Проектная работа "Проблемы скрытой массы"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 135 с углубленным изучением

отдельных предметов» Кировского района г. Казани

Проектная работа

“Проблема скрытой массы”

по астрономии.

 Выполнил обучающийся 11 А класса Газизов Марсель Фаридович

                                        Руководитель: Широкова Ирина Борисовна

г. Казань, 2022 г.

Оглавление

Введение

I. Проблема скрытой массы.

1.1. Определение.

1.2. Доказательства существования скрытой массы.

1.2.1. Скрытая масса и вращение галактик.

1.2.2. Проблема Цвикки.

1.2.3. Гравитационное линзирование фона галактиками и их скоплениями.

1.2.4. Критическая плотность Вселенной.

II. Причины.

2.1. Горячий межгалактический газ.

2.2. Межгалактический газ: лес Лайман-альфа.

2.3. Массивные объекты гало галактик.

2.4. Небарионная тёмная материя и темная энергия.

III. Космологические параметры, проблема тёмной энергии.

3.1. Проблема тёмной энергии.

3.2. Скрытая масса и космологические параметры.

IV. Заключение.

V. Список используемой литературы и Интернет-ресурсы.

VI. Приложения.

Введение

В умах современных людей устоялось суждение, что масса Вселенной складывается из масс звёзд, планет и других космических тел. Расчеты движения галактик показывают, что, в действительности, дело обстоит иначе. На основе проблемы скрытой массы, появилось предположение, что существует некие темная материя и темная энергия. Согласно современным представлениям всего лишь 4.9% от всей массы Вселенной приходятся на обычную (барионную) материю и 95.1% на темную материю и энергию.

К сожалению, темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением, поэтому мы не можем её наблюдать.

Актуальность темы исследования: Понимание проблемы скрытой массы носит не только образовательное, но и прямое практическое значение. Наблюдаемое поведение видимых астрономических объектов не соответствует расчетам их движений, это означает, что мы не до конца понимаем устройство мира, в котором живем. Знание фундаментальных законов Вселенной были актуальны во все времена. Благодаря им мы сможем предсказывать поведение небесных тел и делать новые открытия.

Цель: объяснение проблемы скрытой массы.

Задачи:

1. Выяснить, в чем заключается проблема скрытой массы.
2. Узнать, какие есть предположения и гипотезы по этой проблеме.
3. Обозначить основные понятия.
4. Раскрыть каждое предположение.

Гипотеза: есть предположение, что скрытая масса является следствием существования темной материи.

Методы исследования:

- сбор информации;

- анализ научной информации;

Объект исследования: Вселенная.

Предмет исследования: скрытая масса.

Время работы: 1 год

Практическая значимость работы состоит в том, что она может осведомить людей о существовании темной материи.

I.Проблема скрытой массы.

1.1. Определение.

Скрытая масса — проблема противоречия между наблюдаемым поведением видимых астрономических объектов и расчётным по законам небесной механики с учётом только этих объектов.

Общая проблема скрытой массы состоит из двух частей:

• астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой массы гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;
• космологической — противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной.

1.2. Доказательства существования скрытой массы.

1.2.1. Скрытая масса и вращение галактик.

Cкорости вращения галактик  и задаются соотношением, v =  , то есть за пределами объёма M, в котором сосредоточена основная масса галактики, скорость вращения v ~ r^(). Однако для многих спиральных галактик скорость v остаётся почти постоянной на весьма значительном удалении от центра (20—25 килопарсек), что противоречит быстрому убыванию плотности наблюдаемой материи от центра галактик к их периферии (приложение 1, рис. 1).

Наиболее простым объяснением этого эффекта является наличие у галактик массивных невидимых гало, дающих большой вклад в их массы.

Современная стандартная космологическая модель ведёт к заключению, что видимые массы барионного вещества в галактиках существенно ниже, чем предсказываемые.

1.2.2. Проблема Цвикки.

В 1937 году Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) опубликовал работу «On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae», в которой на основе наблюдений относительных скоростей галактик в скоплении Волос Вероники на 18-дюймовом телескопе Шмидта Паломарской обсерватории получил парадоксальный результат: наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик и их красному смещению) оказалась значительно ниже массы скопления, рассчитанной исходя из собственных скоростей членов скопления (полученных по дисперсии красного смещения) в соответствии с теоремой о вириале: суммарная наблюдаемая масса скопления оказалась в 500 раз ниже расчётной, то есть недостаточной, чтобы удерживать составляющие его галактики от «разлетания».

1.2.3. Гравитационное линзирование фона галактиками и их скоплениями.

Одним из косвенных методов оценки массы галактик является гравитационное линзирование ими фоновых (расположенных на линии наблюдения за ними) объектов. В данном случае эффект гравитационного линзирования может проявляться в виде искажения изображения фонового объекта, либо появлении его многократных мнимых изображений. Решение обратной задачи, то есть расчёт гравитационного поля, необходимого для получения таких изображений, позволяет оценить массу гравитационной линзы — скопления галактик. И в этом случае расчётные значения значительно превосходят наблюдаемые (приложение 2, рис. 2).

1.2.4. Критическая плотность Вселенной.

Показано, что полная плотность массы вещества Вселенной составляет примерно 20-30 % от значения критической плотности, тогда как барионного вещества во Вселенной всего лишь около 4,5 %. Следовательно, то, что дополняет плотность барионов — это небарионная скрытая масса, которой должно быть примерно в 5 раз больше, чем обычного вещества

II. Кандидаты на роль скрытой массы.

2.1. Горячий межгалактический газ.

В последнее время появились результаты, которые свидетельствуют, что эта недостающая барионная масса может быть сосредоточена в гало галактик в виде горячего межгалактического газа с температурой от 1 000 000 до 2 500 000 К.

С развитием рентгеновской астрономии в скоплениях галактик было обнаружено рентгеновское излучение горячего (разогретого до температур порядка 106 K) газа, заполняющего межгалактическую среду, — то есть была обнаружена часть скрытой массы таких скоплений. Однако суммирование наблюдаемых масс такого газа с наблюдаемыми массами галактик скопления не дало массы, достаточной ни для удержания галактик, ни для удержания газа в скоплениях.

2.2. Межгалактический газ: лес Лайман-альфа.

В отличие от упоминавшегося выше горячего газа галактических скоплений, излучающего в рентгеновском диапазоне, наблюдения спектров квазаров свидетельствуют о достаточно массивных межгалактических облаках водорода. В спектрах квазаров с достаточно высоким красным смещением наблюдается множество смещённых линий поглощения водорода Лайман-альфа («лес» линий), образованных множеством облаков водорода, расположенных на разном расстоянии по лучу зрения. Такой феномен получил название «лес Лайман-альфа» (англ. Lyman-alpha forest). Этот межгалактический газ холоден (около ноля Кельвин) и прозрачен (водород, гелий), поэтому наблюдается пока только таким способом.

2.3. Массивные объекты гало галактик.

Для объяснения отклонения скоростей вращений галактических объектов от кеплеровских следует предположить наличие массивного тёмного гало галактик. К массивным объектам гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO) относятся слабоизлучающие компактные объекты, в первую очередь маломассивные звёзды — коричневые карлики, субзвёзды или очень массивные юпитероподобные планеты, масса которых недостаточна для инициирования термоядерных реакций в их недрах, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

2.4. Небарионная тёмная материя и темная энергия.

Атомы, звезды и галактики, планеты и деревья, камни и мы. Эта материя составляет менее 5% известной вселенной. Около 25% составляет тёмная материя и 70% - тёмная энергия. И обе невидимы.  По современным представлениям, только около 4,9 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 26,8 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

Темная материя - это вещество, которое делает возможным существование галактик. Обычной материи просто недостаточно. Гравитация видимой материи недостаточно сильна, чтобы сформировать

галактики и сложные структуры. Звезды были бы разбросаны повсюду и не формировали бы галактик. Поэтому мы знаем, что есть что-то внутри и вокруг них. Что-то, что не излучает и не отражает свет. Что-то темное...

Кроме того, что мы можем рассчитать существование темной материи,

мы можем как бы увидеть ее.

Участки с высокой концентрацией темной материи искривляют свет, проходящий мимо. Поэтому мы можем определить, что в этом месте пространства есть темная материя.

В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино.

Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такие как аксионы и нейтралино, состоящие из зино, фотино и хиггсино.

В данный момент существует больше идей о том, чем темная материя не является.

1)Мы знаем, что темная материя - это не облака обычной материи без звезд так как они излучали бы частицы, которые мы могли уловить.

2)Темная материя и не анти-материя, так как анти-материя производит уникальные гамма лучи, которые влияют на обычную материю.

III. Космологические параметры, проблема тёмной энергии.

3.1. проблема тёмной энергии.

Темная энергия еще более странна и мистична. Мы не можем обнаружить ее, не можем ее измерить. Но мы ясно видим ее влияние.

В 1929, Эдвард Хаббл исследовал, как длинна волны света излученного отдаленной галактикой, изменяется в красную сторону электромагнитного спектра, путешествуя через космос. Он обнаружил, что неотчетливые, более отдаленные галактики имеют большую степень красного смещения; более близкие же меньшую. Хаббл объяснил это тем, что вселенная сама по себе расширяется. Красное смещение происходит потому, что длинна волны света растягивается, так как вселенная расширяется.

Последние открытия показывают, что расширение вселенной ускоряется. До этого полагалось, что сила гравитации приведет расширение, либо к снижению темпа, либо к изменению направления и сжатия в определенный момент. Пространство не изменяет своих свойств, их просто становится больше. Новое пространство постоянно создается везде.

Галактики - это плотные связанные кластеры вещества, удерживаемого гравитацией, поэтому мы не ощущаем расширения в нашей повседневной жизни. Но мы видим это вокруг нас. Везде, во вселенной, где есть пустое пространство, каждую секунду его становится еще больше.

Таким образом, темная энергия - это что-то вроде внутренней энергии пустого пространства. Энергия, которая сильнее всего, что мы знаем. И она становится сильнее с течением времени. Пустое пространство во вселенной обладает большей энергией, чем все остальное, вместе взятое.

Существует много идей о том, чем же является темная энергия.

1)Одна из них состоит в том, что энергия - это не вещество, а свойство пространства.

Пустое пространство - не ничто, у него есть своя энергия. Оно может создавать больше пространства, и оно довольно активно. И так как вселенная расширяется, пространства становится все больше и больше, оно заполняет пустоты, что ведет к ускорению расширения вселенной.

Эта идея близка к той, что предложил Эйнштейн в 1917 - идее космологической постоянной - силе которая противодействует силе гравитации.

Проблема состоит в том, что, когда ученые пытались посчитать количество этой энергии, результат был настолько неверным и странным, что только добавлял неясности.

2)Другая идея состоит в том, что пустое пространство заполнено

временными мнимыми частицами, которые случайно и беспрестанно

появляются из ниоткуда и исчезают в никуда. Энергия, формирующая эти частицы может быть темной энергией.

3)Может быть, темная энергия - это неизвестный вид динамической энергии среды или области, которая пронизывает всю вселенную, но по какой-то причине имеет обратный эффект на вселенную, в отличие от обычной энергии и материи. Но если она существует, мы не знаем, как и где или как мы можем ее обнаружить.

3.2. Скрытая масса и космологические параметры.

Одной из основных проблем космологии является вопрос о средней кривизне пространства и темпе расширения Вселенной. Если кривизна пространства нулевая или отрицательная, то расширение Вселенной происходит неограниченно (плоская и открытая модели Вселенной); если кривизна положительна, то расширение Вселенной должно смениться сжатием (закрытая модель Вселенной). В свою очередь, в рамках общей теории относительности (ОТО), средняя кривизна пространства Вселенной зависит от её средней плотности, нулевой кривизне (неограниченное расширение Вселенной) соответствует критическая плотность  Ωcrit ~ 10−29 г/см³, что эквивалентно примерно 5 атомам водорода на м³. Однако, несмотря на то, что наблюдаемое значение средней плотности светящейся материи  Ωvis составляет порядка 1 % от критической, данные наблюдений свидетельствуют о том, что кривизна Вселенной близка к нулю, то есть  Ω довольно близко к  Ωcrit.

Вместе с тем, наблюдения сверхновых типа Ia, проведённые в 1998 г. в рамках Supernova Cosmology Project показали, что постоянная Хаббла меняется со временем таким образом, что её поведение можно объяснить соответствующим подбором величины космологической постоянной Λ , вносящей вклад  Ω Λ в среднюю плотность  Ω. Эта часть скрытой массы получила название тёмной энергии.

Интерпретация данных по анизотропии реликтового излучения, полученных в ходе работы WMAP (англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2003 г.) дала следующие результаты: наблюдаемая плотность  Ω близка к  Ωcrit и распределение  Ω = Ω Λ + Ωvis + Ωdark по компонентам: барионная материя  Ωvis — 4,4 %, тёмная холодная материя (WIMP)  Ωdark — 23 %, «тёмная энергия»  Ω Λ  — 72,6 %.(Приложение 3, рис. 3).

IV. Заключение.

Проведя исследовательскую работу, мы поняли, чем может являться скрытая масса. Возможные варианты: горячий межгалактический газ, Межгалактический газ: лес Лайман-альфа, массивные объекты гало галактик, небарионная тёмная материя. Также мы поняли, что темная энергия является неким топливом расширения Вселенной.

К сожалению, большую часть наших теорий об устройстве темной материи и Вселенной мы не можем доказать или опровергнуть прямо сейчас. Однако надежда на выявление ошеломляющих или более точных данных из астрономических наблюдений остается всегда.

V. Список используемой литературы.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_материя

https://ru.wikipedia.org/wiki/Скрытая_масса#Масса_скоплений_галактик:_проблема_Цвикки

https://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_энергия

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433124/Kak_ishchut_tyomnuyu_materiyu

https://www.sites.google.com/site/proektergosfera/citalka-nauka/vrasenie-galaktik-i-problema-skrytyh-mass

https://www.youtube.com/watch?v=QAa2O_8wBUQ&list=RDLVQAa2O_8wBUQ&start_radio=1&t=11s

https://ru.wikipedia.org/wiki/Нейтралино

https://ru.wikipedia.org/wiki/Вимп

VI. Приложения.

(рис.1)

 (рис. 2)

(рис. 3)