Почему темная материя не является обычной материей?

Существует очень точная причина, по которой темные планеты, состоящие из «обычной материи» (барионы — частицы, состоящие из трех кварков), не могут быть темной материей. Оказывается, количество барионов в космологии можно измерить двумя разными способами:

• Путем измерения современных содержаний некоторых легких элементов (особенно дейтерия), которые очень чувствительны к количеству барионов.
• Измеряя распределение горячих и холодных пятен на космическом микроволновом фоне (CMB), излучение, оставшееся от ранней Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Эти два метода прекрасно согласуются друг с другом, и оба указывают на то, что барионы составляют 5% всего вещества (энергии/материи) во Вселенной. Между тем, различные меры гравитационного скопления (гравитационное линзирование, вращение звезд вокруг галактик и т. д. и т. д.) указывают на то, что общая материя составляет 25% от общей. (Остальные 75% находятся в пресловутой темной энергии, которая не имеет отношения к данному конкретному вопросу).

Поскольку 5 % намного меньше 25 % и поскольку погрешности обоих этих измерений довольно малы, мы заключаем, что большая часть вещества, около 4/5 тыс. (т. ' и НЕ состоит из барионов.

Как упоминалось в приведенных выше ответах, большая часть обычной материи рассматривалась в качестве кандидатов, и мы совершенно уверены, что должна работать какая-то «темная» материя.

Во-первых, мы берем явление гравитационного линзирования. Очень известным примером является скопление Bullet, где вы можете ясно наблюдать эффекты компактной массы, действующей как оптическая линза. Масса такой величины не может удобно представлять собой скопление коричневых карликов, и у большинства наблюдаемых нами черных дыр есть множество объектов, вращающихся вокруг, и сопровождающий их струйный поток частиц. Кроме того, черной дыры малой величины было бы недостаточно, чтобы объяснить величину рассматриваемого гравитационного линзирования.

Во-вторых, гораздо более сложные вычисления, выполненные с использованием принципов общей теории относительности, требуют гораздо большей массы, чтобы учесть текущую форму и угловую скорость галактик. Может быть легко сказать, что ОТО неверна (чего не следует говорить в лицо физику), хотя ОТО неполна в том смысле, что она не является теорией всего, она все же объясняет большую часть гравитационных явлений. довольно хорошо. Кроме того, тот факт, что существует гравитационное линзирование, означает, что действительно ЕСТЬ какая-то масса или гравитационное притяжение (или, скорее, аномалия искривления пространства-времени) в определенных частях нашей галактики и Вселенной.

Несмотря на то, что темная материя кажется такой загадочной, мы можем догадаться о большинстве ее свойств из-за нашего «недостатка знаний». Во-первых, поскольку он «невидим» во всем спектре света, можно предположить, что он не взаимодействует через электромагнитную силу. Поскольку это фонтан гравитационной силы, мы можем сказать, что он, к удивлению, взаимодействует через гравитационную силу. Расчеты слабых и сильных взаимодействий довольно сложны и очень косвенны, поэтому я просто хочу сказать, что большинство предлагаемых в настоящее время темных материй взаимодействуют также через сильные и слабые взаимодействия.

Планетарная система без звезды возможна только в том случае, если звезда вымерла, превратившись в нейтронную звезду, черную дыру или белый карлик, и все они каким-то образом поддаются обнаружению.

Кроме того, должно быть нереальное количество этих «поблекших» звездных систем, чтобы хотя бы объяснить потерю массы. И предполагая, что такие планетные системы довольно редки, мы предпочли бы рассмотреть необычную форму материи, которая вполне возможна и правдоподобна, если она будет обнаружена.

Вся известная нам материя ( называемая барионной материей) излучает какое -то электромагнитное излучение на определенной частоте. Иногда его измеряют в инфракрасном излучении, потому что материя, какой бы холодной она ни была, все равно излучает некоторое количество тепла. Насколько нам известно, на самом деле невозможно охладить любую материю до абсолютного нуля, и уж точно это не происходит естественным путем. Я считаю, что самая холодная материя, которая существует во Вселенной, имеет температуру около 3 градусов Кельвина. Другие длины волн могут определить точную природу рассматриваемого вещества и его температуру. Например, ионизированный кислород светится в видимом свете на определенной длине волны — это одна из вещей, благодаря которым видны эмиссионные туманности.

Итак, измерив всю эту материю в других галактиках, мы заметили, что просто не хватает массы, чтобы удержать их от распада (а именно, звезды внутри галактик движутся быстрее, чем космическая скорость гравитационного притяжения центра масс галактики). галактика) - особенно когда мы пытались создать компьютерные модели галактик. Это был первый намек на то, что происходит что-то, чего мы не до конца понимали. Как описывали другие, другие методы определения общей массы галактики дали аналогичные результаты.

В результате есть только одно возможное объяснение этого явления: должна существовать какая-то материя (а вся материя имеет массу), которую мы не можем обнаружить. На самом деле количество массы, которое нельзя объяснить таким образом, составляет около 95% массы любой данной галактики. Конечно, это довольно большое дело.

Между прочим, мы пытаемся разобраться с этим очень большим расхождением с 1933 года. Разница между тем и другим заключается в том, что точность наших измерений скорости звезд в других галактиках улучшилась, как и наша способность измерять другие явления. происходит в галактиках и скоплениях галактик. Чем точнее мы становились в наших измерениях, тем более очевидным становилось это вопиющее несоответствие.

Рассмотрена возможность существования крупных темных объектов из нормального барионного вещества. Они называются МАЧО .

Однако есть разные причины полагать, что большая часть темной материи не может быть в форме МАЧО. Из приведенной выше статьи в Википедии (которая ссылается на некоторые соответствующие журнальные статьи):

Большой взрыв, как его понимают в настоящее время, просто не мог произвести достаточное количество барионов, не вызывая серьезных проблем в наблюдаемом содержании элементов, [6] включая содержание дейтерия. [7] Кроме того, отдельные наблюдения барионных акустических колебаний, как в космическом микроволновом фоне, так и в крупномасштабной структуре галактик, устанавливают ограничения на общее отношение барионов к общему веществу. Эти наблюдения показывают, что большая часть небарионной материи необходима независимо от наличия или отсутствия MACHO.

Рассмотрены все возможные тусклые/карликовые/умершие звезды, межзвездная среда (газ, пыль, молекулярное облако и т.д.). Но их недостаточно. Остальная часть может быть только чем-то, что мы никогда не знали раньше. Мы ожидаем каких-то неизвестных новых частиц.

Основным недостающим звеном является существование класса частиц, которые, помимо гравитации, достаточно слабо взаимодействуют, чтобы удовлетворить потребность. Мы уже знаем об одном типе частиц, обладающих большинством этих характеристик, — нейтрино. В этом случае у физиков и космологов есть теоретические основания полагать, что верхняя граница массы нейтрино слишком мала. Но само существование одного класса слабо взаимодействующих частиц должно сделать возможность существования другого менее новой.

В дополнение к другим ответам, есть также роль, которую сыграло астрофизическое моделирование в исключении известных частиц из объяснений темной материи.

Во-первых, уточнение: следует проводить различие между небарионной материей, рассматриваемой в большинстве ответов, и «неоткрытыми и необъяснимыми формами материи». Причины, по которым большая часть темной материи должна быть небарионной, включают аргументы, связанные с реликтовым излучением и нуклеосинтезом Большого взрыва, как упоминалось другими. Однако небарионная (но известная материя), такая как известные ароматы нейтрино, казалась подходящим кандидатом на темную материю даже после того, как барионная материя была в значительной степени исключена. Позже нейтрино были исключены другими источниками доказательств.

Одним из первых источников таких доказательств, исключающих нейтрино, было компьютерное моделирование формирования крупномасштабных структур. В интересном историческом эссе, написанном Саймоном Уайтом (и опубликованном сегодня, 19.06.18 на arXiv):

... большие пустоты [обнаруженные в моделировании вселенных с преобладанием нейтрино] в распределении галактик были несовместимы даже с относительно скудными данными наблюдений, доступными в 1983 году. Это несоответствие привело к отказу от известных нейтрино как потенциальных кандидатов в темную материю, даже хотя пройдет еще два десятилетия, прежде чем они будут окончательно исключены экспериментальными верхними пределами их масс. Демонстрация того, что ни одна известная частица не может объяснить темную материю, остается одним из наиболее значительных вкладов компьютерного моделирования в астрофизику и космологию.

Смотрите эссе здесь .

Вы можете оценить общую массу, используя гравитационное линзирование, и сравнить ее с оценочной массой галактики, сложив массы всех видимых звезд и сделав щедрые оценки других видов обычной материи, которые могут там находиться. Есть еще большое расхождение.

Если бы дополнительная масса была обычной материей, она бы сгущалась и взаимодействовала с фотонами, что привело бы к гораздо менее диффузному распределению, чем то, которое следует предположить для правильной динамики галактики.