« »

пятница, 2 октября 2009 г.

Темная Материя 3.5 - когда сталкиваются скопления

Этан Зигель, Starts with a Bang
30 сентября 2009 года

Многие из вас видели изображения сталкивающихся скоплений галактик, которые я поместил в понедельник. Они замечательны тем, что не только показывают скопления спустя всего 200 млн лет после столкновения (что очень мало в космических масштабах), но и также и тем, что показывают, где расположена масса (отмечено синим), и где находятся области, излучающие рентгеновские лучи (розовым). Вот, скопление под названием Пуля:



А это MACS J0025:



А вот еще одно - Abell 520:


Вот, что происходит, когда сталкиваются скопления галактик - происходит разделение нормальной и темной материи! Давайте рассмотрим, как.

Иногда нормальная материя упакована в плотные небольшие сгустки - хороший пример таких сгустков - звезды и галактики. Когда два больших, протянувшихся на миллионы световых лет, кластера врезаются друг в друга, эти маленькие сгустки движутся с большой инерцией друг на друга, но вероятность их прямого столкновения очень мала. Что это значит? Скорее всего они разминутся, и вряд ли сильно потеряют скорость вследствие трения движения сквозь другой кластер. Другими словами, они ведут себя как маленькие металлические шарики в игре "Перекрестный Огонь" - в основном, они свободно пройдут через кластер насквозь.

Это оставляет нас с газом, который находится там же, где большинство нормальной и темной материи. Со всех точек зрения, эти два типа материи рассеяны во всем скоплении, они диффузны, но вездесущи. Газ состоит из протонов, нейтронов и электронов, а эти частицы очень просто взаимодействуют друг с другом. Когда сталкиваются два газа, они ведут себя также, как две встречные струи воды:



Между ними очень много трения, которое (как вы помните), их одновременно замедляет и разогревает. Замедление - это причина, почему газ, излучающий рентгеновские лучи, всегда находится в центре сталкивающихся скоплений (см. выше - все три случая), а нагрев - это причина, по которой газ становится достаточно горячим, чтобы излучать рентгеновские лучи! Другими словами, в газе наблюдается "всплеск"!

Но что с темной материей? Хотя она подчиняется тем же гравитационным физическим законам, у нее нет главного источника трения - электрического заряда! Мы действительно уверены в том, что темная материя практически не подвергается электромагнитному взаимодействию. Трение между частицами темной материи (как и трение между темной материей и газом) настолько мало, что им просто можно пренебречь. Сталкивающаяся темная материя ведет себя как два луча света - они просто не замечают присутствия друг друга!



Но мы идем даже дальше и делаем симуляцию того, что произойдет, когда сталкивается нормальная материя (газ - розовым) и темная материя (синим), у которой есть только гравитационное трение. Видео было целиком в предыдущей статье, а сейчас мы рассмотрим несколько экранов оттуда.



До столкновения мы видим, что темная и обычная материя составляют практически единое целое, распределенное в пространстве в виде сферы, формирующий внешний вид скопления.



Пока скопления не взаимодействуют, они сохраняют свою форму, и оба типа материи остаются сферическими, но при начале столкновения все меняется...



Видите, темная материя (отмечена синим) продолжает двигаться как ни в чем не бывало, на нее не действуют никакие силы. Но сталкивающийся газ (розовый), при столкновении замедляется и разогревается, приобретая тепловую энергию. Это становится очевидным если продвинуться вперед во времени еще на пару миллионов лет.



Это разделение только увеличивается, поскольку темная материя продолжает свое движение, а газ продолжает замедление.

По мере протекания столкновения, темная материя постепенно меняет направление своего движения на противоположное, и падает обратно в скопление. Мы не видим этого в скоплении Пуля, которое находится на ранней стадии своей эволюции, но в MACS J0025, находящемся на немного более поздней стадии уже присутствуют все признаки, а в скоплении Abell 520, находящейся в поздней стадии объединения, это падение видно очень хорошо.

И вот вам результат. Вот поэтому сталкивающиеся скопления ведут себя именно так, именно поэтому потребовалось присутствие некоего материала, который во время столкновений взаимодействует только путем гравитации, а не трения. Мы называем этот материал Темной Материей.

У него есть гравитация, как у любой материи, но он совершенно невидим, не поглощая и не излучая света. Нравится вам или нет это название, все происходит именно так, и это единственное логичное объяснение тому, что мы сейчас наблюдаем.

Темная материя. Запомните это.

Комментарий доктора Майкла: уф, даже добавить нечего. Великолепное, наглядное объяснение, что такое Темная Материя и зачем она понадобилась. Вот ведь какая штука, пока мы не начали наблюдать скопления галактик в видимом, рентгеновском диапазонах, пока не изучили эффект гравитационной линзы, и не научились определять, где на луче зрения расположена эта невидимая материя, искажающая объекты сзади нее, мы даже не подозревали о ее существовании. Фактически, буквально недавно астрономы получили новый мощные метод познания - гравитационные линзы (gravitational lensing), а теперь с его помощью делаются поразительные открытия фундаментального строения Вселенной.

И кто знает, что нас ждет дальше...

4 комментария:

Деметрий комментирует...

Спасибо.
всё пытался понять в чём суть тёмной материи. а тут всё просто и на пальцах :)

отлично :)

Ly комментирует...

Интересно и наглядно... но меня все время мучает вопрос, почему темная материя, если она существует, уже давно просто не коллапсировала в одну гигантсткую черную дыру, ведь от коллапса ее не сдерживает давление излучения, с какой радости она будет облаками летать?

DrMichael комментирует...

Спасибо за комментарий, Ly .

Мне кажется, здесь мы имеем философский принцип единства и борьбы противоположностей - иными словами, на любую темную материю найдется темная энергия, которая растолкает кучи материала на такое расстояние, когда их взаимодействие становится пренебрежимо мало.

Наличие самих "куч" материала определяется небольшими флуктуациями свойств пространства-времени - так, например, пар, оседающий на зеркало в ванной, покрывает его равномерно, но стоит на поверхности стекла появиться крохотной пылинке, и вокруг нее сразу конденсируется вода.

Аналогия, конечно, достаточно примитивная, мы же тут все пытаемся объяснять "на пальцах" ;)

Arh Demetriy комментирует...

темная материя - это не материя, а гравитационная аномалия.

она не коллапсировала по законам материи потому, что не подвержена законам материи. может это не материя? :)

мы знаем только что материя ведёт себя странно.
а есть там что-то или нет, мы не знаем.
мы знаем что это похоже на "лишнюю" гравитацию.