Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Темна матерія

Темна матерія - один із компонентів Всесвіту, існування якого виявлено нещодавно лише за гравітаційним впливом на видиму матерію і на фонове випромінювання, так як вона не випромінює і не розсіює електромагнітне випромінювання, а також не бере участі у сильній (ядерній) взаємодії. Припущення про її існування необхідне для пояснення розбіжностей між:

-> масами галактик, скупчень галактик та усього Всесвіту, виміряних за їх динамічними характеристиками, та

-> масами видимої у них матерії -- зірок, газу і пилу з міжзоряного і міжгалактичного середовища.

На основі спостережень структур більших за розмірами галактик та їх інтерпретації у рамках теорії Великого Вибуху встановлено, що темна матерія становить 23% від сумарної густини усіх компонент Всесвіту. Для порівняння, звичайна речовина становить лише 4.6% від сумарної густини Всесвіту, решта густини -- 72.4% припадає на темну енергію. Якщо не брати до уваги темну енергію, то темна матерія становить близько 80% від густини матерії Всесвіту, а звичайна (видима) матерія становить лише близько 20%.

Походження назви

Термін «темна матерія» був запропонований Фріцем Цвіккі у 1934 році для позначення невидимої маси, на існування якої вказують виміряні орбітальні швидкості галактик у скупченнях. Згодом і інші спостереження вказали на наявність темної матерії у Всесвіті. Ці спостереження включають:

швидкості обертання галактик, визначені за доплерівськими зміщеннями у їх спектрах;

гравітаційне лінзування фонових об'єктів скупченями галактик;

розподіли температури та інтенсивності гарячого газу в галактиках і скупченнях галактик;

динамічні характеристики Всесвіту, такі як стала Габбла та параметр прискорення;

анізотропія температури та поляризації реліктового випромінювання;

великомасштабна структура Всесвіту, тощо.

Темна матерія відіграє центральну роль у моделях формування великомасштабної структури та еволюції галактик і має помітний вплив на анізотропію температури та поляризації реліктового випромінювання. Усі ці дані свідчать про те, що галактики, скупчення галактик і Всесвіт у цілому містять набагато більше матерії, ніж та, яка взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. Велика частина темної матерії, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, є не тільки «темною» (не випромінює світло), а, за визначенням, абсолютно прозорою (не поглинає і не розсіює світло).

Хоча темна матерія відіграє важливу роль у космології, прямі докази її існування і конкретного розуміння її природи залишаються недосяжною метою. Гіпотеза про існування темної матерії залишається найбільш широко прийнятною для пояснень спостережуваних аномалій у галактичному обертанні, однак розглядаються і альтернативні підходи, які загалом відносяться до категорій квантових та модифікованих класичних теорій гравітаційної взаємодії.

Баріонна і небаріонна темна матерія

Невелика частина темної матерії може виявитися баріонною темною матерією астрономічних тіл, таких, як масивні компактні об'єкти гало (планети, чорні діри, холодні зорі на кшталт коричневих карликів, тощо), які складаються зі звичайної матерії, однак випромінюють мало або взагалі не випромінюють електромагнітного випромінення. Як вважають, переважна більшість темної матерії у Всесвіті - не баріонна. Вважається також, що вона не взаємодіє зі звичайною речовиною шляхом електромагнітної взаємодії, тобто частинки темної матерії не несуть електричного заряду. Небаріонна темна матерія включає нейтрино і значну частину інших, поки що гіпотетичних частинок, наприклад таких як аксіони.

На відміну від баріонів, темна небаріонна матерія не мала прямого впливу на утворення (синтез) первинних хімічних елементів у ранньому Всесвіті (в епоху нуклеосинтезу), і тому її присутність виявляється тільки через її гравітаційне тяжіння. Однак, якщо частинки темної матерії є суперсиметричними, вони можуть взаємодіяти між собою? утворюючи побічні продукти, такі як фотони і нейтрино, які можна реєструвати.

Небаріонну темну матерію прийнято класифікувати за масою частинок або дисперсійною швидкістю цих частинок (масивніші частинки рухаються повільніше). Згідно з цією класифікацією, темну матерію поділяють на:

гарячу темну матерію (HDM);

теплу темну матерію (WDM);

холодну темну матерію (CDM).

Найбільш широко обговорюються моделі холодної темної матерії, найімовірнішими частинками якої є нейтраліно. Гаряча темна матерія містить маломасивні нейтрино. Холодна темна матерія призводить до «висхідного» ієрархічного формування структури Всесвіту (спочатку формуються малі гравітаційні системи, які «зливаються» і утворюють більші гравітаційні системи), тоді як гаряча темна матерія призводить до «низхідного» формування його структури (початково однорідні гравітаційні системи з часом фрагментуються на менші підсистеми).

галактика гравітаційний баріонний

Дані спостережень

Перший доказ на користь існування темної матерії було отримано Цвікі в Каліфорнійському технологічному інституті в 1933 році. Він застосовав теорему Віріала до багатого скупчення галактик у сузір'ї Кома і отримав свідчення про існування невидимої маси. Цвікі оцінив загальну масу скупчення на базі руху галактик поблизу її краю і порівняв її із видимою масою, оціненою за кількістю галактик і загальною яскравістю скупчення. Він виявив, що розрахованої за теоремою Віріала маси приблизно в 400 разів більше за візуально спостережувану. Маси видимих галактик в скупченні було занадто мало для пояснення їхніх орбітальних швидкостей. Цей факт відомий як «проблема прихованої маси». Цвіккі зробив висновок, що існує якась невидима форма матерії, яка забезпечує достатню кількість маси, а отже і гравітації, що не дозволяє скупченню розлітатись.

Велика частка доказів існування темної матерії походить з вивчення рухів галактик. Багато з них є досить однорідними, і тому, згідно теореми Віріала, загальна кінетична енергія повинна становити половину від загальної гравітаційної енергії галактик. Проте спостереження свідчать, що кінетичної енергії виявляється значно більше. Зокрема, покладаючи, що гравітаційна маса зумовлена лише видимою матерією галактики, приходимо до висновку, що зорі далеко від центру галактики мають набагато більші швидкості, ніж ті, які передбачає теорема Віріала. Галактичні криві обертання -- залежність швидкостей обертання від відстані до центру галактик, не може пояснити тільки видима матерія. Припущення, що видима матерія складає лише невелику частину галактик, є найпростішим способом пояснити це. Дуже часто галактики виказують ознаки того, що складаються в основному з приблизно сферично-симетричного гало темної матерії та видимої матерії зосередженої в диску. Низька поверхнева яскравість карликових галактик є важливим джерелом інформації для вивчення темної матерії, так як вони мають надзвичайно низьке співвідношення вмістів видимої матерії до темній матерії. У них є кілька яскравих зір у центрі, які без наявності темної матерії привели б до зовсім іншої спостережуваної кривої обертання віддалених від центру зірок.

Спостереження гравітаційного лінзування фонових галактик скупченями галактик, дають прямі оцінки повної маси скупчень разом з темною матерією. У скупченнях, таких як Abell 1689, ефектами лінзування підтверджено наявність значно більшої маси від тієї, що світиться.

Криві обертання галактик

За 40 років після першого спостереження Цвіккі, жодні інші спостереження не показали, що відношення маси (в одиницях маси Сонця) до світності (в одиницях світності Сонця) значно відрізняються від одиниці. В кінці 1960 і початку 1970-х років, Віра Рубін, молодий астроном Відділу земного магнетизму Інституту Карнегі у Вашингтоні, представила результати виміру кривих обертання зір у спіральних галактиках видимих із ребра, отримані за допомогою нового чутливиго спектрографа, який забезпечив більшу точність ніж будь-коли раніше. Разом із іншими співробітниками Рубін встановила, що більшість зірок у спіральних галактиках рухаються по різних віддалених від центра орбітах приблизно з однаковою швидкістю, що вказувало на неперервний розподіл речовини за межами основної частини зоряної складової галактик (балджу галактик). Ці результати дозволяють припустити, що або ньютонівська гравітація не застосовується повсюдно або, що понад 50% маси галактик містяться у відносно темних гало. Згодом інші астрономи почали підтверджувати ці результати, і незабаром стало зрозуміло, що більшість галактик насправді мають «темну матерію»:

Галактики з низькою поверхневою яскравістю (LSB): Ймовірно, у них скрізь домінує темна матерія, зоряна складова має невеликий вплив на криві обертання. Така властивість дуже важлива, оскільки дозволяє уникнути труднощів, пов'язаних з розділенням внеску темної і видимої матерії у криві обертання.

Еліптичні галактики: Існування темної матерії у цих галактиках можна довести за допомогою гравітаційного лінзування. Рентгенівське випромінювання свідчить про наявність гарячих газів, чия гідростатична рівновага свідчить про існування темної матерії. В деяких еліптичних галактиках швидкості зір на околицях є низькими, що може свідчити про відсутність гало темної матерії. Однак моделювання злиття дискових галактик під час якого формується еліптична галактика свідчать, що зорі під дією приливних сил можуть набути малих швидкостей в присутності гало темної матерії. Необхідні додаткові дослідження, щоб прояснити цю ситуацію.

Моделювання гало темної матерії вказують на дещо крутіші профілі густини, ніж ті, що отримуються із спостережень, що є проблемою для космологічних моделей з темною матерією на найменших масштабах галактик з 2008 року. Однак це може бути причиною того, що в областях зореутворення можуть виникати відтоки газу, які можуть змінити розподіл темної матерії. Останні моделювання карликових галактик, що враховують такі процеси, свідчать, що вибухи наднових приводять до витікання газу з малим кутовим моментом із центральної області галактики. Це гальмує формування балджу галактики і більш ніж на половину зменшує густину темної матерії в центральній області розміром кілька кілопарсек. Ці результати узгоджуються із спостереженнями карликових галактик. Таких розбіжностей не існує на великих масштабах та в інших областях гало галактик.

Винятками із цієї загальної картини є галактики, для яких відношення маси до світності близьке до зоряного. На сьогодні вже проведені численні спостереження, які вказують на наявність темної матерії в різних частинах космосу. Разом з результатами Віри Рубін для спіральних галактик та результатами Цвіккі для скупчень галактик, зібрані спостережувані свідчення існування темної матерії привели до того, що більшість астрофізиків почали погоджуватись з її існуванням.

Дисперсія швидкостей галактик

У астрономії дисперсія швидкостей у є середньоквадратичною швидкістю групи об'єктів, таких як скупчення зір в галактиці.

Новаторська робота Рубін витримала випробування часом. Вимірюванням кривих швидкостей зір у спіральних галактиках незабаром додались вимірювання дисперсії швидкостей у еліптичних галактиках. Хоча іноді трапляються об'єкти з малим відношенням маси до світності, вимірювання як і раніше вказують на відносно високий вміст темної матерії. Аналогічні вимірювання дисперсії швидкостей дифузного міжзоряного газу на краю галактики вказують не тільки на розподіл темної матерії, що виходить за межі галактик, але також, що галактики віріалізовані (тобто гравітаційно зв'язані, з орбітальними швидкостями, передбаченими загальною теорією відносності) у межах областей, що вдесятеро більші від їх видимих радіусів. Це призвело до зростання частки темної матерії від 50%, як це показували вимірювання Рубін, до теперішнього прийнятого значення близько 95%. Є місця, де вміст темної матерії, як здається, є незначним або де вона повністю відсутня. Кулясті скупчення зір мають мало доказів того, що вони містять темну матерію, хоча їх орбітальні взаємодії з галактиками дійсно мають докази галактичної темної матерії. Деякий час здавалось, що виміри траєкторій зір свідчать про концентрацію темної матерії в диску Чумацького Шляху, однак, тепер з'ясовано, що висока концентрація баріонів матерії в диску Галактики (особливо в міжзоряному середовищі) може пояснити цей рух. Галактичні профілі густини, вочевидь, відрізняються від профілів світності. Типова модель галактик передбачає, що віріалізоване гало темної матерії має сферичний розподіл. Нещодавні дослідження, виконані у січні 2006 р. в університеті Массачусетса у Амхерсті, пояснили раніше незрозуміле викривлення диску Чумацького Шляху, як результат взаємодії з Великою і Малою Магеллановими хмарами і вказали на те, що маса Чумацького Шляху у 20 разів більша від маси видимої у ньому матерії.

У 2005 році астроном з Університету Кардіффа заявив, що знайшов галактику, що майже повністю складається з темної матерії. Вона розташована за 50 мільйонів світлових років від Землі у скупчені Діви і має назву VIRGOHI21. Незвично, однак VIRGOHI21 не містить ніяких видимих зір: вона була помічена з радіочастотних спостережень водню. Базуючись на кривих обертання, вчені вважають, що цей об'єкт містить приблизно в 1000 разів більше темної речовини ніж водню, і що загальна маса цієї галактики в 10 раз менша від маси нашої Галактики. Для порівняння, Чумацький Шлях, як вважають, має приблизно в 10 разів більше темної речовини, ніж звичайної. З моделі Великого Вибуху і формування структури Всесвіту випливає, що таких темних галактик у Всесвіті повинно бути дуже багато, але ніхто раніше їх не виявляв. Якщо їх існування підтвердиться, це стане вагомим доказом для теорії формування галактик і створить проблеми для альтернативного пояснення темної матерії.

Є кілька галактик, профілі швидкостей яких вказують на відсутність темної матерії (такі як NGC 3379). Існують докази того, що малих галактик від 10 до 100 разів менше, ніж це передбачає теорія формування галактик в моделях із холодною темною матерією. Це відомо як "проблема карликових галактик".

Скупчення галактик і гравітаційне лінзування

Сильне гравітаційну лінзування, яке спостерігав космічний телескоп Габбла в скупчені Abell 1689 вказує на наявність темної матерії.

Гравітаційна лінза утворюється, коли світло від дуже далекого, яскравого джерела (наприклад, квазару) розсіюється навколо масивного об'єкта (такого як скупчення галактик), що знаходиться між самим об'єктом і спостерігачем. Цей явище відоме як гравітаційне лінзування.

Як відомо, темна матерія є домінантною складовою скупчень галактик. Вимірювання рентгенівського випромінювання гарячого міжгалактичного газу узгоджується із оцінками Цвіккі що до відношення маси темоної матерії до маси видимої матерії в пропорції майже 10 до 1. Такі спостереження, що проводяться за допомогою таких космічних апаратів як Chandra X-Ray Observatory, дають можливість отримувати незалежні оцінки мас скупчень.

Скупчення галактик Abell 2029 складається із тисяч галактик оповитих хмарою гарячого газу, і кількість маси темної матерії еквівалентна більш ніж 10 в степені 14 мас Сонця. У центрі цього скупчення є величезна галактика еліптичної форми, яка, як вважають, була утворена шляхом злиття багатьох дрібних галактик. Вимірювання орбітальних швидкостей галактик у скупченнях галактик узгоджується із попередніми доказами існування темної матерії.

Іншим важливим інструментом для майбутніх спостережень темної матерії є гравітаційне лінзування. Лінзування є ефектом передбаченим в рамках загальної теорії відносності. На його основі можна оцінювати маси об'єктів не покладаючись на їх динаміку, і тому лінзування є незалежним засобом вимірювання впливу темної матерії. При сильному лінзуванні, при проходженні світла фонових галактик через гало гравітаційної лінзи, відбувається спотворення їхнього зображення на дуги. Це явище спостерігається навколо декількох далеких скупчень, в тому числі навколо Abell 1689. Вимірювання геометричних параметрів спотворень дозволяють оцінити масу гравітаційної лінзи (скупчення галактик), яке їх спричинило. Отримані для десятків скупчень на основі гравітаційного лінзування співвідношення маса-світність узгоджуються із оцінками вмісту темної матерії із їх динамічних властивостей.

Ще одна методика, розроблена протягом останніх 10 років, має назву слабкого гравітаційного лінзування і грунтується на статистичному аналізі хвилинного спостереження спотворення галактик. Вивчаючи видиму деформацію зсуву фонових сусідніх галактик, астрофізики можуть отримати середній розподіл темної матерії за допомогою статистичних методів і визначти співвідношення маса-світність, передбачене на основі інших спостережуваних характеристик великомасштабної структури. Два методи гравітаційного лінзування застосовані поряд з іншими методами виявлення темної матерії до різних об'єктів спостереження, дають переконливі докази того, що темна матерія дійсно існує як основний компонент Всесвіту.

Найочевиднішим спостережуваним доказом існування темної матерії на сьогоднішній день є Кулясте Скупчення (Bullet Cluster) галактик. У більшості областей Всесвіту, темна матерія і видима матерія знаходяться разом, як і слід було очікувати через їх взаємне гравітаційне притягання. Однак Кулясте Скупчення є насправді зіткненням двох скупчень галактик, що супроводжується просторовим розділення темної матеії і баріонної матерії. Рентгенівські спостереження показують, що більша частина баріонної матерії (у вигляді газу, або плазми) зосереджена в центрі системи. Електромагнітні взаємодії між частинками газу змусили їх уповільнитись і оселитися поблизу точки удару. Проте, спосереження слабкого гравітаційного лінзування цієї системи показали, що велика частина маси знаходиться за межами центральної частини баріонного газу. Так сталось тому, що частинки темної матерії є слабовзаємодіючими, під час зіткнення їх групова швидкість не перетворилась на теплову, і вони продовжили рухатись за інерцією. На відміну від галактичних кривих обертання, цей доказ існування темної матерії не залежить від ньютонівської гравітації, і є прямим доказом існування темної матерії. В іншому скупчені галактик, відомому як Train Wreck / Abell 520, просторовий розподіл темної матерії також повністю відокремлений від розподілів галактик і газу .

Реліктове випромінювання

Відкриття та підтвердження існування космічного мікрохвильового фонового (реліктового) випромінювання трапилося у 1964 році. З тих пір було проведено чимало вимірювань параметрів реліктового випромінювання, найвідомішими з яких є вимірювання космічним апаратом NASA Cosmic Background Explorer (COBE). Саме COBE у 1992 році вперше виявив флюктуації (анізотропію) температури реліктового випромінюання (РВ) з достовірністю «1 сігма» (тобто 68%). Протягом наступного десятиліття анізотропія РВ була додатково досліджена у великій кількості наземних і балонних експериментів. Основною метою цих експериментів було вимірювання положення першого акустичного піку у спектрі потужності кутової анізотропії РВ, для яких COBE не мав достатнього обладнання. У 2000-2001 роках ряд експериментів, у першу чергу BOOMERanG, виявив шляхом вимірювання типових кутових розмірів (розмір на небі) анізотропії, що Всесвіт є просторово-плоским. У 1990-х роках чутливість вимірювальних приладів зросла, і до 2000 року у експерименті BOOMERanG було встановлено, що максимум амплітуди коливань у спектрі спостерігається на масштабах приблизно один градус. Ці виміри винесли вирок теорії, у якій космічні струни були джерелом формування великомасштабної структури, і натомість була запропонована космічна інфляція.

Цілий ряд наземних інтерферометрів забезпечував вимірювання коливань температури РВ з високою точністю протягом наступних трьох років. У їхньому числі - Very Small Array, Degree Angular Scale Interferometer (DASI) і Cosmic Background Imager (CBI). DASI вперше виявив поляризацію реліктового випромінювання, а CBI вперше отримав E-моду спектру поляризації і докази того, що вона перебуває не у фазі з T-модою спектру. Наступник COBE, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), надав найдетальніші вимірювання (великомасштабної) анізотропії реліктового випромінювання з 2009 року. За результатами вимірювають WMAP, що відіграють ключову роль у становленні сучасної стандартної моделі космології, а саме Lambda-CDM моделі плоского Всесвіту, домінує темна енергія, доповнена темною матерією і атомами з флуктуаціями густини, що мають гаусівський розподіл, є адіабатичними та масштабно інваріантними. Основні властивості Всесвіту визначають п'ять параметрів: густина речовини, густина атомів, вік Всесвіту (або, що еквівалентно, постійна Хаббла), амплітуда початкових коливань і її залежність від масштабу. Ця модель також вимагає існування епохи космічної інфляції.

Дані WMAP дозволили виключити цілий ряд космологічних моделей, фактично підтвердивши одну із них - Lambda-CDM модель.

Таким чином, теорія Великого Вибуху повинна задовольняти усі наявні астрономічні спостереження, зокрема РВ. У космології реліктове випромінювання виникло під час Великого вибуху, спочатку мало температуру тисячі градусів Кельвіна, згодом охололо до трьох градусів Кельвіна внаслідок розширення Всесвіту за останні тринадцять мільярдів років. Анізотропія реліктового випромінювання пояснюються як акустичні коливання у фотон-баріонній плазмі, яка проіснувала до моменту рекомбінації - приблизно 379000 років після Великого Вибуху. Спектр потужності анізотропії реліктового випромінювання має великий основний (перший) пік і менші за амплітудою наступні піки. Основний пік вказує, в основному, на вміст баріонної матерії, тоді як третій пік, в основному, свідчить про вміст темної матерії.

Огляди неба і акустичні коливання

Акустичні коливання фотонно-баріонної плазми у ранньому Всесвіті залишили свій слід у просторовому розподілі видимої матерії у вигляді так званих Баріонних Акустичних Осциляцій (БАО), які можуть бути виявленні за даними оглядів неба, таких як Sloan Digital Sky Survey (SDSS) і 2dF RGS. Їх виміри узгоджуються із даними анізотропії температури і поляризації реліктового випромінювання, отриманими космічним телескопом WMAP, щодо обмежень на параметри космологічної моделі та відносний вміст темної матерії. Хоча дані анізотропії температури і поляризації РВ і БAO і зумовлені акустичними коливаннями у фотонно-баріонній плазмі у ранньому Всесвіті, проте спостерігаються у різні епохи існування Всесвіту.

Вимірювання відстаней до наднових типу Ia

Наднові типу Ia можна використовувати у якості "стандартної свічки" для вимірювання фотометричних відстаней до віддалених галактик, а великі масиви даних таких вимірів можуть бути використані для обмеження космологічних моделей. Зокрема, вони накладають обмеження на густину темної енергії ЩЛ= ~0.713 для плоскої Lambda-CDM моделі Всксвіту і параметру стану w для квінтесенційних моделей Всесвіту. Ці дані узгоджуються із даними спостережень РВ космічним телескопом WMAP щодо вмісту темної матерії.

Лайман-альфа ліс

У астрономічній спектроскопії Лайман-альфа ліс є сумою зміщених відповідно до закону Габбла Лайман-альфа ліній поглинання нейтрального водню, неоднорідно розподіленого уздовж промення зору на шляху світла, що йде від далеких галактик чи квазарів. Спостереження Лайман-альфа лісу використовують для обмежень параметрів космологічних моделей. Ці дані узгоджуються з даними спостережень РВ космічним телескопом WMAP щодо вмісту темної матерії.

Реєстрація частинок темної матерії

Прямі методи реєстрації частинок темної матерії.

Прямі методи реєстрації частинок темної матерії грунтуються на спробах реєстрації іонізації та/або збудження речовини детектора ядрами віддачі, що можуть утворюватися у результаті взаємодії частинок темної матерії.

Найточніші експерименти сьогодні виконуються у підземних лабораторіях і використовують такі методи:

напівпровідникові германієві детектори (Heidelberg-Moscow, IGEX, TEXONO);

кріогенні болометри (CRESST, CDMS, EDELWEISS, EURECA));

детектори на інертних газах (ZEPLIN, XENON, WARP);

сцинтиляційні детектори з кристалами NaI(Tl) (DAMA/LIBRA) і CsI(Tl) (KIMS).

Темна енергія

Темна енергія -- в космології гіпотетична форма енергії, що має від'ємний тиск і рівномірно заповнює весь простір Всесвіту. Згідно з положеннями загальної теорії відносності, гравітація залежить не лише від маси, але і від тиску, до того ж від'ємний тиск має породжувати відштовхування, антигравітацію. Згідно з останніми даними, було виявлено прискорення розширення Всесвіту в космологічних масштабах. Темна енергія має складати значну частину так званої прихованої маси Всесвіту.

Існує 2 варіанти пояснення сутності темної енергії:

Темна енергія є космологічна стала -- незмінна енергетична густина, що рівномірно заповнює простір.

Темна енергія є квінтесенція -- динамічне поле, енергетична густина якого може змінюватися в просторі-часі.

Остаточний вибір між двома варіантами вимагає високоточних вимірів швидкості розширення Всесвіту, щоб зрозуміти, як ця швидкість змінюється з часом. Темпи розширення Всесвіту описуються космологічним рівнянням стану. Розв'язок рівняння стану для темної енергії -- одна з найнагальніших задач сучасної спостережної космології.

Введення космологічної константи в стандартну космологічну модель (так звану метрику Фрідмана-Леметра-Робертсона-Вокера, FLRW), призвело до появи сучасної моделі космології, відомої як лямбда-CDM модель. Ця модель добре узгоджується з існуючими космологічними спостереженнями.

Темна енергія та прихована масса

Гіпотеза про існування темної енергії, вирішує так звану «проблему невидимої маси». Теорія нуклеосинтезу Великого Вибуху пояснює формування в молодому Всесвіті легких хімічних елементів, такиї як гелій, дейтерій та літій. Теорія великомаштабної структури Всесвіту пояснює формування структури Всесвіту: утворення зір, квазарів, галактик і галактичних скупчень. Обидві ці теорії передбачають, що густина баріонної матерії і темної матерії становить близько 30 % від критичної густини, яка необхідна для утворення «закритого» Всесвіту, тобто густина, яка необхідна, щоб форма Всесвіту була плоскою. Вимірювання реліктового випромінювання Всесвіту, нещодавно проведені супутником WMAP, показують, що форма Всесвіту дійсно дуже близька до «плоскої». Тому, деяка раніше невідома форма невидимої енергії повина давати відсутні 70 % густини Всесвіту.

Загальна теорія відносності

Загальна теорія відносності (ЗТВ) -- теорія гравітації, опублікована Альбертом Ейнштейном в 1916 році. На відміну від нерелятивістської теорії гравітації Ньютона ЗТВ придатна для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються зі швидкостями близькими до швидкості світла. Її також можна застосовувати у випадку сильних гравітаційних полів, що виникають, наприклад, поблизу нейтронних зір та чорних дір. У сонячній системі ефекти ЗТВ проявляють себе незначними відхиленнями фактичних траєкторій руху планет та інших космічних тіл (у першу чергу Меркурія) від орбіт, розрахованих у рамках теорії Ньютона.

Концептуальне ядро загальної теорії відносності, з якого випливає більшість її висновків -- принцип еквівалентності, який стверджує, що гравітація та прискорення -- це еквівалентні фізичні явища, тобто

не існує такого фізичного експерименту, який би міг локально відрізнити дію на спостерігача однорідного гравітаційного поля від рівноприскореного руху системи відліку, у якій перебуває цей спостерігач.

Цей принцип пояснює, чому експериментальні вимірювання гравітаційної та інерційної мас доводять їхню еквівалентність. Це твердження стало основою багатьох відкриттів, таких як гравітаційний червоний зсув, викривлення променів світла біля великих гравітаційних мас (таких як зірки), чорні діри, уповільнення часу в гравітаційному полі тощо. Але з принципу еквівалентності не випливає єдиність рівнянь викривленого простору-часу, і це зокрема призвело до появи так званої космологічної сталої, яка фігурує в ряді теорій.

Модифікації закону всесвітнього тяжіння Ньютона призвели до першого успіху нової теорії: отримав пояснення ефект прецесії (обертання) перигелію Меркурія. Багато інших передбачень теорії було в подальшому підтверджено астрономічними спостереженнями. Хоча внаслідок високої складності цих спостережень та труднощів із досягненням задовільних похибок вимірювань, виникли альтернативні теорії гравітації, такі як теорія Бранса-Діке або бі-метрична теорія Розена. Але поки що немає таких експериментальних даних, які б могли викликати необхідність перегляду загальної теорії відносності.

Однак є теоретичні підстави стверджувати, що загальна теорія відносності незавершена. Вона не кореспондує з квантовою механікою, що має наслідком некоректні її результати за умов високих енергій. Об'єднання цих двох теорій -- одна з фундаментальних проблем сучасної теоретичної фізики.

Зв'язок зі спеціальною теорією відносності

Спеціальна теорія відносності внесла фундаментальні зміни в закони класичної механіки, виходячи з таких постулатів всі інерційні системи відліку є рівноправними; швидкість світла в усіх інерційних системах є однаковою.

З цих постулатів випливає, що швидкість світла є максимально допустимою в природі. Будь-який матеріальний об'єкт не може рухатися швидше за світло.

З точки зору спеціальної теорії відносності простір і час тісно пов'язані між собою. Їх слід вважати єдиним чотиривимірним многовидом, що має назву «простір-час». Спостерігачі, що рухаються один відносно одного, по-різному визначають «просторові» і «часовий» напрямки у цьому многовиді. Тому простір і час більше неможливо розглядати як дві окремі сутності.

Загальна теорія відносності доповнила цю картину тим, що енергія гравітаційного поля (породжена матерією) здатна деформувати простір-час так, що «прямі» лінії в просторі та часі мають властивості «кривих» ліній.

Викривлення простору-часу

Математики використовують термін „викривлення” для позначення будь-якого простору, де геометрія не є Евклідовою.

Як наслідок, траєкторії тіл, які були б прямими в Евклідовому просторі, змінюють свою форму поблизу масивного об'єкта. Слід однак пам'ятати, що цей малюнок -- лише ілюстрація, яка далеко не повністю відображає фізичну реальність. Насправді ж поблизу масивного тіла викривляється не лише простір, а простір-час, внаслідок чого змінюється не лише просторова форма траєкторій, а й часові параметри руху: тіла зазнають прискорення (сповільнення). Реальний простір є тривимірним, а простір-час -- чотиривимірним. На малюнку довелось обмежитись зображенням двовимірного простору заради наочності.

Хоча для візуалізації буває зручно уявити собі викривлену поверхню, яка вкладена у простір більшої розмірності, ця модель не має сенсу, якщо мова йде про реальний всесвіт.

Кривина простору-часу може бути виміряна "з середини" спостерігачами, які перебувають у ньому, тобто без використання додаткових вимірів.

Для ілюстрації розглянемо, як кривина поверхні Землі може бути виміряна спостерігачем, який весь час перебуває на цій поверхні. Проведемо такий уявний експеримент: Ви вирушаєте з Північного полюса на південь і проходите приблизно 10 000 км (до екватора), потім повертаєте наліво точно на 90 градусів, йдете 10 000 км, повертаєте знову наліво на 90 градусів і йдете ще 10 000 км і повертаєтесь точно туди, звідки почали, причому під кутом 90 градусів до першого відрізка Вашого шляху. Такий трикутних з трьома прямими кутами, абсолютно неможливий в Евклідовій геометрії, виявляється можливим на поверхні Землі лише тому, що Земля є викривленою поверхнею.

Викривленість простору-часу, у якому ми живемо, також може бути виявлена шляхом постановки певних експериментів.

Базис теорії гравітації

Математичні основи загальної теорії відносності повертають нас до аксіом Евклідової геометрії та багатьох спроб довести відомий п'ятий постулат Евкліда. Лобачевский, Больяї та Гаус довели, що ця аксіома не обов'язково повинна бути правильною та заклали основи для побудови неевклідових геометрій. Загальна математика неевклідових геометрій була розроблена Гаусовим студентом Ріманом, але не мала застосування до реального світу доти, доки Ейнштейн не сформулював загальну теорію відносності.

Гаус виходив з того, що немає апріорних доказів саме евклідовості геометрії реального світу. Це б означало, що якщо б фізик тримав паличку, а картограф стояв на деякій відстані від нього, та вимірював би довжину палички відомим в геодезії методом триангуляції, основаним на евклідовій геометрії, то не було б гарантії збігу результату вимірювання з тим, який би здійснив сам фізик, від якого паличка знаходиться на дуже близькій відстані. Зрозуміло, що на практиці за допомогою палички визначити неевклідовість геометрії неможливо, але існують експерименти, які визначають неевклідовість безпосередньо. Наприклад, експеримент Павнда-Ребки (1959) зафіксував зміни довжини хвилі випромінювання від кобальтового джерела, піднятого на 22.5 метри над землею на вежі в Гарварді, і пізніше атомні годинники на супутниках глобальної системи позиціонування (GPS) були скориговані з врахуванням гравітаційних ефектів.

Ньютонова теорія гравітації стверджувала, що об'єкти насправді мають абсолютні швидкості, тобто що деякі тіла дійсно знаходяться у абсолютному спокої, тоді як інші дійсно рухаються. Але Ньютон розумів, що ці абсолютні стани не можуть бути безпосередньо виміряні. Всі вимірювання давали лише швидкість одного тіла відносно іншого. І закони механіки здавались справедливими для всіх тіл незалежно від нюансів їхнього руху. Ньютон вірив, що ця теорія не має сенсу без розуміння того, що ці абсолютні величині насправді є, хоча ми не можемо їх виміряти. Але фактично, ньютонова механіка може працювати і без цього припущення, і це не треба плутати з пізнішим постулатом Ейнштейна про інваріантність швидкості світла.

В 19 столітті Максвелл сформулював систему рівнянь для електромагнітного поля, яка продемонструвала, що світло поводить себе як електромагнітна хвиля, яка поширюється з фіксованою швидкістю в просторі. Це стало базою для подальших експериментів з перевірки ньютонової теорії: порівнюючи власну швидкість зі швидкістю світла, можна було б встановити абсолютну швидкість спостерігача. Або, що те ж саме, встановити швидкість спостерігача відносно системи відліку, яка є ідентичною для усіх інших спостерігачів.

Ці твердження базувались на припущенні про поширення світла в певному середовищі, і це середовище могло бути саме тим, від чого потрібно було відштовхуватись в проведенні подальших експериментів. Була проведена низка експериментів з визначення швидкості Землі відносно цієї всесвітньої „сутності”, або „ефіру”. Ідея була така: швидкість світла, яка б вимірювалась з поверхні Землі, повинна була бути більшою, коли планета рухалась би вздовж руху ефіру та меншою, коли б вона рухалась у протилежному напрямі (зрозуміло, що тут слід було б врахувати і обертання Землі навколо своєї осі). Перевірка, здійснена Майкельсоном та Морлі в кінці 19 століття, мала дивовижний результат: швидкість світла залишалась постійною в усіх напрямах (дивіться Експеримент Майкельсона-Морлі).

В 1905 Ейнштейн в своїй статті „До електродинаміки тіл, що рухаються”, пояснив ці результати виходячи з постулатів спеціальної теорії відносності.

Основні принципи

Фундаментальна ідея загальної теорії відносності полягає в тому, що ми не можемо вести мову про фізичний зміст швидкостей або прискорень без визначення системи відліку. В спеціальній теорії відносності стверджується, що система відліку може бути розширена нескінченно на всі напрямки в просторі та часі. Це тому, що спеціальна теорія відносності асоціюється саме з інерційними (без прискорення) системами відліку. Загальна ж стверджує, система відліку може бути лише локальною, справедливою лише для обмеженої області простору та проміжку часу (точно так, як ми можемо намалювати пласку мапу географічного регіону, але не можемо розповсюдити її на всю планету - дадуться в знаки похибки від викривленої поверхні Землі). У загальній теорії відносності, закони Ньютона залишаються справедливими лише в локальних системах відліку. Наприклад, вільні частинки в локальних інерціальних (Лоренцових) системах рухаються по прямих лініях. Але ці лінії є прямими лише в межах системі відліку. Насправді вони не є прямими, вони є лініями, знаними як геодезичні. Таким чином, перший закон Ньютона замінюється „геодезичним” законом руху.

В інерціальних системах відліку, тіло зберігає свій стан до того часу, поки на нього не подіють зовнішні сили. В неінерціальних системах відліку, тіла набувають прискорення не від дії на них інших тіл, а безпосередньо від самої системи відліку. Саме тому ми відчуваємо на собі дію прискорення, знаходячись в автомобілі, який повертає. Тут автомобіль є базисом неінерціальної системи відліку, в якій ми знаходимось. Точно так діє відома сила Коріоліса, тільки тут ми в якості системи відліку беремо тіло, яке обертається, тобто, в даному випадку, Землю і т. д. Принцип еквівалентності в теорії гравітації саме стверджує, що жодні локальні експерименти не покажуть різниці між вільним падінням в гравітаційному полі та відповідним за характеристиками прискореним рухом.

Математично, Ейнштейн змоделював простір-час за допомогою чотиривимірного псевдо-Ріманового многовиду, і його рівняння гравітаційного поля стверджують, що викривленість цього многовиду в довільній точці безпосередньо пов'язана з тензором енергії-імпульса. Цей тензор відповідає густині речовини та енергії в цій точці. Викривлення простору-часу, таким чином, спричиняє рух матерії, і матерія, з іншого боку, є причиною викривлення простору-часу.

Рівняння Ейнштейна для гравітаційного поля в одному з варіантів містять параметр, який називається космологічною сталою, яка була запроваджена Ейнштейном для того, щоби отримати як розв'язок цих рівнянь модель статичного всесвіту, тобто такого, який не розширюється і не стискається. Але це не мало належного ефекту, адже такий статичний всесвіт є нестабільним, та й спостереження за допомогою космічного телескопа Хаббла підтвердили, що наш всесвіт розширюється. Тому космологічна константа була потім названа Ейнштейном „найбільшою помилкою, коли-небудь зробленою”. Тим не менш, деякі нові дані потребують ненульового значення космологічної константи для пояснення результатів спостережень.

Ейнштейнове рівняння гравітаційного поля

Основною характеристикою простору-часу в загальній теорії відносності є метрика простору-часу, що задається метричним тензором. Просторово-часовий інтервал, інваріантний щодо переходу до будь-якої інерційної чи неінерційної системи видліку, має вигляд:

Метрика простору-часу визначається розподілом речовини й поля, який характеризується тензором енергії-імпульсу. Зв'язок між цими величинами задається гравітаційною сталою.

Рівняння для визначення метричного тензора виглядає так:

Аксіон

Аксіон (англ. axion) -- гіпотетична нейтральна псевдоскалярна елементарна частинка, постульована для збереження CP-інваріантності в квантовій хромодинаміці в 1977 р. Роберто Печчеї (R. D. Peccei) та Гелен Квінн (H. R. Quinn)[1][2] (див. Теорія Печчеі -- Квінн). Аксіон повинен бути псевдоголдстоунівським бозоном, і виникати в результаті спонтанного порушення симетрії Печчеї-Квінн.

Частинка названа Франком Вільчеком як торговельна марка прального порошка, тому що аксіон мав «очистити» квантову хромодинаміку від проблем сильного CP-порушення[3], а також через зв'язок з аксіальним струмом.

Властивості аксіонов

Аксіон має розпадатися на два фотони, а його маса залежить від вакуумного очікування полів Хіггса як ~

В оригінальній теорії Печчеї-Квінн ~ 100 ГеВ і маса аксіона ~ 100 кеВ, що, однак, протиречить експериментальним даним з розпаду і -частинок. В модифікованій теорії в рамках Великого об'єднання значення значно вище і аксіон має бути частинкою малої маси, що дуже слабо взаємодіє з речовиною. Існують роботи, які вводять шкалу мас, зв'язану з масою аксіона, яка значно більша за ; це призводить до значно меншої константи зв'язку аксіона з іншими полями і пояснює чому аксіон не спостерігається в експериментах. Широко обговорюються дві моделі такого роду. В одній із них вводяться нові кварки, які можуть нести (на відміну від відомих кварків і лептонів) заряд Печчеї-Квінн і зв'язані з так званим «адронним» аксіоном (або KSVZ-аксіоном, аксіоном Кіма-Шифмана Вайнштейна-Захарова)[4]. В іншій моделі (так званий GUT-аксіон, DFSZ аксіон, або аксіон Дайна-Фішлера-Средніцкого-Житніцкого) [5] відсутні додаткові кварки, усі кварки несуть заряд Печчеі-Квінн і, крім того, вимагається існування двох хіггсовских дублетів. Аксіони розглядаються як один із можливих кандидатів на складову «темної матерії» -- небаріонну складову прихованої маси в космології.

Зіткнення зірок

Мартін Пью. Переможець в категорії «Глибокий Всесвіт». Галактика Вир (М51), знаходиться на відстані 23млнсв..років від Землі.

Туманність Чайка (ІС 2177). Відстань до Землі складає 3,8 тисяч св..років.

Туманність Слоновий хобот (ІС 1396) в сузір'ї Цефея.

Туманність Відьміна мітла (NGC 6960). Вона розміщена на відстані 1 400 св.роки від нас в сузір'ї Лебедя.

Туманність Оріона (М 42). Одна із небагатьох туманностей, яку можна бачити на небі неозброєним оком. Вона знаходиться в одноіменному сузір'ї на відстані 1,3 тисячі св. років.

Размещено на Allbest.ru

...