Объясняя темную материю и темную энергию непрофессионалу

Темная материяВаше понимание темной материи неплохое, но вот несколько уточняющих деталей. Орбиты: скорость движения объекта по орбите связана с двумя вещами: радиусом его орбиты и массой внутри него. В Солнечной системе более 99% массы сосредоточено в центре, поэтому радиус является доминирующим фактором, влияющим на орбитальную скорость. Когда мы смотрим на планеты дальше от Солнца, их орбитальная скорость уменьшается. В галактике та же история, но с увеличением радиуса орбиты вы также получаете все больше и больше массы внутри своей орбиты, поскольку галактика полна других звезд. Тем не менее, мы ожидаем, что орбитальные скорости будут падать, когда вы смотрите на объекты ближе к краю галактики, поскольку звезды становятся более рассеянными по мере вашего удаления, а внутри орбиты недостаточно массы, чтобы компенсировать увеличение радиуса. Вместо,

Вот пример так называемой кривой вращения спиральной галактики NGC 3198 :

Без темной материи мы ожидали бы, что скорость объектов как функция радиуса (от центра масс) будет следовать кривой, обозначенной как «диск». Однако то, что мы видим, похоже, является суммой двух вкладов (диска и «ореола темной материи», которое окружает этот диск), что перекрывается реальными данными.

У нас также есть доказательства этой дополнительной массы от гравитационных линз. Когда свет проходит мимо большого объекта, такого как скопление галактик, его траектория может искривляться под действием гравитации этого объекта. Мы можем увидеть этот эффект, когда скопление галактик находится перед еще более далекой галактикой, свет от объекта на заднем плане увеличивается и искажается. Мы можем рассчитать путь, по которому должен пройти свет, чтобы появиться таким, каким мы его видим, и массу, необходимую, чтобы искривить его таким образом, нельзя объяснить только звездами и газом, которые мы видим в линзовом скоплении. Это еще раз говорит о том, что существует дополнительная масса, которую мы не можем видеть.

Темная энергия В этом вопросе вы не слишком далеки от истины, но с одним важным отличием: темная энергия — это «сила», которая заставляет вселенную ускорять свое расширение. Мы ожидаем, что Вселенная будет расширяться, исходя из космологической модели Большого взрыва, но мы ожидаем, что она будет замедляться, поскольку взаимная гравитация всего во Вселенной действует друг на друга. Темная энергия, по-видимому, оказывает «давление» на каждую часть пространства, заставляя ее расширяться, но она очень слаба, и на протяжении большей части истории Вселенной доминировала гравитация и другие факторы. Только в последние несколько миллиардов лет он начал брать верх.

Это работает примерно так. Представьте, что у вас есть одномерная область пространства-времени длиной в 1 единицу (просто для удобства). Вот он: |--------| Теперь на эту область действует «давление расширения» темной энергии. Допустим, это 0,07 единиц в год на единицу. Это означает, что каждый год эта область пространства-времени увеличивается на 7%. Через 10 лет длина удвоится: |--------|--------| Дело в том, что каждая из этих областей имеет то же давление расширения, что и исходная! Таким образом, оба удвоятся через 10 лет, а затем удвоятся и те, и так далее. Получается, что локально вы получаете небольшое расширение, но чем дальше что-то уходит, тем быстрее оно удаляется от вас. Реальный эффект темной энергии на порядки меньше, что-то вроде 67,15 ± 1,2 (км/с)/Мпк ( Wikipedia), но это все равно означает, что любые галактики, удаленные от нас более чем на 4,5 гигапарсека, в настоящее время уносятся от нас со скоростью, превышающей скорость света. (Мы все еще можем видеть их прямо сейчас, потому что свет, который мы видим, излучался задолго до того, как скорость расширения стала такой высокой.) Расширение суммируется на огромных расстояниях, которые мы видим во Вселенной.

Темная энергия не влияет на такие вещи, как планеты, солнечные системы и галактики, потому что эффект настолько слаб в малых масштабах, что гравитация более чем противодействует ему. Его эффект в основном можно увидеть на обширных пустых участках пространства между скоплениями галактик.

Надеюсь, это поможет!