25. Темная материя

    В 30-е годы XX века американский астроном Ф. Цвикки показал, что галактики в скоплениях галактик движутся со скоростью, превышающей вторую космическую скорость галактики, что должно было приводить к разрушению галактики. Ф. Цвикки высказал предположение, что в скоплениях галактик содержится невидимое вещество, которое проявляется только в гравитационном взаимодействии. Эта неизлучающая материя получила название темной материи. Темная материя сходна с наблюдаемым веществом во Вселенной − она способна собираться в сгустки размером с галактику или скопление галактик. Плотность распределения темной материи коррелирует с плотностью распределения галактик, скоплений галактик.

Свидетельства существования темной материи.

    1.   Галактические ротационные кривые. Скорость вращения отдельных звезд вокруг центра галактики определяется из условия существования постоянной орбиты

где M − масса материи внутри сферы радиуса r. Во внутренней области галактики ожидается линейный рост скорости вращения звезды с увеличением расстояния r от центра. Во внешней области галактики v ≈ 1/√r. По данным измерений, галактические ротационные кривые выходят на константу, что является свидетельством наличия темной материи.

Рис. 47. Кривые вращений в галактиках.

2. Динамика скопления галактик. Усредненные по времени значения кинетической и потенциальной энергии связаны между собой теоремой о вириале. Измерения средних скоростей и расстояний дают значение массы темной материи на порядок больше видимой массы.
3. Гравитационное линзирование. С помощью телескопа Hubble были получены изображения «кольца» темной материи, которые также свидетельствуют в пользу наличия темной материи, превышающей видимую в 10 раз.
4. Горячий газ в скоплениях галактик имеет температуру (3–10)∙10⁷ К. Чтобы удержать такие частицы, необходимы массы скоплений галактик также в 10 раз превышающие наблюдаемые.
5. Динамическая масса скопления. Если известны размеры r и скорость вращения скоплений галактик, то на основе теоремы о вириале можно оценить вириальную или динамическую массу скопления M.

    Оказывается, что практически во всех случаях наблюдаемая суммарная масса скоплений галактик в 2–10 раз меньше вириальной массы скопления.
    Существуют и другие доказательства существования темной материи. Оказывается, что независимо от способа определения массы темной материи она оказывается в 5–10 раз больше видимой массы барионного вещества.

Гипотезы о природе темной материи.

1. Барионная форма темной материи
2. Небарионная форма темной материи

    Барионная форма темной материи по данным астрофизических измерений не может давать вклад более 20% темной материи.
    В нашей галактике Млечный Путь тёмного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного пути. Темная материя обнаружена и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет ≈ 10^-29 г/см³, что в 10 раз больше плотности видимого вещества. Темная материя интенсивно рождалась и аннигилировала на ранней стадии эволюции Вселенной при температурах ~10¹⁵ К и частично дожила до наших дней. Поиски частиц темной материи ведутся на ускорителях высоких энергий. Частицы темной материи можно обнаружить также по результату их столкновений с атомными ядрами. Однако вероятности таких столкновений крайне малы.