В какой форме вещества содержится скрытая масса вселенной

(Статья из Википедии).

    Продолжение статьи «Кривая вращения галактики» https://community.livejournal.com/4humanity/16836.html  

    Скры́тая ма́сса (в космологии и астрофизике также тёмная материя, тёмное вещество) — общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающих электромагнитного или нейтринного излучения достаточной для наблюдений интенсивности и не поглощающего их), но наблюдаемых косвенно по гравитационным эффектам (в частности по эффекту «гравитационной линзы»), оказываемым на видимые объекты. Учёные считают, что количество тёмной материи как минимум в 5 раз больше количества видимой.

    Общая проблема скрытой массы состоит из двух проблем:

    астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой массы гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;

    космологической — противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной. 

    Наблюдаемые данные гравитационных эффектов скрытой массы  

    Скрытая масса и вращение галактик

    Дифференциальные скорости вращения галактик (то есть зависимость скорости вращения галактических объектов от расстояния до центра галактики) определяются распределением массы в данной галактике и для сферического объёма с радиусом , в котором заключена масса , задаются соотношением

т. е. за пределами объёма , в котором сосредоточена основная масса галактики, скорость вращения 

    Однако для многих спиральных галактик скорость остаётся почти постоянной на весьма значительном удалении от центра (20—25 килопарсек), что противоречит быстрому убыванию плотности наблюдаемой материи от центра галактик к их периферии (см. Рис. 1).

Рис. 1. Дифференциальные скорости вращения галактик. График: Дифференциальные скорости вращения спиральных галактик — кеплеровская и наблюдаемая.

    Таким образом, для объяснения наблюдаемых значений скорости необходимо допустить существование ненаблюдаемой (несветящейся) материи, простирающейся на расстояния, превышающие в десятки раз видимые границы галактик и с массой, на порядок выше совокупной массы наблюдаемой светящейся материи галактики (гало галактик).

    Масса скоплений галактик: проблема Цвикки 

    В 1937 году Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) опубликовал работу «On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae», в которой на основе наблюдений относительных скоростей галактик в скоплении Волос Вероники на 18-дюймовом телескопе ШмидтаПаломарской обсерватории получил парадоксальный результат: наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик и их красному смещению) оказалась значительно ниже массы скопления, рассчитанной исходя из собственных скоростей членов скопления (полученных по дисперсии красного смещения) в соответствии с теоремой о вириале: суммарная наблюдаемая масса скопления оказалась в 500 раз ниже расчётной, то есть недостаточной, чтобы удерживать составляющие его галактики от «разлетания». 

    Масса скоплений галактик: горячий межгалактический газ

    С развитием рентгеновской астрономии в скоплениях галактик было обнаружено рентгеновское излучение горячего (разогретого до температур порядка 106K) газа, заполняющего межгалактическую среду, — то есть была обнаружена часть скрытой массы таких скоплений. Однако суммирование наблюдаемых масс такого газа с наблюдаемыми массами галактик скопления не дало массы, достаточной ни для удержания галактик, ни для удержания газа в скоплениях. 

    Гравитационное линзирование фона галактиками и их скоплениями

    Одним из косвенных методов оценки массы галактик является гравитационное линзирование ими фоновых (расположенных на линии наблюдения за ними) объектов. В данном случае эффект гравитационного линзирования может проявляться в виде искажения изображения фонового объекта, либо появлении его многократных мнимых изображений. Решение обратной задачи, то есть расчёт гравитационного поля, необходимого для получения таких изображений, позволяет оценить массу гравитационной линзы — скопления галактик. И в этом случае расчётные значения значительно превосходят наблюдаемые (см. Рис. 2). 

Рис. 2. Скопление галактик в рентгене и оптике с гравитационным линзированием
Скопления галактик Abell 2390 (сверху) и MS2137.3-2353 в рентгене (слева, излучает горячий межгалактический газ) и оптике (справа, псевдоцвета), дуги — эффект гравитационноно линзирования фона.

    Природа и состав скрытой массы

    Кроме прямых наблюдений гравитационных эффектов скрытой массы существует ряд объектов, прямое наблюдение которых затруднено, но которые могут вносить вклад в состав скрытой массы. В настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы: если к первым относятся достаточно хорошо известные астрономические объекты, то в качестве кандидатов во вторые рассматриваются страпельки и гипотетические элементарные частицы, следующие из классической квантовой хромодинамики (аксионы) и суперсимметричных расширений квантовых теорий поля. 

    Массивные объекты гало галактик

    Для объяснения отклонения скоростей вращений галактических объектов от кеплеровских следует предположить наличие массивного тёмного гало галактик. К массивным объектам гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO) относятся слабоизлучающие компактные объекты, в первую очередь маломассивные звёзды — коричневые карлики, субзвёзды или очень массивные юпитероподобные планеты, масса которых недостаточна для инициирования термоядерных реакций в их недрах, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. 

    Межгалактический газ: Лайман-альфа лес

    В отличие от упоминавшегося выше горячего газа галактических скоплений, излучающего в рентгеновском диапазоне, наблюдения спектров квазаров свидетельствуют о достаточно массивных межгалактических облаках водорода. В спектрах квазаров с достаточно высоким красным смещением наблюдается множество смещённых линий («лес» линий) поглощения Лайман-альфа водорода, образованных множеством облаков водорода, расположенных на разном расстоянии по лучу зрения. Такой феномен получил название Лайман-альфа лес (англ. Lyman—alphaforest). 

    Небарионная тёмная материя

    По современным представлениям, только около 4,4 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

    В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино.

    Горячей тёмной материи недостаточно, по современным представлениям, для формирования галактик. Исследование структуры реликтового излучения показало, что существовали очень мелкие флуктуации плотности вещества. Быстро движущаяся горячая тёмная материя не могла бы сформировать такую тонкую структуру.

    Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены.

    В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и др.

    Впервые предположение о существовании материи, взаимодействующей с обычным веществом только через гравитацию, было высказано в начале XX века в связи с аномальной прецессиейперигелияМеркурия. Однако эта проблема была решена уже в 1916 году Альбертом Эйнштейном благодаря его Общей теории относительности, внёсшей в ньютоновскую теорию гравитации соответствующую поправку на орбитальные движения, исчерпывающе объясняющую наблюдаемое явление, что послужило и первым подтверждением ОТО.

    Также предпринимаются попытки объяснить кривые вращения галактик изменением законов гравитационного взаимодействия на больши́х масштабах (в частности, модифицированная ньютоновская динамика — MOND), однако предсказываемые в рамках MOND профили плотности и температуры горячего газа в скоплениях галактик сильно расходятся с наблюдаемыми. 

    Скрытая масса и космологические параметры, проблема тёмной энергии

    Одной из основных проблем космологии является вопрос о средней кривизне пространства и темпе расширения Вселенной. Если кривизна пространства нулевая или отрицательная, то расширение Вселенной происходит неограниченно (плоская и открытая модели Вселенной); если кривизна положительна, то расширение Вселенной должно смениться сжатием (закрытая модель Вселенной). В свою очередь, в рамках общей теории относительности (ОТО), средняя кривизна пространства Вселенной зависит от её средней плотности, нулевой кривизне соответствует критическая плотность Ωcrit ~ 10−29 г/см³, что эквивалентно примерно 5 атомам водорода на м³. Однако, несмотря на то, что наблюдаемое значение средней плотности светящейся материи Ωvis составляет порядка 1 % от критической, данные наблюдений свидетельствуют о том, что кривизна Вселенной близка к нулю, т. е. Ω довольно близко к Ωcrit

    В 1917 г. Эйнштейн для обеспечения стационарности (независимости от времени) космологической модели ОТО ввёл космологическую постоянную Λ, действующую в больших масштабах как сила отталкивания, однако в 1922 г. Фридман опубликовал работу по космологической модели нестационарной расширяющейся Вселенной, в которой космологическая постоянная была равна нулю. После открытия Хаббломкрасного смещения, т. е. космологического расширения, основания для введения космологической постоянной отпали, и сам Эйнштейн в разговоре с Гамовым назвал идею космологической постоянной своим самым большим промахом (англ. biggestblunder) в науке.

    Вместе с тем, наблюдения сверхновых типа Ia, проведённые в 1998 г. в рамках Supernova Cosmology Project показали, что постоянная Хаббла меняется со временем таким образом, что её поведение можно объяснить соответствующим подбором величины космологической постоянной Λ, вносящей вклад ΩΛ в среднюю плотность Ω. Эта часть скрытой массы получила название тёмной энергии (англ. darkenergy).

    Интерпретация данных по анизотропииреликтового излучения, полученных в ходе работы WMAP (англ. WilkinsonMicrowaveAnisotropyProbe, 2003 г.) дала следующие результаты: наблюдаемая плотность Ω близка к Ωcrit и распределение Ω = ΩΛ + Ωvis + Ωdark по компонентам: барионная материя Ωvis — 4,4 %, тёмная холодная материя (WIMP) Ωdark — 23 %, «тёмная энергия» ΩΛ — 72,6 %.

    https://ru.wikipedia.org/wiki/Гало_темной_материи

 
Кольцо темной материи. https://video.mail.ru/mail/pugachev_sergei/univers/24.html

    Galactic rotation curves

    Main article: «Galaxy rotation curve» https://en.wikipedia.org/wiki/Rotation_curve  

   
Pic 3. Rotation curve of a typical spiral galaxy: predicted (A) and observed (B). Dark matter can explain the velocity curve having a «flat» appearance out to a large radius

    For 40 years after Zwicky’s initial observations, no other corroborating observations indicated that the mass to light ratio was anything other than unity. Then, in the late 1960s and early 1970s, Vera Rubin, a young astronomer at the Department of Terrestrial Magnetism at the Carnegie Institution of Washington presented findings based on a new sensitive spectrograph that could measure the velocity curve of edge-on spiral galaxies to a greater degree of accuracy than had ever before been achieved. Together with fellow staff-member Kent Ford, Rubin announced at a 1975 meeting of the American Astronomical Society the discovery that most stars in spiral galaxies orbit at roughly the same speed, which implied that their mass densities were uniform well beyond the locations with most of the stars (the galactic bulge). An influential paper presented these results in 1980. These results suggest that either Newtonian gravity does not apply universally or that, conservatively, upwards of 50% of the mass of galaxies was contained in the relatively dark galactic halo. Met with skepticism, Rubin insisted that the observations were correct. Eventually other astronomers began to corroborate her work and it soon became well-established that most galaxies were in fact dominated by «dark matter»: 

    Low Surface Brightness (LSB) galaxies. LSBs are probably everywhere dark matter-dominated, with the observed stellar populations making only a small contribution to rotation curves. Such a property is extremely important because it allows one to avoid the difficulties associated with the deprojection and disentanglement of the dark and visible contributions to the rotation curves.  

    Spiral Galaxies. Rotation curves of both low and high surface luminosity galaxies appear to suggest a universal density profile, which can be expressed as the sum of an exponential thin stellar disk, and a spherical dark matter halo with a flat core of radius r0 and density ρ0 = 4.5 × 10−2(r0/kpc)−2/3 M⊙pc−3 (here, M⊙ denotes a solar mass, 2 × 1030 kg).  

    Elliptical galaxies. Some elliptical galaxies show evidence for dark matter via strong gravitational lensing, X-ray evidence reveals the presence of extended atmospheres of hot gas that fill the dark haloes of isolated ellipticals and whose hydrostatic support provides evidence for dark matter. Other ellipticals have low velocities in their outskirts (tracked for example by planetary nebulae) and were interpreted as not having dark matter haloes. However simulations of disk-galaxy mergers indicate that stars were torn by tidal forces from their original galaxies during the first close passage and put on outgoing trajectories, explaining the low velocities even with a DM halo. More research is needed to clarify this situation.  

    Note that simulated DM haloes have significantly steeper density profiles (having central cusps) than are inferred from observations, which is a problem for cosmological models with dark matter at the smallest scale of galaxies as of 2008. This may only be a problem of resolution: star-forming regions which might alter the dark matter distribution via outflows of gas have been too small to resolve and model simultaneously with larger dark matter clumps. A recent simulation of a dwarf galaxy resolving these star-forming regions reported that strong outflows from supernovae remove low-angular-momentum gas, which inhibits the formation of a galactic bulge and decreases the dark matter density to less than half of what it would have been in the central kiloparsec. These simulation predictions—bulgeless and with shallow central dark matter profiles—correspond closely to observations of actual dwarf galaxies. There are no such discrepancies at the larger scales of clusters of galaxies and above, or in the outer regions of haloes of galaxies.

    Exceptions to this general picture of DM haloes for galaxies appear to be galaxies with mass-to-light ratios close to that of stars. Subsequent to this, numerous observations have been made that do indicate the presence of dark matter in various parts of the cosmos. Together with Rubin’s findings for spiral galaxies and Zwicky’s work on galaxy clusters, the observational evidence for dark matter has been collecting over the decades to the point that today most astrophysicists accept its existence. As a unifying concept, dark matter is one of the dominant features considered in the analysis of structures on the order of galactic scale and larger.

    https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

    Продолжение темы:

    «Структура Галактики: диск и гало» https://community.livejournal.com/4humanity/17558.html

    Федор Дергачев «Извне». Часть 1. «Об обращении небесных сфер» 

    https://community.livejournal.com/4humanity/17568.html