозможно разглядеть в обычные телескопы. Однако доля массы темной материи в общей массе галактики настолько превышает долю массы "обычной" материи, что становится очевидно - темная материя - это не всякие коричневые карлики. Это что-то иное.

Что это вообще такое

Тем временем, наступил 2014 год, а физики всё никак не могут дать ответ на вопрос "Что такое темная материя?". Впрочем, список кандидатов достаточно велик.

Во-первых, это всё-таки может быть "обычная" материя, по ряду причин ненаблюдаемая. Те же коричневые карлики и черные дыры имеют очень малые физические размеры, не наблюдаются в обычный телескоп и при этом достаточно тяжелые.

Во-вторых, это может быть "странная", небарионная материя - легкие и тяжелые нейтрино либо суперсимметричные партнеры частиц. Объяснение того, что значит "суперсимметричные партнеры частиц" слишком длинное для записи, потому примите как факт. Суперпарнеры частиц - самый подходящий кандидат на роль темной материи. Их действительно невозможно обнаружить, а их энергия значительно превышает энергию "обычных", "наших" частиц.

Ну и, наконец, многие ученые полагают, что темная материя - и не материя как таковая вовсе, а просто "материализовавшиеся" дефекты структуры пространства-времени - магнитные монополи, космические струны и всякое такое. Подобные дефекты при малых физических размерах имеют колоссальную массу, и, следовательно, вполне годятся на роль темной материи.

4.Млечный Путь ( наша Галактика)

(Материал из Википедии — свободной энциклопедии)

А) Структура

Диаметр Галактики составляет около 30 тыс. парсек (порядка 100 000 световых лет, 1 квинтиллион километров), при оценочной средней толщине порядка 1000 световых лет. После статистического анализа данных исследований, проведённых в рамках миссий APOGEE и LAMOST, исследователи из Канарского института астрофизики пришли к выводу, что диаметр диска Млечного Пути составляет около 200 тысяч световых лет.

Галактика содержит, по современной оценке, от 200 миллиардов до 400 миллиардов звёзд. Их основная масса расположена в форме плоского диска. В Галактике Млечный Путь также находится от 25 миллиардов до 100 миллиардов коричневых карликов.

По состоянию на январь 2009, масса Галактики оценивается в 3⋅10¹² масс Солнца, или 6⋅10⁴² кг. Оценка, опубликованная в мае 2016 года астрофизиками из Канады, определяет массу Галактики всего в 7⋅10¹¹ масс Солнца. Бо́льшая часть массы Галактики содержится не в звёздах и межзвёздном газе, а в несветящемся гало из тёмной материи.

Б) Диск

Лишь в 1980-х годах астрономы высказали предположение, что Млечный Путь является спиральной галактикой с перемычкой, а не обычной спиральной галактикой. Это предположение было подтверждено в 2005 году космическим телескопом имени Лаймана Спитцера, который показал, что центральная перемычка нашей галактики является большей, чем считалось ранее.

По оценкам учёных, галактический диск, выдающийся в разные стороны в районе галактического центра, имеет диаметр около 100 000 световых лет. По сравнению с гало, диск вращается заметно быстрее. Скорость его вращения неодинакова на различных расстояниях от центра. Она стремительно возрастает от нуля в центре до 200—240 км/с на расстоянии 2 тыс. световых лет от него, затем несколько уменьшается, снова возрастает примерно до того же значения и далее остаётся почти постоянной. Изучение особенностей вращения диска позволило оценить его массу, оказалось, что она в 150 млрд раз больше

Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звёзды и звёздные скопления, возраст которых не превышает нескольких миллиардов лет. Они образуют так называемую плоскую составляющую. Среди них очень много ярких и горячих звёзд. Газ в диске Галактики также сосредоточен в основном вблизи его плоскости. Он распределён неравномерно, образуя многочисленные газовые облака — от гигантских неоднородных по структуре облаков, протяжённостью свыше нескольких тысяч световых лет, к небольшим облакам размерами не более парсека.

Б) Ядро

Галактический центр Млечного Пути в инфракрасном диапазоне.

В средней части Галактики находится утолщение, которое называется балджем (англ. bulge — утолщение), составляющее около 8 тысяч парсек в поперечнике. Центр ядра Галактики находится в направлении Созвездия Стрельца (α = 265°, δ = −29°)^[24][25]. Расстояние от Солнца до центра Галактики 8,5 килопарсек (2,62⋅10¹⁷ км, или 27 700 световых лет). В центре Галактики, по всей видимости, располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец A*) (около 4,3 миллиона M_☉) вокруг которой, предположительно, вращается чёрная дыра средней массы от 1000 до 10 000 M_☉ и периодом обращения около 100 лет и несколько тысяч сравнительно небольших. Их совместное гравитационное действие на соседние звёзды заставляет последние двигаться по необычным траекториям. Существует предположение, что большинство галактик имеет сверхмассивные чёрные дыры в своём ядре.

Стрелец А* - это сверхмассивная черная дыра, но её размер относительно мал. Радиус объекта составляет всего 22 миллиона километров. Оказавшись в нашей системе, она не заняла бы даже половины расстояния между Солнцем и Меркурием. Несмотря на столь скромные размеры, она оказывает гигантское воздействие на всю галактику. Стрелец А* весит в 4 миллиона раз больше нашей звезды, и его гравитация прямо влияет на всё, что происходит в центральной части Млечного Пути.

В 2016 году японские астрофизики сообщили об обнаружении в Галактическом центре второй гигантской чёрной дыры. Эта чёрная дыра находится в 200 световых годах от центра Млечного Пути. Наблюдаемый астрономический объект с облаком занимает область пространства диаметром 0,3 светового года, а его масса составляет 100 тысяч масс Солнца. Пока точно не установлена природа этого объекта — это чёрная дыра или иной объект.

В 2018 году на основе данных наблюдений рентгеновской космической лаборатории "Чандра" в Галактическом центре было обнаружено несколько сотен чёрных дыр.

В) Рукава

Рукава Галактики

Галактика относится к классу спиральных галактик, это означает, что у Галактики есть спиральные рукава, расположенные в плоскости диска. Диск погружён в гало сферической формы, а вокруг него располагается сферическая корона. Солнечная система находится на расстоянии 8,5 тысяч парсек от галактического центра, вблизи плоскости Галактики (смещение к Северному полюсу Галактики составляет всего 10 парсек), на внутреннем крае рукава, носящего название рукав Ориона. Такое расположение не даёт возможности наблюдать форму рукавов визуально. Новые данные по наблюдениям молекулярного газа (СО) говорят о том, что у нашей Галактики есть два рукава, начинающиеся у бара во внутренней части Галактики. Кроме того, во внутренней части есть ещё пара рукавов. Затем эти рукава переходят в четырёхрукавную структуру, наблюдающуюся в линии нейтрального водорода во внешних частях Галактики.