¿Qué es la materia oscura? ¿Energía oscura?
Hace décadas, cuando se propuso por primera vez la materia oscura, era solo un producto de la teoría, pero ahora sabemos que la materia oscura se ha convertido en una parte importante del universo. La masa total de materia oscura es 6 veces mayor que la de la materia ordinaria y representa 1/4 de la densidad de energía del universo. Más importante aún, la materia oscura domina la formación de la estructura del universo. Aunque la naturaleza de la materia oscura aún no está clara, no afecta su existencia.
En astronomía, la masa medida por la relación masa-luminosidad es siempre mucho menor que la masa obtenida por métodos mecánicos como la curva de rotación del material alrededor de la galaxia, la gravedad del sistema estelar binario y condiciones de equilibrio dinámico. Entonces debe haber mucha materia oscura que tenga efectos mecánicos pero no luz. En otras palabras, la presencia a gran escala de materia oscura en el universo es una regla universal. Los cálculos muestran que la masa total de la Vía Láctea es al menos 10 veces mayor que la zona óptica, es decir, al menos el 90% de la masa de la Vía Láctea pertenece a materia oscura.
El profesor Li Zhengdao dijo: ¿Cuál es la base de la existencia de la materia oscura? Miremos una galaxia aleatoria. Su diámetro es de aproximadamente 20.000 pársecs. Las estrellas, las nubes de polvo o de gas alrededor de la galaxia se mueven en círculos a una determinada velocidad lineal y su fuerza centrífuga es
F = mv2/r
r es la distancia desde la galaxia. objeto al centro.
Gravedad de la nebulosa
f quote = GmM/r2
Donde g es la constante gravitacional y m es la masa de la nebulosa. La gravedad de la nebulosa debe equilibrarse con la fuerza centrífuga. M se elimina en ambos lados de la ecuación, por lo que queda
GM/r2 = v2/r
El lado izquierdo de la ecuación es la aceleración de la gravedad y el lado derecho es la dirección del movimiento circular. Simplificación y deformación
v2= GM/r
Dado que la constante gravitacional g y la masa m de la nebulosa son constantes, se puede ver en la fórmula anterior que el cuadrado de la velocidad lineal de la estrella v y La distancia r de la estrella al centro de la nebulosa es inversamente proporcional. Por tanto, cuanto más alejada está una estrella del centro de la nebulosa, menor es su velocidad lineal. Si se miden R y la velocidad de la estrella V, se puede calcular el material M en la nebulosa.
Tomemos como ejemplo la galaxia NGC3192. Su área luminosa es de unos 15 kiloparsecs, pero la velocidad lineal de la estrella a 30.000 pársecs del centro es incluso mayor que a 15 kiloparsecs. galaxia NGC3192 Además de la materia visible también existe la materia invisible.
La materia visible es materia brillante, lo que significa que puede verse a simple vista y medirse mediante ondas electromagnéticas y luz infrarroja. La materia oscura invisible no emite ni refleja luz, pero puede producir gravedad. Debido a la existencia de materia oscura, la velocidad de la materia alejada del centro de una galaxia no disminuye con la distancia.
Este fenómeno no es único. Esto es válido para las 967 galaxias medidas, sin excepción. Es decir, todas las galaxias contienen materia oscura.
Hace unos 65 años se descubrieron por primera vez pruebas de la existencia de materia oscura. En aquella época, Fritz Zwicky descubrió que las galaxias en grandes cúmulos de galaxias se movían a velocidades extremadamente altas. Los cúmulos de estrellas no pueden unir galaxias en absoluto a menos que su masa supere 100 veces el número de estrellas que contienen. Décadas de observación y análisis lo confirman. Aunque la naturaleza de la materia oscura sigue siendo desconocida, en la década de 1980 se aceptaba ampliamente que representa aproximadamente el 20% de la densidad de energía del universo. Algunas personas creen que la materia luminosa ordinaria representa el 0,4 de la masa total del universo, otras la materia ordinaria representa el 3,7, la materia oscura representa casi el 23 y el otro 73 es energía oscura.
En la década de 1930, el científico árabe suizo Zwicky utilizó dos métodos para medir la masa de los cúmulos de galaxias. Una es la fotometría, que consiste en medir la luminosidad de las galaxias en un cúmulo de galaxias, deducir la masa de la galaxia en función de la relación entre la luz de las estrellas y la masa, y luego sumar las masas de cada galaxia para obtener la masa de todo el cúmulo de galaxias. .
Otro método es el método dinámico, que mide la velocidad de movimiento relativo entre galaxias, a partir del cual se puede deducir la masa total del cúmulo de galaxias. Los resultados muestran que la calidad obtenida por estos dos métodos difiere mucho. Tomando como ejemplo los cúmulos de estrellas recién llegados, la masa dinámica es 400 veces mayor que la masa fotométrica. Este resultado sólo puede explicarse por el hecho de que la masa principal de los cúmulos de galaxias tardíos no la aportan las galaxias visibles, sino la gran cantidad de materia oscura que contienen. Sólo se puede medir fotométricamente la calidad del área luminiscente. Por tanto, la masa fotométrica de las regiones no luminosas que contienen grandes cantidades de materia oscura será, naturalmente, mucho menor que la masa dinámica. Zvetovich llama a las masas que no pueden detectarse fotométricamente "masas no contabilizadas".
Pero hasta la década de 1970, algunos astrónomos influyentes todavía creían que las galaxias eran el componente principal del universo, que la masa inexplicable no existía en absoluto y que no había escasez de masa. En 1987 se demostró la existencia de materia oscura mediante la curva de rotación de las galaxias. Ante este hecho, estos astrónomos comenzaron a plantearse seriamente el problema de la materia oscura.
La curva de rotación de una galaxia se refiere a la relación entre la velocidad de un objeto que gira alrededor de una galaxia espiral y su radio. La curva de rotación describe la velocidad orbital de un objeto en el disco galáctico a distintas distancias del centro de la galaxia. La velocidad se obtiene mediante el efecto Doppler: el cambio en la longitud de onda de la luz que recibimos es proporcional a la rapidez con la que un objeto se acerca o se aleja de nosotros. Sin embargo, los resultados de la observación muestran que la velocidad de rotación del objeto no tiene nada que ver con la distancia fuera de la zona luminosa de la galaxia. En otras palabras, objetos a diferentes distancias giran a la misma velocidad. La única explicación para este resultado inusual es que el espacio alrededor de la galaxia no es un vacío, sino que hay un halo de masa considerable. Este halo no emite luz y es materia oscura.
Desde entonces, las observaciones astronómicas han descubierto muchas evidencias de la existencia de materia oscura. Por ejemplo, el movimiento de nuestras estrellas cercanas refleja la influencia gravitacional del material en el disco galáctico, que es 50 veces mayor que la influencia gravitacional de las estrellas y el material gaseoso que encontramos. El desarrollo de la radioastronomía, la astronomía infrarroja, la astronomía ultravioleta y la astronomía de rayos X nos ha permitido detectar gases de diferentes temperaturas y contar estrellas individuales que tienen sólo el uno por ciento de la luminosidad del sol o incluso menos. Sin embargo, la densidad de la Vía Láctea aún está lejos de lo que los astrónomos esperaban mediante cálculos teóricos.
Algunos científicos están convencidos de que hay 1.000 veces más materia real en el universo que la parte luminosa.
¿Qué es exactamente la materia oscura? Los físicos de partículas esperan que el estudio de la materia oscura descubra muchas de las partículas "oscuras" que predicen. Estas partículas oscuras reciben varios nombres, siendo los sustantivos colectivos comunes "cuántico" y "cosmónico". Muchos de estos son términos basados en partículas conocidas. Por ejemplo, los fotones ópticos provienen de fotones y los fotones gravitacionales provienen de la gravedad. La mayoría de ellos no participan en interacciones geomagnéticas o interactúan sólo débilmente. Las interacciones débiles favorecen la formación de materia oscura a partir de estas partículas, pero también dificultan mucho el estudio de estas partículas, que pueden penetrar directamente en la Tierra y el Sol, y mucho menos con detectores en el laboratorio. Dado que las observaciones astronómicas sólo pueden proporcionar datos directamente sobre objetos grandes y brillantes, pero no pueden hacer nada con respecto a las partículas oscuras y pequeñas, los astrónomos no tienen más remedio que inferir las propiedades de las partículas oscuras observando un tipo de galaxia con grados más pequeños y una distribución esférica. galaxias enanas.
Alrededor de la Vía Láctea, hay seis o siete galaxias enanas, aproximadamente a entre 200.000 y 600.000 años luz de distancia del centro de la Vía Láctea. Están en el campo gravitacional de la Vía Láctea y no han sido desintegrados por la fuerza de marea gravitacional de la Vía Láctea, por lo que su masa no puede ser demasiado pequeña. Además, la luminosidad de las galaxias enanas esféricas no es grande, lo que indica que no hay mucha materia luminosa y debe haber mucha materia oscura. Se puede inferir además que la masa en reposo de las partículas que componen la materia oscura debe ser muy grande, de lo contrario sería imposible permanecer en esta pequeña galaxia. Se especula que lo más probable es que esta materia oscura sea gravitacional u óptica.
De hecho, la existencia de la materia oscura también puede predecirse por la divisibilidad infinita de la materia. Porque la parte más pequeña que los fotones debe ser materia oscura. Por tanto, la existencia de materia oscura también respalda la divisibilidad infinita de la materia.
La existencia de materia oscura amenazará seriamente la teoría general de la relatividad. Obviamente, Einstein no tuvo en cuenta esta materia oscura cuando creó la teoría general de la relatividad. Como teoría precisa, no hay razón para no prever tanta materia oscura.
En el Capítulo 2, hemos discutido que es la existencia de materia oscura la que requiere la colisión de la materia oscura con objetos para explicar la gravedad. La colisión de cierta materia oscura con objetos destruye la isotropía de la materia oscura y produce gravitación universal. Entonces, en cierto sentido, el origen de las colisiones gravitacionales ya prevé la existencia de materia oscura.
La evolución de las estrellas también requiere materia oscura. La materia oscura produce hidrógeno atómico, que libera una gran cantidad de energía térmica a través de reacciones termonucleares y se convierte en la fuente de energía para la evolución estelar. Esta energía la posee esencialmente la materia oscura y puede denominarse energía oscura. Se puede ver que la energía oscura es en realidad inherente a la materia oscura y no se puede separar de la materia oscura. La materia luminosa ordinaria representa el 0,4 de la masa total del universo, otra materia ordinaria representa el 3,7, la materia oscura representa casi el 23 y la opinión de que los otros 73 son energía oscura es cuestionable. Debido a que la energía oscura del 73 está claramente influenciada por la relatividad, por supuesto es erróneo pensar que la masa se puede convertir en energía, separando así la energía de la masa. La energía oscura es inherente a la materia oscura y sus proporciones deberían considerarse un derecho de nacimiento de la materia oscura. Estrictamente hablando, la materia luminosa ordinaria representa el 0,4 del total de materia del universo, el resto de materia ordinaria el 3,7 y la materia oscura casi el 96.
La gente siempre piensa que hay un "vacío" sin nada en sus emociones. Esta comprensión es unilateral. Debido a que los niveles materiales que los humanos pueden ver son muy limitados y los niveles materiales que los humanos no pueden ver son infinitos, hay una gran cantidad de materia oscura en el "vacío", pero los humanos no pueden sentirla. Así que el vacío es sólo un fenómeno superficial, el vacío no está vacío.