Тёмная материя: от гипотезы к доказательствам

1.

Научно-исследовательская работа
Тёмная материя: от
гипотезы к
доказательствам

2.

Эта работа ставит перед собой задачу исследовать влияние тёмной материи
на эволюцию галактик и всей Вселенной, а также систематизировать
существующие знания. Для достижения главной цели я определил
конкретные задачи, которые подробно изложены в 5 пунктах:
1) Изучить историю открытия тёмной материи и её
наблюдательные доказательства — это основа, которая задаёт
контекст и показывает, как тёмная материя стала важной частью
современной космологии.
2)Сравнить гипотезу тёмной материи с альтернативными
теориями, такими как Модифицированная ньютоновская
динамика (МОНД) — помогает понять, почему тёмная
материя является предпочтительной теорией и какие
проблемы решает.
3)Исследовать современные методы поиска и изучения
тёмной материи — логично следует за доказательствами,
так как показывает, как учёные пытаются подтвердить или
опровергнуть гипотезу.
4)Проанализировать роль тёмной материи в формировании
крупномасштабной структуры Вселенной — изучить, как
тёмная материя влияет на динамику галактик, скоплений
галактик и эволюцию Вселенной в целом.
5)Обсудить перспективы дальнейших исследований
тёмной материи — рассмотреть текущие и
планируемые эксперименты, а также теоретические
разработки, которые могут привести к прямому
обнаружению тёмной материи или раскрытию её
природы.

3.

Введение
Тёмная материя — это невидимая форма материи, которая не излучает свет, но оказывает гравитационное
воздействие на видимые объекты, такие как звёзды и галактик. Хотя тёмную материю не удалось обнаружить с
помощью телескопов, мы знаем, что она существует, потому что она влияет на объекты, которые
мы действительно видим, — объекты, которые излучают или отражают свет. Когда гравитация тёмной материи
искривляет пространство, свет далёких галактик кажется искажённым. Используя этот и другие методы,
астрономы подсчитали, что во Вселенной гораздо больше невидимой тёмной материи, чем видимой «обычной»
материи.
(Материя — это всё, что имеет массу и занимает пространство. Она
существует в виде частиц, из которых состоят атомы и молекулы, и
проявляется в различных формах, таких как твёрдое вещество,
жидкость, газ и плазма. Материя — основа всего окружающего нас
мира.)
Обычная барионная материя — это вещество, из которого состоят все
знакомые нам объекты во Вселенной: звёзды, планеты, живые организмы и
даже воздух. Она состоит из частиц, называемых барионами, к которым
относятся протоны и нейтроны, а также других атомных и молекулярных
частиц. Эта материя взаимодействует с электромагнитным излучением,
излучая или поглощая свет, что делает её видимой для нас.

4.

Исторические открытия
1959: Вера Рубин и кривые вращения галактик
Прорыв в исследованиях тёмной материи совершила американский астроном Вера Рубин в 1959 году они начали исследовать
кривые вращения галактик — зависимость скорости вращения звёзд от расстояния до центра галактики. Исследование галакти
M31 (Туманность Андромеды) показало, что звёзды на окраинах галактики вращаются с той же скоростью, что и в центре, что
противоречило законам Кеплера.
Рубин пришла к выводу, что для удержания галактики от разлёта требуется в 5–10 раз больше массы, чем дают звёзды и газ. Эта
«невидимая масса» распределена в виде гало вокруг галактик. Ключевые аргументы Рубин включали универсальность эффект
данные спектрографии и исключение альтернатив, таких как межзвёздный газ и пыль.
Работы Рубин были опубликованы в 1975 году в The Astrophysical Journal, но многие астрономы считали их «ошибкой измерени
Однако к 1980 году, после подтверждения данных независимыми группами, гипотеза тёмной материи стала основной в
космологии.
Наблюдения за галактиками, показали, что реальные кривые вращения не
соответствуют предсказаниям. Вместо снижения скорости на окраинах галактики, она
остаётся примерно постоянной или даже увеличивается.
Этот период стал важным этапом в истории астрономии, показав, как постепенно
накапливались доказательства существования тёмной материи, даже если её природа
остаётся загадкой
Соколов Алекс

5.

Без тёмной материи невозможно объяснить структуру космоса, потому что её гравитационно
воздействие играет ключевую роль в формировании и удержании галактик, их скоплений и
космической паутины. Обычная барионная материя недостаточна для создания необходимы
гравитационных сил, чтобы удерживать такие огромные структуры вместе. Например, кривы
вращения галактик показывают, что их видимой массы слишком мало, чтобы объяснить
скорость движения звёзд на периферии. Тёмная материя дополняет эту нехватку массы, создав
стабильность и организованность, которые мы наблюдаем в космосе. Без неё
крупномасштабные структуры были бы невозможны, и Вселенная оставалась бы хаотичной
бесформенной.
Свойство формирования «космической паутины» объясняется
гравитационным воздействием тёмной материи. После Большого
взрыва, когда началось расширение Вселенной, тёмная материя
играла ключевую роль в сгущении обычной материи вокруг своих
нитей и узлов. Гравитационные силы, исходящие от плотных
областей тёмной материи, притягивали барионную материю,
помогая формировать скопления галактик. Благодаря
взаимодействию этих структур со временем возникла упорядоченная
сеть — «паутина» Вселенной, где галактики и их скопления
объединены в нити из тёмной материи, а между ними остались
пустоты. Такое распределение напрямую связано с
фундаментальными законами гравитации

6.

Гравитационное линзирование
Метод гравитационного линзирование заключается в явлении связанным с полевыми уравнениями ОТО (общая теория
относительности), а именно, в отклонении электромагнитного излучения вблизи массивных тел. Как правило для заметного
искажения изображения нужны массы порядка размера галактик или их скоплений. Вблизи же менее массивных тел, таких
как звезды, отклонение луча происходит на очень малые углы, и удается заметить лишь кратковременное увеличение
яркости (вспышку). Если объект имеет высокую яркость, то заметить такое изменение практически невозможно. Если же
объект недостаточно яркий или же не виден вовсе, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться.
События такого типа называются микролинзированием.
Соколов Алекс

7.

С помощью космического телескопа Hubble было получено изображение “кольца” темной материи в скоплении
галактик C1 0024+17 [4]. На сегодняшний день это является одним из наиболее убедительных и наглядных
доказательств существования темной материи. В данном случае скрытая масса участвует в роле гравитационной
линзы, что объясняет наличие мнимых изображений от одних и тех же объектов и увеличение яркости
оригинального источника

8.

Методы обнаружения
ADMX – поиск аксионов
Ксеноновые детекторы (XENONnT, (гипотетическая элементарная
LUX-ZEPLIN)
частица)