Есть ли признаки темной материи в нашей галактике?

Звезда на диске нашей галактики Млечный Путь вращается вокруг галактического центра подобно тому, как планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца из-за гравитационного притяжения всех звезд и другого вещества в галактике, которые находятся ближе к галактическому центру, чем рассматриваемая звезда. Для нашей галактики орбитальная скорость Солнца и других звезд, находящихся на том же расстоянии от галактического центра, что и наше Солнце, составляет около 220 км/с, что дает период обращения около 200 миллионов лет.

В нашей Солнечной системе 99,9 % массы приходится на Солнце, поэтому скорость планет, вращающихся вокруг нее, падает как обратный квадратный корень из расстояния от Солнца (результат легко вывести из закона всемирного тяготения Ньютона, согласно которому гравитационное сила падает обратно пропорционально квадрату расстояния). Орбитальная скорость Земли составляет 30 км/с, а Юпитер, находящийся в 5,2 раза дальше, имеет орбитальную скорость 13 км/с. Орбитальная скорость также зависит от квадратного корня из массы в центре, поэтому, если бы наше Солнце стало в четыре раза массивнее, орбитальная скорость Земли удвоилась бы.

Для протяженного объекта, такого как наша галактика, из закона Ньютона можно вывести, что гравитационная сила всей галактики, действующая на звезду, как раз равна тому, что можно было бы ожидать от всей материи, расположенной ближе к галактическому центру, чем звезда. . Все силы, исходящие от звезд и материи дальше от центра, уравновешивают друг друга.

Если бы вся масса нашей галактики находилась в центре, то орбитальная скорость падала бы как обратный квадратный корень из расстояния до центра, как и для Солнечной системы. Но поскольку масса галактики увеличена, орбитальная скорость будет падать медленнее. На самом деле, если масса, расположенная на заданном расстоянии от центра, увеличивается пропорционально квадрату этого расстояния (как это было бы для плоского диска постоянной толщины и плотности), то орбитальная скорость будет более или менее постоянной по мере нашего движения. все дальше и дальше. То же самое было бы верно для сферического гало, где плотность падает как 2/3 степени расстояния от центра.

В 1970-х годах астрономы, изучающие орбитальные скорости вокруг центров других галактик, обнаружили, что орбитальная скорость действительно примерно постоянна, вопреки всем ожиданиям. Примерно в то же время другие астрономы, изучающие лучевые скорости далеких звезд в нашей галактике, обнаружили, что это верно и для нашей галактики. И исследования 21-сантиметрового межзвездного водорода показали, что эта постоянная скорость продолжается далеко от центров галактик, намного дальше самых далеких звезд, которые можно увидеть.

Но давно известно, что распределение звезд во всех нормальных галактиках, спиральных или эллиптических, сильно сконцентрировано к центру, и поэтому ожидалось, что орбитальная скорость будет постоянно уменьшаться по мере удаления от центра. Единственным объяснением аномалии было то, что был другой источник материи, помимо того, что мы можем видеть в звездах и межзвездной материи, который был ответственен за это. Это стало известно как «темная материя».

На самом деле последствия темной материи были замечены еще в 1950-х годах, когда было замечено, что скорости вращения галактик в далеких скоплениях галактик намного выше, чем можно было бы ожидать, исходя из общей массы всех звезд. Но они были так далеко, что мы не могли быть уверены, что за это не ответственен какой-то компонент слабой материи. Наличие его в нашей собственной галактике также приводит к выводу, что материя, вызывающая избыточные скорости, действительно темная.

Трудно измерить процент темной материи в нашей галактике, так как, находясь внутри нее, мы не можем определить, насколько далеко от галактического центра находятся самые далекие облака нейтрального водорода. Легче измерить расстояния до краев других галактик и скоплений галактик. По лучшим предположениям, около 80 % массы нашей галактики составляет темная материя.

Пьеро Мадау, профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз, говорит: «В предыдущих симуляциях эта область была гладкой, но теперь у нас достаточно деталей, чтобы увидеть сгустки темной материи».

Результаты могут помочь ученым понять, что такое темная материя. До сих пор он был обнаружен только благодаря его гравитационному воздействию на звезды и галактики. Однако, согласно одной из теорий, темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые могут аннигилировать друг друга и излучать гамма-лучи при столкновении. Гамма-лучи, возникающие в результате аннигиляции темной материи, могут быть обнаружены с помощью недавно запущенного космического гамма-телескопа GLAST, который помогли построить физики Вашингтонского университета.

Ореол темной материи, окружающий то, что мы называем звездами и газом Млечного Пути, который можно рассматривать и сгруппировать вместе в виде спирали, похожей на гигантский пляжный мяч, и весьма деформированный, говорят американские астрономы, первыми, кто считает, что им удалось измерить его форма. Темная материя названа так потому, что она невидима, потому что никто не знает, из чего она образовалась. Однако его невозможно обнаружить, потому что он подчиняется, как и обычная материя, законам гравитации и притяжения маленьких карликовых галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути.