Niesamowita tajemnica ciemnej materii: dlaczego astronomowie twierdzą, że jej brakuje w akcji

Astronomowie mają problem. Za każdym razem, gdy badają wielkoskalową strukturę wszechświata, szybko staje się jasne, że ilość widzialnej materii nie może wytworzyć wystarczającej grawitacji, aby utrzymać razem struktury, które widzą. Rzeczy takie jak gromady galaktyk, a nawet same galaktyki, powinny się rozpaść, biorąc pod uwagę ilość zawartej w nich zwykłej materii.

Coś innego musi trzymać te rzeczy razem. Astronomowie wymyślili więc ideę ciemnej materii – tajemniczej, niewidzialnej i nieoddziałującej substancji, która wypełnia wszechświat, generując grawitację niezbędną do utrzymania wszystkiego razem.

To nie jest mały problem, wymagający odrobiny dodatkowej masy. Problem jest ogromny. Zgodnie z najnowszym obrazem wielkoskalowej struktury Wszechświata z misji kosmicznej Planck, zwykła widzialna materia stanowi zaledwie 5 procent całkowitej masy/energii Wszechświata, podczas gdy ciemna materia stanowi 27 procent (reszta to jeszcze bardziej tajemnicza ciemna energia).

Aby te liczby działały, astrofizycy mówią nam, że nasza galaktyka powinna składać się co najmniej w 80 procentach z ciemnej materii.

To oznacza, że ​​nasz Układ Słoneczny powinien w nim pływać. Rzeczywiście, fizycy obliczyli, że cząstki ciemnej materii powinny uderzać w każdego człowieka na planecie z szybkością 100 000 razy w roku, jak widzieliśmy w zeszłym roku.

Ale to rodzi ważne pytanie. Jeśli przedzieramy się przez gęste morze ciemnej materii, jak sugerują astrofizycy, dlaczego nie widzimy na to dowodów?

Większość detektorów ciemnej materii działa, szukając dowodów na kolizje, jakie ciemna materia musi wywołać ze zwykłą materią. Kilka z tych eksperymentów mówi, że znaleźli wstępne dowody tych kolizji.

Ale jest inny sposób poszukiwania ciemnej materii – poprzez jej grawitacyjny wpływ na sam Układ Słoneczny. Jeśli Słońce jest otoczone gęstą zupą ciemnej materii, powinniśmy być w stanie dostrzec jego grawitacyjny wpływ na orbity planet, księżyców i asteroid.

Dzisiaj Nikolay Pitjev z St. Petersburg State University i Elena Pitjeva z Instytutu Astronomii Stosowanej w Sankt Petersburgu, obaj w Rosji, wykorzystali najbardziej szczegółowy zestaw pomiarów orbit planet, jakie kiedykolwiek wykonano, aby zbadać tę kwestię. Ich wniosek jest taki, że grawitacyjny wpływ ciemnej materii na Układ Słoneczny jest znikomy.

Pitjev i Pitjeva skompilowali imponujący zestaw danych składający się z około 677 000 pomiarów pozycji planet dokonanych od 1910 roku. Obejmują one pomiary optyczne z obserwatoriów na Ziemi, obejmujące pomiary z różnych statków kosmicznych, takich jak sonda Cassini na Saturnie, Mars i Venus Express oraz różne rosyjskie pomiary radarowe pozycji planet z lat 1961-1995.

W ostatnich latach dane te stają się coraz bardziej dokładne. Na przykład dane z Cassini podają odległość na Saturnie z dokładnością do metra.

Astrofizycy wykorzystali te pomiary do modelowania zachowania Układu Słonecznego, biorąc pod uwagę perturbacje powodowane przez główne planety, Księżyc, 301 największych asteroid, inne asteroidy modelowane jako jednorodny pierścień, 21 największych obiektów transneptunowych i wkrótce.

Biorąc to wszystko pod uwagę, Pitjev i Pitjeva szukali anomalnych efektów grawitacyjnych, które mogą być wynikiem ciemnej materii. Mówią, że jeśli ciemna materia jest obecna w Układzie Słonecznym, to powinno to prowadzić do dodatkowego wpływu grawitacyjnego na wszystkie ciała.

Zagadkową wiadomością jest to, że Pitjev i Pitjeva nie znajdują dowodów na to w swoich analizach. Jeśli tak jest, to jego efekt musi być mniejszy niż błędy w danych.

Rzeczywiście, aby spełnić ten limit, obliczyli, że ilość ciemnej materii na orbicie Saturna musi być niewielka. Mówią, że masa ciemnej materii w sferze wewnątrz orbity Saturna powinna być mniejsza niż 1,7 10^−10M⊙. Chodzi o masę dużej asteroidy.

Więc astronomowie drapią się po głowach. Z jednej strony mówią, że ciemna materia musi trzymać naszą galaktykę razem z grawitacyjnym uściskiem podobnym do imadła. Z drugiej strony jego grawitacyjny wpływ na Układ Słoneczny jest znikomy. Coś musi się ustąpić.

Ten problem sprzecznych skutków ciemnej materii w różnych skalach szybko przeradza się w najbardziej fascynujący i pilny problem w fizyce i astronomii,

Naukowcy wydają obecnie duże pieniądze na projektowanie, budowę i prowadzenie gigantycznych eksperymentów w poszukiwaniu ciemnej materii w naszym sąsiedztwie. A jednak dowody zebrane już z innych źródeł, takie jak analiza Pitjewa i Pitjevy, sugerują, że ta inwestycja może przynieść bardzo niski zwrot.

To nie powstrzyma ich od szukania i nie powinno. Ale problem ciemnej materii prawdopodobnie wywoła znaczne kontrowersje w nadchodzących miesiącach i latach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1306.5534 : Ograniczenia dotyczące ciemnej materii w Układzie Słonecznym

ukryć