Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Прихована маса


WMAP 2003.png

План:


Введення

Прихована масакосмології і астрофізиці також темна матерія, темна речовина) - загальна назва сукупності астрономічних об'єктів, недоступних прямим спостереженнями сучасними засобами астрономії (тобто не випускають електромагнітного або нейтринного випромінювання достатньої для спостережень інтенсивності і не поглинає їх), але можна побачити опосередковано по гравітаційним ефектам (зокрема за ефектом "гравітаційної лінзи"), що надаються на видимі об'єкти. Вчені вважають, що кількість темної матерії як мінімум в 5 разів більше кількості видимою.

Загальна проблема прихованої маси складається з двох частин:

  • астрофізичної, тобто протиріччя спостерігається маси гравітаційно зв'язаних об'єктів та їх систем, таких, як галактики і їх скупчення, з їх спостережуваними параметрами, обумовленими гравітаційними ефектами;
  • космологічної - протиріччя спостерігаються космологічних параметрів отриманої за астрофізичним даними середньої щільності Всесвіту.

1. Спостережувані дані гравітаційних ефектів прихованої маси

1.1. Прихована маса і обертання галактик

Рис. 1 Крива диференціального обертання галактик: відхилення від кеплеровского закону обертання пояснюються, ймовірно, наявністю прихованої маси

Диференціальні швидкості обертання галактик (тобто залежність швидкості обертання \! v (r) галактичних об'єктів від відстані \! r до центру галактики) визначаються розподілом маси в даній галактиці і для сферичного об'єму з радіусом \! r , В якому міститься маса \! M (r) , Задаються співвідношенням

v (r) = \ sqrt {{{GM (r)} \ over r}} ,

тобто за межами обсягу \! M (r) , В якому зосереджена основна маса галактики швидкість обертання \! v (r) \ sim r ^ {- {1 \ over 2}} . Однак для багатьох спіральних галактик швидкість \! v (r) залишається майже постійною на досить значній відстані від центру (20-25 кіло парсек), що суперечить швидкому зменьшенням щільності спостерігається матерії від центру галактик до їх периферії (див. Рис. 1).

Таким чином, для пояснення спостережуваних значень \! v (r) необхідно допустити існування неспостережний (несветящегося) матерії, що тягнеться на відстані, що перевищують у десятки разів видимі межі галактик і з масою, на порядок вище сукупної маси спостерігається світиться матерії галактики ( гало галактик).


1.2. Маса скупчень галактик: проблема Цвіккі

Рис. 2 Скупчення галактик Abell 2390 (зверху) і MS2137.3-2353 в рентгенівському спектрі (ліворуч, випромінює гарячий міжгалактичний газ) і оптичному (справа, фальшивих кольорів), дуги - ефект гравітаційного лінзування фону.
Сукупна спостережувана маса становить близько 13% від розрахункової ([1]).

В 1937 Фріц Цвіккі (Fritz Zwicky) опублікував роботу "On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae" [1], в якій на основі спостережень відносних швидкостей галактик у скупченні Волосся Вероніки на 18-дюймовому телескопі Шмідта Паломарській обсерваторії отримав парадоксальний результат: спостережувана маса скупчення (отримана за сумарними світність галактик і їх червоному зсуву) виявилася значно нижче маси скупчення, розрахованої виходячи з власних швидкостей членів скупчення (отриманих за дисперсії червоного зсуву) відповідно до теоремою про віріале : сумарна спостережувана маса скупчення виявилася в 500 разів нижче розрахункової, тобто недостатньою, щоб утримувати складові його галактики від "розльоту".


1.3. Маса скупчень галактик: гарячий міжгалактичний газ

З розвитком рентгенівської астрономії в скупченнях галактик було виявлено рентгенівське випромінювання гарячого (розігрітого до температур порядку 10 6 K) газу, що заповнює міжгалактичну середу, - тобто було виявлено частину прихованої маси таких скупчень. Однак підсумовування спостережуваних мас такого газу з спостерігаються масами галактик скупчення не дало маси, достатньої ні для утримання галактик, ні для утримання газу в скупченнях.


1.4. Гравітаційне лінзування фону галактиками та їх скупченнями

Одним з непрямих методів оцінки маси галактик є гравітаційне лінзування ними фонових (розташованих на лінії спостереження за ними) об'єктів. В даному випадку ефект гравітаційного лінзування може проявлятися у вигляді спотворення зображення фонового об'єкта, або появу його багаторазових уявних зображень. Рішення зворотної задачі, тобто розрахунок гравітаційного поля, необхідного для отримання таких зображень, дозволяє оцінити масу гравітаційної лінзи - скупчення галактик. І в цьому випадку розрахункові значення значно перевершують спостережувані (див. Рис. 2).


2. Природа і склад прихованої маси

Крім прямих спостережень гравітаційних ефектів прихованої маси існує ряд об'єктів, пряме спостереження яких утруднено, але які можуть вносити вклад до складу прихованої маси. В даний час розглядаються об'єкти баріонної і небаріонной природи: якщо до перших відносяться досить добре відомі астрономічні об'єкти, то в якості кандидатів у другі розглядаються страпелькі і гіпотетичні елементарні частинки, що прямують з класичної квантової хромодинаміки ( Аксион) і суперсиметричних розширень квантових теорій поля.


2.1. Масивні об'єкти гало галактик

Для пояснення відхилення швидкостей обертань галактичних об'єктів від кеплерівських слід припустити наявність масивного темного гало галактик. До масивним об'єктів гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO) відносяться слабоізлучающіе компактні об'єкти, в першу чергу маломасивні зірки - коричневі карлики, субзвезди або дуже масивні юпітероподобние планети, маса яких недостатня для ініціювання термоядерних реакцій в їхніх надрах, остиглі білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.


2.2. Міжгалактичний газ: Лайман-альфа ліс

На відміну від згадуваного вище гарячого газу галактичних скупчень, що випромінює в рентгенівському діапазоні, спостереження спектрів квазарів свідчать про досить масивних міжгалактичних хмарах водню. У спектрах квазарів з досить високим червоним зміщенням спостерігається безліч зміщених ліній ("ліс" ліній) поглинання Лайман-альфа водню, утворених безліччю хмар водню, розташованих на різній відстані по променю зору. Такий феномен отримав назву Лайман-альфа ліс ( англ. Lyman-alpha forest ).


2.3. Небаріонная темна матерія

За сучасними уявленнями, лише близько 4,4% маси Всесвіту становить звичайна баріонів матерія. Приблизно 23% доводиться на небаріонную темну матерію, не бере участь в сильному і електромагнітному взаємодії. Вона спостерігається тільки в гравітаційних ефектів.

Залежно від швидкості частинок розрізняють гарячу і холодну темну матерію. Гаряча темна матерія складається з частинок, що рухаються з околосветовой швидкостями, мабуть, з нейтрино.

Гарячої темної матерії недостатньо, за сучасними уявленнями, для формування галактик. Дослідження структури реліктового випромінювання показало, що існували дуже дрібні флуктуації щільності речовини. Швидко рухається гаряча темна матерія не могла б сформувати таку тонку структуру.

Холодна темна матерія повинна складатися з масивних повільно рухаються (і в цьому сенсі "холодних") часток або згустків речовини. Експериментально такі частки не виявлені.

В якості кандидатів на роль холодної темної матерії виступають слабо взаємодіючі масивні частинки (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такі як Аксион і суперсиметричні партнери- ферміони легких бозонів - Фотіна, гравітіно та ін

Вперше припущення про існування матерії, яка взаємодіє із звичайною речовиною тільки через гравітацію, було висловлено на початку XX століття у зв'язку з аномальною прецесією перигелію Меркурія. Проте ця проблема була вирішена вже в 1916 році Альбертом Ейнштейном завдяки його Загальної теорії відносності, яка внесла в ньютонівську теорію гравітації відповідну поправку на орбітальні руху, вичерпно пояснює спостережуване явище, що послужило і першим підтвердженням ОТО.

Також робляться спроби пояснити криві обертання галактик зміною законів гравітаційної взаємодії на великих масштабах (зокрема, модифікована ньютонівська динаміка - MOND), однак передбачаються в рамках MOND профілі щільності і температури гарячого газу в скупченнях галактик сильно розходяться з спостерігаються [2].


3. Прихована маса і космологічні параметри, проблема темної енергії

Однією з основних проблем космології є питання про середню кривизні простору і темпі розширення Всесвіту. Якщо кривизна простору нульова або від'ємна, то розширення Всесвіту відбувається необмежено (плоска і відкрита моделі Всесвіту); якщо кривизна позитивна, то розширення Всесвіту має змінитися стисненням (закрита модель Всесвіту). У свою чергу, в рамках загальної теорії відносності (ЗТВ), середня кривизна простору Всесвіту залежить від її середньої щільності, нульовий кривизні відповідає критична щільність Ω c r i t ~ 10 -29 г / см , що еквівалентно приблизно 5 атомам водню на м . Однак, незважаючи на те, що спостережуване значення середньої щільності світиться матерії Ω v i s складає близько 1% від критичної, дані спостережень свідчать про те, що кривизна Всесвіту близька до нуля, тобто Ω досить близько до Ω c r i t

В 1917 р. Ейнштейн для забезпечення стаціонарності (незалежності від часу) космологічної моделі ОТО ввів космологічну сталу Λ , Що діє у великих масштабах як сила відштовхування, проте в 1922 р. Фрідман опублікував роботу по космологічної моделі нестаціонарної розширення Всесвіту, в якій космологічна постійна була рівна нулю. Після відкриття Хабблом червоного зсуву, тобто космологічного розширення, підстави для введення космологічної постійної відпали, і сам Ейнштейн у розмові з Гамовим назвав ідею космологічної постійної своїм найбільшим промахом ( англ. biggest blunder ) В науці.

Разом з тим, спостереження наднових типу Ia, проведені в 1998 р. в рамках Supernova Cosmology Project показали, що постійна Хаббла змінюється з часом таким чином, що її поведінку можна пояснити відповідним підбором величини космологічної постійної Λ , Що вносить вклад Ω Λ в середню щільність Ω . Ця частина прихованої маси отримала назву темної енергії ( англ. dark energy ).

Склад Всесвіту за даними WMAP

Інтерпретація даних по анізотропії реліктового випромінювання, отриманих в ході роботи WMAP ( англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe , 2003 р.) дала наступні результати: спостерігається щільність Ω близька до Ω c r i t і розподіл Ω = Ω Λ + Ω v i s + Ω d a r k по компонентах: баріонів матерія Ω v i s - 4,4%, темна холодна матерія (WIMP) Ω d a r k - 23%, "темна енергія" Ω Λ - 72,6%.


Примітки

  1. Zwicky, F. On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophysical Journal, vol. 86, p.217 - adsabs.harvard.edu / cgi-bin / nph-bib_query? bibcode = 1937ApJ .... 86 .. 217Z
  2. A. Aguirre, CP Burgess, A. Friedland, D. Nolte. Astrophysical Constraints on Modifying Gravity at Large Distances - www.iop.org/EJ/abstract/0264-9381/18/23/202/ (Англ.) / / Classical and Quantum Gravity. - 2001. - Т. 18. - С. R223-R232. - DOI : 10.1088/0264-9381/18/23/202 - dx.doi.org/10.1088/0264-9381/18/23/202 arΧiv : hep-ph/0105083 - arxiv.org/abs/hep-ph/0105083.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Прихована категорія
Прихована камера
Зоряні війни. Епізод I: Прихована загроза
Маса
Маса
Молярна маса
Повітряна маса
Критична маса
Маса, Ісаак
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru