Тъмна материя е понятие от астрофизиката и космологията, означаващо материя с неизвестен състав, която е недостъпна за наблюдение със съвременните методи, тъй като не излъчва и не отразява светлината. За съществуването на тъмна материя се съди по косвени данни, получени от нейното гравитационно въздействие върху видимата материя.
Увод
Понятието „тъмна материя“ възниква поради нуждата от обяснение на огромната разлика между общото количество материя, пресметнато въз основа на гравитационните сили, и количеството светещо вещество, намерено от преки наблюдения. Масата на светещото вещество е недостатъчна, за да бъдат обяснени следните явления: скоростите на въртене на галактиките около собствените им центрове и около центровете на галактичните купове; гравитационните лещи от галактически купове (напр. Bullet cluster); температурното разпределение на горещия газ в галактиките и куповете.
Тъмната материя играе централна роля в структурата на Вселената и формирането на вещество при Големия взрив, влияе измеримо върху анизотропията на реликтовото излъчване. Съществуването на тъмна материя решава редица проблеми в теорията на Големия взрив.
Съставът на тъмната материя не е известен. Възможно е тя да се състои от нови елементарни частици, като WIMPs, аксиони и обикновени или тежки неутрино. Възможно е също да е съставена от астрономически обекти като звезди джуджета и планети – изобщо масивни компактни обекти хало; облаци от несветещ газ.
Съвременните доказателства сочат най-убедително към моделите, в които главната съставка на тъмната материя е нов вид частици, общо наричани небарионна тъмна материя.
Масата на тъмната материя е повече от масата на видимата., using the WMAP dataset
В днешни дни плътността на обикновените бариони и фотони във Вселената се оценява на 1 водороден атом на кубически метър пространство. Видима е само около 4% от общата енергийна плътност на Вселената, остатъкът се оценява косвено по гравитационното си въздействие. Предполага се, че тъмната материя е около 22%, а останалите 74% се състоят от тъмна енергия – един още по-странен равномерно разпределен компонент във Вселената.
Трудно наблюдаемата барионна материя допринася към масата на тъмната материя, но това е само малка част.
Определянето на природата на тази липсваща маса е един от най-важните проблеми на съвременната космология и квантова физика. Според някои учени названията „тъмна материя“ и „тъмна енергия“ са просто израз на нашето невежество по въпроса – точно както надписа terra incognita върху белите полета на древните карти.
Информация от наблюдения Първият учен, който дава доказателства и се досеща за съществуването на явление, впоследствие наречено „тъмна материя“, е швейцарският астрофизик Фриц Цвики от Калифорнийския технологичен институт (Caltech) през 1933 г. See also Той приложил законите на небесната механика (Вириална теорема към Кома струпването от галактики (Coma_galaxy_cluster) и доказал, че там има невидима маса. Цвики оценил цялата маса на купа, знаейки скоростите на галактиките по периферията му. Като сравнил този резултат с резултати, базирани върху общия брой галактики и общата светимост на купа, се разбрало, че там има 400 пъти повече маса от очакваното. Гравитацията на видимите галактики от купа би била твърде малка, за да ги удържи заедно. Така се появил т.нар. „проблем за липсващата маса“. Единственото решение било да се предположи, че има невидима форма на материята, която с гравитацията си удържа галактиките от купа.
Доста от информацията за тъмната материя идва от изучаването на движенията на галактиките. Много от тях изглеждат с еднородно разпределение на масата, което ни дава право да използваме някои теореми от механиката (напр. Вириална теорема). Според механиката цялата кинетична енергия на купа трябва да е равна на половината от потенциалната енергия на взаимодействие на галактиките. Експериментално обаче се видяло, че кинетичната енергия е доста повече от това. В частност ако гравитацията е предизвикана само от наблюдаемата маса на купа, то галактиките далеч от центъра не би трябвало да се движат толкова бързо.
Ротационните диаграми на галактиките (Galactic rotation curves), които дават скоростта на обикаляне на звездите и газовете с отдалечаване от центъра на дадена галактика, не могат да се обяснят само с видимата материя. Допускането, че видимата компонента е само малка част от обекта, е най-простият начин за решение на проблема. Галактиките показват признаци, че са изградени в по-голямата си част от горе-долу сферично „хало“ от тъмна материя, като видимата материя е концентрирана във формата на диск в центъра. Някои галактики джуджета са важен източник на информация за изучаването на тъмната материя, понеже при тях видимата материя спрямо тъмната е много малко и имат малко ярки звезди в центъра си, които да не позволяват наблюдаването на звездите на външни орбити.
Според резултати, публикувани през 2006 г., тъмната материя е наблюдавана отделно от обикновената
чрез наблюдения на т. нар. Bullet_cluster. Той представлява всъщност два близки купа от галактики0, сблъскали се преди 150 млн. години. Direct constraints on the dark matter self-interaction cross-section from the merging galaxy cluster 1E 0657 – 56 Чрез анализ на образуваната от куповете гравитационна леща изследователите определят общото разпределение на масата (тъмна и видима) и го сравняват с данни от измерване на рентгеновото излъчване, което се предизвиква от видимата материя и се приема, че дава представа къде е по-голямата част от нея.
При сблъсъка горещите газове от двата купа са влезли във взаимодействие и са останали по-близко до центъра, докато отделните галактики и тъмната материя не са взаимодействали и са по-далеч от центъра.
Ротационни криви на галактиките
Цели 40 години след наблюденията на Цвики нямало никакви други наблюдения, които да повдигнат отново „проблема за липсващата маса“. Чак около 1960 г. младата астрономка Вера Рубин, работеща към Department of Terrestrial Magnetism при Carnegie Institution of Washington, започнала да публикува статии по проблема, базирайки се на наблюдения с нов и чувствителен спектрограф, с който били определени доста по-точно диаграмите скорост – разстояние на периферни спирални галактики (още „ротационните криви на галактиките“). Заедно с колегата си Кент Форд, през 1975 г. Рубин съобщила на събрание на Американското Астрономическо Общество меко казано изненадващото откритие, че повечето звезди в спиралните галактики обикалят около центъра с почти еднакви скорости, което подсказва за тяхното равномерно разпределение дори далеч от центъра – където е съсредоточена масата на галактиката. Такъв резултат значел или че Нютоновият закон за гравитацията не е универсален, или че повече от 50% от масата на галактиката се съдържа в относително по-тъмното галактическо хало. Посрещната със скептицизъм, Рубин настояла, че наблюденията ѝ са коректни. С времето други астрономи потвърдили нейните заключения и станало ясно, че повечето галактики са доминирани от „тъмна материя“. Все пак омало и галактики изключения.
В следващите години „тъмна материя“ е „откривана“ многократно в различни космически обекти. След работите на Рубин и Цвики се натрупала огромна база от наблюдателни данни и в днешни дни астрофизиците приемат „тъмната материя“ като нещо обичайно. Като обобщаващо понятие тя е едно от най-важните неща, които се вземат предвид при изучаването на мегаструктури като галактиките и куповете.
Разпределения по скорости на галактиките Основополагащите трудове на Вера Рубин остават възприети и днес. Скоро след наблюденията на спирални галактики учените се заемат с диаграмите скорост-разстояние и за елиптичните галактики. Въпреки че понякога се наблюдавало, че са с относително по-малка маса спрямо светимостта им, елиптичните галактики все пак подсказвали относително високо съдържание на тъмна материя. По-късни измервания върху междузвездния газ по краищата на галактиките говорят за тъмна материя в него – следователно не само че тъмната материя излиза извън границите на видимата част от галактиката, но и според оценки – галактиките са вириализирани до около 10 видими техни радиуса (достигнато е статистически стационарно състояние – звездите са разпределени по скорости точно както молекулите в газ при постоянна температура). Впечатляващо е, че това равновесие е в такива мащаби. Оттук се вдига и оценката за масата на тъмната материя – от 50% според Рубин до настоящите почти 95%.
Има места, където тъмна материя, изглежда, или няма, или е много малко. Сферичните звездни купове са пример за това, въпреки че по гравитационното им взаимодействие с галактиките се „намира“ тъмна материя. За известно време наблюденията на скоростите на звезди от Млечния Път сякаш сочат наличие на тъмна материя в галактическия диск, но вече се смята, че достатъчно гъстата обикновена – т.е. барионна – материя в диска (най-вече в междузвездното пространство) обяснява добре експериментите. Масовите профили на галактиките най-вероятно са доста различни от профилите на светимостта им. Типичният модел за галактика с тъмна материя е равномерно и сферично разпределена тъмна материя във вириализираното хало. Това е продиктувано от изискването да се избегнат дребните (на ниво звезди) динамични (т.е. силови) ефекти.
Резултати на учени от Масачузетския университет Амхърст от януари 2006 г. обясняват мистериозното изкривяване в диска на Млечния път чрез действието на Малкия и Големия Магеланов Облак. С техния модел се обяснява и предсказаното преди 20-кратно увеличение на масата на Млечния път, когато се смята и тъмната материя.
Наскоро астрономи от Университета в Кардиф заявяват, че са открили галактика (кръстена VIRGOHI21) почти изцяло от тъмна материя – на 50 млн. светлинни години от нас, в купа Дева. See also: Wikinews:Dark matter galaxy discovered Необикновеното е, че VIRGOHI21 сякаш няма никакви видими звезди. Открита е чрез наблюдения на водород с радио телескоп. Основавайки се на диаграмите скорост-разстояние, учените смятат, че този обект съдържа около 1000 пъти повече тъмна материя, отколкото водород, и има обща маса 1/10 от масата на Млечния път. За сравнение, за Млечния път се смята, че има грубо 10 пъти повече тъмна от обикновена материя. Според някои модели на Големия взрив и структурообразуването такива тъмни галактики би трябвало да са доста често явление, но това е първата открита. Ако се потвърди, че тъмната галактика съществува, това ще е силно доказателство в полза на веществената теория за тъмната материя (т.е тъмната материя е форма на материята) и ще постави големи трудности пред алтернативните (невеществени) теории.
Липсващо вещество в галактическите купове
Тъмната материя влияе и върху галактическите купове. Рентгенови измервания на вътрешния купов газ отговарят точно на наблюдаваните от Цвики отношения маса-светимост от порядъка на 10 към 1. Много от измерванията на Chandra X-ray Observatory ползват тази техника, за да определят масите на куповете независимо от други експерименти. Галактическият куп Abell 2029 е съставен от хиляди галактики, обградени от облак горещ газ и количество тъмна материя, равно по маса на 1014 Слънца. В центъра на този куп има огромна елиптична галактика, която се предполага, че е формирана от обединенията на много на брой малки галактики.
Измерените орбитални скорости на галактиките се съгласуват добре с другите наблюдения, касаещи тъмната материя.