Тёмная материя

Материал из ТворенияВики
Перейти к: навигация, поиск
Диаграмма НАСА, которая демонстрирует представления о количестве тёмной материи во Вселенной

Темная материя (англ. black matter), в астрономии, – любая гипотетическая материя, которая не обнаруживается напрямую, но о существование которой астрономы делают вывод, когда действительной массы любого наблюдаемого небесного объекта недостаточно для объяснения наблюдаемого гравитационного эффекта. Это одно из двух понятий (второе – тёмная энергия), предложенных астрономами-эволюционистами для объяснения наблюдений, которые не могут быть объяснены космологиями, основанными на мнении о древности Вселенной, в том числе теорией Большого Взрыва. Недавно креационист Джон Хартнетт предложил новую космологию и новую астрофизику, в которых это понятие не нужно.

Первоначальная гипотеза

Основная статья: Вулкан (планета)

Первым зарегистрированным случаем обращения к чему-то, напоминающему тёмную материю, была гипотеза о планете под названием Вулкан в середине 50-х гг. XIX в. Предполагалось, что эта планета находится внутри орбиты Меркурия, но никогда непосредственно не наблюдается с Земли, по причинам, которые ни один астроном не мог объяснить. Астрономы предположили существование этой планеты потому, что Меркурий прецессировал на своей орбите вокруг Солнца на 43 угловых секунды в век быстрее, чем ожидалось по физике Ньютона. Полагали, что наблюдавшиеся проходы многих неизвестных объектов по солнечному диску объясняются этой неоткрытой планетой.

Затем, в 1915 г. Альберт Эйнштейн решил эту проблему. Он показал, что Меркурий в перигелии проходит достаточно близко к Солнцу для того, чтобы общая теория относительности требовала исправления второго порядка. Он опубликовал исправление и точно объяснил прецессию орбиты Меркурия без необходимости в какой-либо планете, поясе астероидов или иных объектов внутри его орбиты.[1]

Современная гипотеза о тёмной материи

Все модели Большого Взрыва предсказывают, что во Вселенной содержится больше тёмной материи, чем светящейся. [2] Тот факт, что ни один астроном не видел тёмной материи, говорят оппоненты гипотезы, означает, что Большого Взрыва не было.

Сам тот факт, что тёмная материя «тёмная», подразумевает, что астрономы никогда её не «увидят». Это, однако, не означает, что они не могут её обнаружить. Астрономы считают, что могут легко обнаружить, и даже измерить, присутствие тёмной материи. С помощью ряда методов они наблюдают гравитационные возмущения, вызываемые, как они полагают, тёмной материей, даже различая разные её формы – обыкновенную (несветящаяся материя, состоящая из протонов, нейтронов и электронов) и экзотические её типы.

Четыре независимых метода (измерения сверхновых звёзд типа Ia, космического реликтового излучения, количества дейтерия и горячих межгалактических газовых облаков) дают астрономам, согласующиеся результаты, по их мнению, подтверждающие существование тёмной материи. Массовая плотность вселенной составляет до 35% общей плотности.

По разным оценкам: Только 2% материи, дающей эту массовую плотность, является обыкновенной светящейся. Приблизительно 85% составляет экзотическая тёмная материя, а приблизительно 13% – обыкновенная тёмная материя. Предположительные подтверждения существования и количества тёмной материи получены посредством гравитационного преломления,[3] измерений пространственного распределения и плотности галактик,[4] и изучения структуры галактических гало и ядер.[5]

Версии о существовании тёмной материи, придерживаются атеистически-настроенные учёные-астрономы и некоторые староземельные креационисты, например, Хьюго Росс.

Проблема космологии

Sky wmap.jpg

Нынешняя проблема дефицита массы в астрономических наблюдениях известна с 30-х гг. ХХ в., когда астрономы впервые обнаружили серьёзные расхождения между массами, вычисленными по наблюдениям орбитальных скоростей, и массами, вычисленными по измерениям звёздных, галактических и иных видимых величин. Классическое гравитационное уравнение, выведенное из теории тяготения сэра Исаака Ньютона, даёт общую динамическую массу в любой системе, находящейся внутри орбиты любого данного тела (например, отдельной звезды в её галактике):

M = \frac{v^{2}R}{G}

где R – расстояние от тела до барицентра, v – орбитальная скорость этого тела, а G – гравитационная постоянная.

Светящаяся масса любой галактики или иного объекта – это масса, соответствующая измеренной светимости объекта.

Ян Оорт первым определил, что общая масса нашей галактики не менее, чем в 2 раза меньше необходимой для объяснения скорости вращения галактики.[6]

Швейцарскому астроному Фрицу Цвикки также приписывается открытие в 1933 г. расхождения между динамической и светящейся массой. Цвикки исследовал сверхскопление Кома и обнаружил, что его динамическая масса превышает светящуюся в 10 раз. [7][8][9]

Изображение скопления галактик, окружённого кольцом гипотетической тёмной материи

С тех пор астрономы предполагали, что некая форма материи, совсем не испускающая доступного измерениям излучения, тем не менее, присутствует в различных галактиках и их скоплениях, которые явно вращаются быстрее, чем то предсказывается по их измеренным светящимся массам.[10] Они, однако, признают, что представление о новой, несветящейся форме материи трудно принять. Многие астрономы всё же настаивают, что у них есть данные наблюдений, правдоподобным объяснением которых может служить только тёмная материя. Одно из таких сообщений поступило в 2006 г. из Рентгеновского центра «Чандра», астрономы которого сообщили, что они наблюдали два галактических скопления сотни часов, и что каждая из них явно вращалась со скоростью, соответствующей массе, намного большей, чем видимая.[11]

Креационистское объяснение

Креационизм, конечно, заявляет, что любой наблюдаемый эффект происходит от творческого действия Бога. В 2000 г, опираясь прежде всего на эту теорию, Дон Де-Янг в ежеквартальном издании Общества креационных исследований (Creation Research Society Quarterly),[12] сделал вывод, что быстро вращающиеся галактики и более крупные системы, несмотря на наблюдаемый недостаток массы, удерживает рука Божья.

Однако большинство учёных-креационистов предпочитает использовать мнение о чудесах экономно. В этом духе Джон Хартнетт предложил решение, не требующее постоянного чуда, а исходящее из нового понимания творения и расширения небес.[1] Система Хартнетта строится на более раннем труде Карнелли, который в 1996 г. предложил распространить относительность Эйнштейна на масштабы всего космоса (космологическая относительность). По системе Хартнетта, полнее объяснённой в его работе «Звёздный свет, время и новая физика» (Starlight, Time and the New Physics), предсказывается, что расширяющаяся вселенная будет приводить к появлению быстро вращающихся галактик и более крупных систем вследствие расширения, а не только из-за гравитации (или какой-либо другой силы).

Ключевым понятием системы космологической относительности Карнелли-Хартнетта является описание космоса не как пространства-времени, а как пространства-массы-скорости. Под скоростью здесь имеется в виду радиальная скорость объектов в расширяющейся вселенной, которая всегда является функцией расстояния от центра расширения, а именно:

v = \bigg( \frac{1}{\tau} \bigg) r

где τ – постоянная (оценивается как равная 4,28 * 1017 с), то есть обратная фактору Хаббла H0 при слабом тяготении.[13]

Более существенно то, что Карнелли и Хартнетт показали: в любой галактике или объекте более крупного размера расширяется само пространство. Затем Хартнетт показал, что это расширение предсказывает значительно более высокую скорость вращения для любой частицы в этом объекте.[14] А именно,

v^4 = GM\frac{2}{3}a_0\Bigg\{\bigg(\frac{R}{2a}\bigg)^{9/2} 8 \Pi^{3/2}\Bigg\}

где R = радиальное положение, a0 – критическая величина ускорения, G – гравитационная постоянная, M – общая светящаяся масса рассматриваемой галактики (или группы, или скопления, или сверхскопления), а Π зависит от функций Бесселя отношения R/2a.

Вышеприведённое уравнение очень похоже на связь Тулли-Фишера между светимостью и максимальнй скоростью вращения,[15][16]

v^4 \propto L

где L = светимость, или

A = k + 4 \times \ln v

где A = абсолютная величина. Связь Тулли-Фишера была эмпирической, но Хартнетт придал её теоретическую основу. Далее, M в уравнении Хартнетта является регулярной светящейся массой, а не динамической массой Ньютона. Следовательно, нет необходимости в исправлении с учётом какой-либо пропорции тёмной материи.

Хартнетт проверил своё уравнение на наблюдаемых величинах круговой скорости меченых газов в объекте NGC 3198 как функцию длины радиуса. Он обнаружил, что это уравнение почти точно подходит к наблюдениям, в то время как ньютоновское уравнение для радиальной скорости,

v^2 = \frac{GM}{R}

предсказывало круговые скорости намного ниже наблюдаемых. Отсюда Хартнетт сделал вывод, что светящиеся массы верны, но физическая модель, предсказывающая радиальную скорость, неверна. Таким образом, Хартнетт утверждает, что обошёл тёмную материю, как Эйнштейн обошёл планету Вулкан.

Эволюционистское представление

Оценка соотношения

Cosmos percent comp.jpg

Группа НАСА, проводящая тест микроволновой анизотропии Вилкинсона (WMAP) использовала измерения космического микроволнового реликтового излучения [13] для определения того, что Вселенная геометрически плоская. По стандартной космологии, вселенная должна тогда иметь критическую массовую плотность 9,9 * 10-27kg/m³. Действительная массовая плотность вселенной более чем в 20 раз меньше этой величины.[14]

По принятой сейчас теории предполагается, что знакомая нам барионная материя (состоящая из атомов) составляет всего 4,6% общей массы-энергии во вселенной. Тёмная материя составляет 23%, а тёмная энергия охватывает остальные 72%.[14]

Предложенные объяснения тёмной материи

Астрономы-эволюционисты обычно концентрировались на следующих объяснениях расхождения между динамической и светящейся массой:

  1. Коричневые карликовые звёзды и не менее массивные, но относительно несветящиеся объекты. Астрономы даже придумали новое название для класса объектов, в который входят коричневые карликовые звёзды и другие массивные объекты: «мачо» – от англ. MACHO (Massive Compact Halo Objects).[3][5][14][15]
  2. Сверхмассивные чёрные дыры. Теперь астрономы пытаются обнаружить эти объекты по их релятивистским воздействиям на свет, при которых они действуют как линзы.[14]
  3. Новые, ранее неизвестные формы материи. Многие космологи выдвинули гипотезы, где предполагаются совершенно новые материальные частицы. Они называют их слабо взаимодействующими массивными частицами – Weakly Interactive Massive Particle (WIMP).[14][3][5] Другие космологи предположили другие виды частиц под названием аксионы.[1][16] Бозон Хиггса, который ищут в последнее время, является ещё одним кандидатом на элементарную частицу тёмной материи.
  4. Новая теория тяготения. В 1983 г. Мордехай Милгром впервые предположил, что динамики Ньютона недостаточно для объяснения гравитационных взаимодействий таких массивных объектов как галактики и их скопления. Поэтому он предложил Модифицированную ньютоновскую динамику – Modified Newtonian Dynamic (MOND), в которой гравитационное притяжение изменяется обратно пропорционально первой степени радиуса орбиты, а не его квадрату, как изначально полагал Ньютон.[1][2]

Тим Томпсон[2] недавно предложил ещё одну возможность, на которую большинство астрономов обращают сало внимания. Он предполагает, что главная сила притяжения, позволяющая галактикам и системам с большей массой вращаться с такой высокой скоростью, – это вовсе не гравитация, а электростатические силы. Он напоминает читателям, что электростатические силы мощнее гравитационных, и что сила магнитног поля изменяется обратно пропорционально первой степени, а не квадрату радиуса. Это очень близко к MOND Милгрома, с тем преимуществом, что под этим уже есть объясняющая это явление теория, в то время как в системе Милгрома её нет.[1]

Дон Де-Янг выступал против понятия тёмной материи как фантастического и мало оправданного.[8] Он указывал, что ни одно из традиционных объяснений, популярных в момент написания работы, не было удовлетворительным:

  1. Несветящиеся звёзды, обычные кандидаты на роль «мачо», пришлось бы быть на несколько порядков более распространёнными, чем в действительности, чтобы объяснить дефицит массы.
  2. Чёрные дыры – это теоретическая конструкция, реальность которой пока не подтверждена.
  3. Попытки обнаружения WIMP и аксионов пока что не привели к окончательным результатам.

Де-Янг выступал также против представления о том, что галактики или их скопления обязательно устойчивы. Он не комментировал непосредственно модифицированную динамику Милгрома, но говорил, что тяготение было понято плохо.

Ссылки

  1. 1,0 1,1 Hartnett, John. Starlight, Time and the New Physics. Creation Book Publishers, 2007. ISBN 9780949906687.
  2. Henry M. Morris, “The Outer Darkness,” Back To Genesis, no. 154, October, 2001, pp. a-c; Danny Faulkner, “The Current State of Creation Astronomy,” Proceedings of the Fourth International Conference on Creationism (Pittsburgh, PA: Creation Science Fellowship, 1998), 201-16; Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge, and Jayant V. Narlikar, A Different Approach to Cosmology (Cambridge: Cambridge University Press, 2000), 275-302, 312.
  3. Charles Keeton, “Cold Dark Matter and Strong Gravitational Lensing: Concord or Conflict?” Astrophysical Journal 561 (2001): 46-60.
  4. Naoki Yasuda et al., “Galaxy Number Counts from the Sloan Digital Sky Survey Commissioning Data,” Astronomical Journal 122 (2001): 1104-24.
  5. Oleg Gnedin and Jeremiah Ostriker, “Limits on Collisional Dark Matter from Elliptical Galaxies in Clusters,” Astrophysical Journal 561 (2001): 61-68; Julianne Dalcanton and Craig Hogan, “Halo Cores and Phase-Space Densities: Observational Constraints on Dark Matter Physics and Structure Formation,” Astrophysical Journal 561 (2001): 35-45.
  6. Thompson, Tim. "Missing 'Dark' Matter." The Electric Cosmos, n.d. Accessed July 28, 2008.
  7. Silk, Joe. "Dark Matter." Department of Astronomy, University of California-Berkeley, ca. 1995. Accessed July 28, 2008.
  8. Soter S and deGrasse-Tyson N, eds. "[Fritz Zwicky's Extraordinary Vision]." Excerpt from Cosmic Horizons: Astronomy at the Cutting Edge, New Press, 2000. ISBN 978-1565846029 Accessed July 28, 2008.
  9. Miller CM. "Cosmic Hide and Seek: the Search for the Missing Mass." 1995. Accessed July 28, 2008.
  10. Authors unknown. "Dark Matter Mystery." Field Guide to X-ray Astronomy, Chandra X-ray Center, Harvard University, Cambridge, MA, August 29, 2006. Accessed July 28, 2008.
  11. Hupp E, Roy S., and Watzke M. "NASA Finds Direct Proof of Dark Matter." NASA, press release 06-297, August 21, 2006. Accessed July 28, 2008.
  12. DeYoung DB. "Dark Matter." Creation Research Society Quarterly, 36(4), March 2000. Accessed July 28, 2008.
  13. Астрономы-эволюционисты могут полагать, что эта величина даёт возраст вселенной; на деле она даёт величину, очень близкую к видимому радиусу галактики, измеренному в световых годах. Это, вероятно, действительно является величиной, с помощью которой её возраст может измерить наблюдатель, находящийся у пределов видимой вселенной, так как по системе Карнелли-Хартнетта предсказывается также огромное замедление времени в центре расширения.
  14. Hartnett JG, "Spiral galaxy rotation curves determined from Carmelian general relativity," Int. J. Theor. Phys. 45 (2006) 2118-2136. Шаблон:ArXiv Шаблон:Doi
  15. Tully RB and Fisher JR, "A New Method of Determining Distance to Galaxies", Astron. Astrophys. 54, 661-673 (1977)
  16. "The Tully-Fisher Relation," The Astroprof's Page, April 4, 2007