Skjult masse

Skjult masse er problemet med modsætningen mellem den observerede adfærd af synlige astronomiske objekter og den beregnede adfærd i henhold til lovene for himmelmekanik , idet der kun tages hensyn til disse objekter.

Det generelle skjulte masseproblem har to dele:

astrofysisk , det vil sige modsigelsen af den observerede masse af gravitationsbundne objekter og deres systemer, såsom galakser og deres klynger, med deres observerede parametre bestemt af gravitationseffekter;
kosmologisk -modsigelser af de observerede kosmologiske parametre for den gennemsnitlige tæthed af universet opnået fra astrofysiske data .

Domæne for loven om universel gravitation

I 1922 overvejede Chicago-fysikeren Arthur C. Lunn [1] et muligt forhold mellem gravitationskonstanten og finstrukturkonstanten gennem forholdet $\alfa$

{\frac {G{m_{e}}^{2}}{e^{2}}}={\frac {\alpha ^{17}}{2048\pi ^{6}}},

(en)

hvor er elektronens masse, er elektronens ladning. Under hensyntagen til den moderne tilgang til at bestemme intensiteten af interaktioner, skal denne formel skrives i følgende form: $m_{e}$ $e$

G={\sqrt {3}}\alpha ^{18}{\frac {\hbar c}{m_{pa}^{2}}},

(2)

hvor er Dirac-konstanten (eller den reducerede Planck-konstant), er lysets hastighed i vakuum, er den kosmologiske konstant, er den tilføjede masse af protonen. For at opnå den nøjagtige værdi antager vi , det vil sige, at værdien kun er 9 elektronmasser større end protonens masse . $\hbar=h/2\pi$ $c$ $m_{pa}$ $G$ ${\displaystyle m_{pa}=1,68082*10^{-27))$ $m_{pa}$ $m_{{p}}$

Således introduceres en fysisk meningsfuld kosmologisk konstant i stedet . Den enkleste fortolkning er som følger: den tilføjede masse af en proton er lig med massen af en proton og massen af en elektron (det vil sige massen af et brintatom), og deres samlede kinetiske energi er 4 Mev (massen på otte elektroner). Sagt på denne måde fortæller Newtons lov os, at universet til en første tilnærmelse for det meste er varmt brint. I den anden tilnærmelse skal det tages i betragtning, at der er mindst 20 milliarder fotoner pr. nukleon. $G$ $m_{pa}$ $m_{pa}$ $m_{{p}}$ $m_{e}$

Det følger af det foregående, at på grundlag af Newtons lov kan eksistensen af en skjult masse ikke antages.

Observerbare beviser for gravitationseffekter af mørk masse

Skjult masse og rotation af galakser

Galaksernes differentielle rotationshastigheder (det vil sige afhængigheden af galaktiske objekters rotationshastighed af afstanden til galaksens centrum) bestemmes af massefordelingen i en given galakse og for et sfærisk volumen med en radius i hvor massen er indesluttet , er givet ved forholdet $v(r)$ $r$ $r$ $Hr)$

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

det vil sige uden for det rumfang , hvori galaksens hovedmasse er koncentreret, rotationshastigheden . For mange spiralgalakser forbliver hastigheden dog næsten konstant i en meget betydelig afstand fra centrum (20-25 kiloparsec ) , hvilket modsiger det hurtige fald i tætheden af det observerede stof fra galaksernes centrum til deres periferi (se fig. . 1). $Hr)$ $v(r)\sim r^{-{1 \over 2))$ $v(r)$

For at forklare de observerede værdier er det således nødvendigt at antage eksistensen af uobserverbart (ikke-lysende) stof, der strækker sig over afstande, der er snesevis af gange større end de synlige grænser for galakser og med en masse en størrelsesorden højere end den samlede massen af det observerede lysende stof i galaksen ( haloer af galakser ). $v(r)$

Den nuværende standard kosmologiske model fører til den konklusion, at de tilsyneladende masser af baryonisk stof i galakser er væsentligt lavere end de forudsagte. For nylig er der fremkommet resultater, der indikerer, at denne manglende baryoniske masse kan koncentreres i galaksernes halo i form af varm intergalaktisk gas med en temperatur på 1.000.000 til 2.500.000 K. [2] [3]

Massen af galaksehobe: Zwickys problem

I 1937 udgav Fritz Zwicky On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae [4] , hvori han, baseret på observationer af de relative hastigheder af galakser i Coma Cluster med 18-tommer Schmidt-teleskopet fra Palomar Observatory , opnåede et paradoksalt resultat: den observerede masse af hoben (opnået ud fra galaksernes samlede lysstyrker og deres rødforskydning ) viste sig at være væsentligt lavere end hobens masse, beregnet ud fra hobens egne hastigheder (opnået ud fra rødforskydningen ) dispersion ) i overensstemmelse med virial sætning : den samlede observerede masse af klyngen viste sig at være 500 gange lavere end den beregnede, og er så utilstrækkelig til at forhindre dens konstituerende galakser i at "spredning".

The Mass of Galaxy Clusters: Hot Intergalactic Gas

Med udviklingen af røntgenastronomi i galaksehobe blev røntgenstråling af varm (opvarmet til temperaturer af størrelsesordenen 10 6 K ) påvist , der fyldte det intergalaktiske medium , det vil sige en del af den skjulte masse af sådanne hobe var opdaget. Summen af de observerede masser af sådan gas med de observerede masser af galaksehobene gav imidlertid ikke en masse, der var tilstrækkelig til hverken at indeholde galakserne eller til at indeholde gassen i hobene.

Gravitationslinser af baggrunden af galakser og deres klynger

En af de indirekte metoder til at estimere massen af galakser er deres gravitationslinser af baggrundsobjekter (placeret på observationslinjen for dem). I dette tilfælde kan effekten af gravitationslinser manifestere sig som en forvrængning af billedet af baggrundsobjektet eller udseendet af dets flere imaginære billeder. Løsningen af det omvendte problem, det vil sige beregningen af det gravitationsfelt, der kræves for at opnå sådanne billeder, giver os mulighed for at estimere massen af gravitationslinsen - en klynge af galakser. Og i dette tilfælde overstiger de beregnede værdier væsentligt de observerede (se fig. 2).

Naturen og sammensætningen af den mørke masse

Ud over direkte observationer af mørke masses gravitationseffekter er der en række objekter, hvis direkte observation er vanskelig, men som kan bidrage til sammensætningen af den mørke masse. På nuværende tidspunkt overvejes objekter af baryonisk og ikke-baryon natur: hvis førstnævnte omfatter ret velkendte astronomiske objekter, så som kandidater til sidstnævnte, strangelets og hypotetiske elementarpartikler, der følger af klassisk kvantekromodynamik ( aksioner ) og supersymmetriske udvidelser af kvante . feltteorier overvejes .

Massive Galactic Halo Objects

For at forklare afvigelsen af rotationshastighederne for galaktiske objekter fra de Keplerske, bør man antage tilstedeværelsen af en massiv mørk halo af galakser . Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO) omfatter svagt udstrålende kompakte objekter, primært lavmassestjerner - brune dværge , understjerner eller meget massive Jupiter-lignende planeter , hvis masse er utilstrækkelig til at igangsætte termonukleare reaktioner i deres dybder, afkølede hvide dværge , neutronstjerner og sorte huller .

Intergalaktisk gas: Lyman-alfa-skov

I modsætning til den varme gas fra galaksehobe nævnt ovenfor, som udsender i røntgenområdet, indikerer observationer af kvasarernes spektre ret massive intergalaktiske skyer af brint . I spektrene af kvasarer med en tilstrækkelig høj rødforskydning er der mange forskudte Lyman-alfa-brintabsorptionslinjer ("skov" af linjer) dannet af mange brintskyer placeret i forskellige afstande langs synslinjen. Dette fænomen er blevet kaldt Lyman-alpha-skoven . Denne intergalaktiske gas er kold (nær nul Kelvin) og gennemsigtig (brint, helium), derfor observeres den indtil videre kun på denne måde.

Ikke-baryonisk mørkt stof

Ifølge moderne begreber er kun omkring 4,9% af universets masse almindeligt baryonisk stof. Cirka 26,8 % [5] [6] falder på ikke-baryonisk mørkt stof , som ikke deltager i de stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger. Det observeres kun i gravitationseffekter .

Afhængigt af partiklernes hastighed skelnes der mellem varmt og koldt mørkt stof. Varmt mørkt stof består af partikler, der bevæger sig med næsten lyshastigheder, tilsyneladende neutrinoer .

Varmt mørkt stof er ifølge moderne koncepter ikke nok til at danne galakser. Undersøgelsen af strukturen af relikviestrålingen viste, at der var meget små udsving i stoffets tæthed. Hurtigt bevægende varmt mørkt stof kunne ikke danne en så fin struktur.

Koldt mørkt stof bør bestå af massive langsomt bevægende (og i denne forstand "kolde") partikler eller klumper af stof. Eksperimentelt er sådanne partikler ikke blevet påvist.

Som kandidater til rollen som koldt mørkt stof, svagt interagerende massive partikler (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP ), såsom aksioner og supersymmetriske fermionpartnere af lette bosoner - photinos, gravitinos osv.

For første gang blev antagelsen om eksistensen af stof, der kun vekselvirker med almindeligt stof gennem tyngdekraften, lavet i begyndelsen af det 20. århundrede i forbindelse med den unormale præcession af Merkurs perihelium . Dette problem blev imidlertid løst allerede i 1916 af Albert Einstein takket være hans generelle relativitetsteori , som introducerede en passende korrektion for orbitale bevægelser i den newtonske gravitationsteori, som udtømmende forklarer det observerede fænomen, som fungerede som den første bekræftelse af almen relativitet.

Der gøres også forsøg på at forklare galaksers rotationskurver ved en ændring i lovene for gravitationel interaktion på store skalaer (især den modificerede newtonske dynamik - MOND), men tæthed og temperaturprofiler for varm gas i galaksehobe forudsagde inden for rammerne af MOND afviger kraftigt fra de observerede [7] .

Skjult masse og kosmologiske parametre, problemet med mørk energi

Et af kosmologiens hovedproblemer er spørgsmålet om rummets gennemsnitlige krumning og universets udvidelseshastighed . Hvis rummets krumning er nul eller negativ, så sker udvidelsen af universet på ubestemt tid (flade og åbne modeller af universet); hvis krumningen er positiv, så skal universets ekspansion erstattes af sammentrækning (lukket model af universet). Til gengæld, inden for rammerne af den generelle relativitetsteori (GR) , afhænger den gennemsnitlige krumning af universets rum af dets gennemsnitlige tæthed, nul krumning svarer til en kritisk tæthed på ~ 10 −29 g/cm³, hvilket er ækvivalent til ca. 5 hydrogenatomer pr. m³. På trods af det faktum, at den observerede værdi af den gennemsnitlige tæthed af lysende stof er omkring 1% af den kritiske værdi, indikerer observationsdata, at universets krumning er tæt på nul, det vil sige ret tæt på $\Omega _{krit}$ $\Omega _{vis}$ $\Omega$ $\Omega _{krit}$

I 1917 , for at sikre stationaritet (uafhængighed af tid) af den kosmologiske model af GR , introducerede Einstein den kosmologiske konstant , der virkede i store skalaer som en frastødende kraft, men i 1922 udgav Friedman et papir om den kosmologiske model af en ikke- stationært ekspanderende univers, hvor den kosmologiske konstant var lig nul . Efter at Hubble opdagede rødforskydningen , det vil sige den kosmologiske ekspansion, forsvandt grunden til at introducere den kosmologiske konstant, og Einstein selv kaldte i en samtale med Gamow ideen om den kosmologiske konstant for sin største bommert i videnskaben . $\lambda$

Observationer af type Ia-supernovaer foretaget i 1998 af Supernova Cosmology Project viste imidlertid, at Hubble-konstanten ændrer sig med tiden på en sådan måde, at dens adfærd kan forklares ved et passende valg af den kosmologiske konstant , der bidrager til middeltætheden . Denne del af den skjulte masse kaldes mørk energi . $\lambda$ $\Omega _{\Lambda }$ $\Omega$

Fortolkning af data om anisotropien af den kosmiske mikrobølgebaggrund opnået under arbejdet med WMAP ( Eng. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe , 2003) gav følgende resultater: den observerede tæthed er tæt på og fordelingen efter komponenter: baryonisk stof - 4,4 %, mørkt koldt stof (WIMP ) - 23%, "mørk energi" - 72,6%. $\Omega$ $\Omega _{krit}$ $\Omega =\Omega _{\Lambda }+\Omega _{vis}+\Omega _{mørk}$ $\Omega _{vis}$ $\Omega _{mørk}$ $\Omega _{\Lambda }$

Noter

↑ AC Lunn. Atomkonstanter og dimensionsinvarianter // Fysisk gennemgang. - 1922. - Bd. 20. - S. 1-14.
↑ Mælkevejen er omgivet af en massiv glorie af varm gas. (utilgængeligt link) . Hentet 25. september 2012. Arkiveret fra originalen 28. september 2012. (ubestemt)
↑ JD Harrington, Janet Anderson, Peter Edmonds. NASAs Chandra viser, at Mælkevejen er omgivet af Halo of Hot Gas . NASA. Hentet 25. september 2012. Arkiveret fra originalen 25. september 2012.
↑ Zwicky, F. On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Astrophysical Journal, vol. 86, s. 217 . Hentet 26. august 2009. Arkiveret fra originalen 10. april 2017. (ubestemt)
↑ PAR Ade et al . (Planck Samarbejde). Planck 2013 resultater. I. Oversigt over produkter og videnskabelige resultater – Tabel 9 (eng.) // Astronomy and Astrophysics : journal. - 2013. - 22. marts ( bind 1303 ). — S. 5062 . - . - arXiv : 1303.5062 . Arkiveret fra originalen den 23. marts 2013.
↑ Francis, Matthew. Første Planck-resultater: Universet er stadig underligt og interessant . Arstechnica (22. marts 2013). Hentet 4. december 2017. Arkiveret fra originalen 2. maj 2019. (ubestemt)
↑ A. Aguirre, C.P. Burgess, A. Friedland, D. Nolte. Astrofysiske begrænsninger på ændring af tyngdekraften ved store afstande // Klassisk og kvantetyngdekraft. - 2001. - Bd. 18 . - P.R223-R232 . - doi : 10.1088/0264-9381/18/23/202 . arXiv : hep-ph/0105083 .

Links

Ryabov V. A. , Tsarev V. A. , Tskhovrebov A. M. Søgen efter mørkt stof partikler . UFN 178 (2008) s. 1129
Smolnikov A.A. Mørkt stof i universet // Naturen. 2001. Nr. 7. S.10 − 19
Reshetnikov V.P. Astronomiske problemer i begyndelsen af det XXI århundrede, eller 23 problemer af Sandage
Pavlyuchenko S.A. Bestemmelse af kosmologiske parametre
Cherepashchuk A. M. Gravitationel mikrolinsing og problemet med skjult masse
Hossenfelder, Sabine ; McGaugh, Stacy S.Er mørkt stof ægte? (engelsk) // Scientific American . - Springer Nature , 2018. - August ( vol. 319 , nr. 2 ). - S. 36-43 .
En historie om mørkt stof . Ars Technica (februar 2017). (ubestemt)

Kosmologi
Grundlæggende begreber og objekter	Univers observerbart univers Rødforskydning kosmologisk CMB stråling Gravitationsbølger Univers ekspansion accelereret skjult masse Mørkt stof mørk energi
Universets historie	Stort brag stor rebound Kronologi af Big Bang Inflation Primær nukleosyntese Rekombination Udvikling af galakser Universets alder Universets fremtid
Universets struktur	Universets struktur i stor skala Superhob af galakser Stor gruppe af kvasarer Galaktisk tråd Ugyldig Hubble boble Universets form
Teoretiske begreber	Historien om udviklingen af ideer om universet Hubble lov Gravitationel ustabilitet Kosmologisk princip Kosmologiske modeller Kosmologisk singularitet De Sitter model hot univers model Friedman-universet Ledsager afstand Kritisk tæthed Friedmans ligning Kosmologisk tilstandsligning Lambda-CDM model
Eksperimenter	Observationel kosmologi 2dF 6dF BOOMERANG COBE SDSS WMAP Planck DES
Portal: Astronomi