Sötét anyag

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Tipikus galaxis forgási görbéje: az A görbe jelöli az előrejelzett sebességet, eszerint a galaxisok külső csillagai nagyon lassan keringenek a középpont körül. A B görbe jelöli a megfigyelt értéket. A kettő közti különbség a sötét anyag létét igazolja.
Az Univerzum tömegének nagy részét nem a sötét anyag alkotja

A sötét anyag olyan anyagfajta, amely csillagászati műszerekkel közvetlenül nem figyelhető meg, mert semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki és nem nyel el, jelenlétére csak a látható anyagra és a háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásból következtethetünk. Az Univerzum tömegének csupán 4,6%-át alkotja a megfigyelhető anyag, 23% a sötét anyag aránya, és 72% a sötét energia.

Felfedezésének története[szerkesztés]

Elméleti felvetés[szerkesztés]

A sötét anyag létezését először Jacobus Kapteyn holland csillagász tételezte fel 1922-ben.[1][2] A hipotézist kollégája, Jan Oort részletesebben is kifejtette 1932-ben a Tejútrendszerre vonatkozó vizsgálódásai alapján.[2][3][4] Az elméletet Fritz Zwicky svájci asztrofizikus 1934-ben részletesen bizonyította a Coma galaxishalmaz vizsgálata nyomán. A galaxishalmaz szélén levő galaxisok sebességéből, és a galaxishalmaz fényességéből, valamint a galaxisok száma alapján két tömegbecslést adott. A kettőt összehasonlítva látta, hogy a sebességeloszlásból számított tömeg 400-szor nagyobb, mint a távcsővel mért. Ezért be kellett vezetni a sötét anyagot, ami távcsővel nem látszik, viszont elég nagy tömegű, hogy a megfigyelt sebességeloszlást magyarázza.

Felfedezése[szerkesztés]

1970-ben Vera Rubin a Department of Terrestrial Magnetism (DTM) („földmágnesség”) osztályon dolgozott a Carnegie Institute of Washington intézetben. A DTM igazgatója, Kent Ford csillagász akkor alkotott meg egy új, nagy sebességű, széles spektrumú spektrográfot, amivel egyetlen nap alatt 8-10 mérést lehetett elvégezni (az akkoriban használt műszerek csak napi 1 mérésre voltak képesek).

1970. március 27-én Vera Rubin a DTM távcsövét az Androméda galaxisra irányította. Ellenőrizni szerette volna, hogy az Androméda milliónyi csillaga úgy mozog-e, ahogyan az elméletek leírják.

A spektrográf a csillagokban lévő kémiai elemeknek megfelelő hullámhosszakon vonalakat rajzolt egy papírra, amit Rubin mikroszkópon keresztül vizsgált. Ismert volt számára, hogy a kirajzolt vonalak annak megfelelően eltolódnak följebb vagy lejjebb a frekvenciaskálán, hogy az adott csillag felénk közeledik vagy távolodik-e, a Doppler-hatásnak megfelelően.

Rubin kíváncsi volt rá, hogy a Doppler-hatás alapján meg tudja-e határozni a csillagok sebességét távoli galaxisokban.

Azt tapasztalta, hogy az Androméda szélén lévő csillagok is épp olyan gyorsan mozogtak, ahogy a galaxis közepén lévők. Ez azonban nem felelt meg az elméletekből következő várakozásoknak.

A következő két hónapban 200 mérést rögzített papíron. Minden más galaxis esetén is hasonló eredményt kapott. Az összes sebesség „hibás” volt. A fizika ismert törvényeinek megfelelve ezek a csillagok túl gyorsan mozogtak, jó néhányuk esetén a gravitáció nem lett volna elég, hogy a pályájukon tartsa őket, ki kellett volna repülniük a világűrbe. Ez azonban nem történt meg.

Rubin számára két lehetséges ok kínálkozott:

  • Vagy Isaac Newton gravitációs törvényei rosszak (ezt a tudományos világ nehezen fogadta volna el)
  • Vagy az Univerzumban van olyan extra anyag, ami a visszahúzó erőért felelős, de a jelen csillagászati eszközökkel nem kimutatható.

Rubin a második magyarázatot választotta, és a „fölös” anyagot sötét anyag-nak nevezte el (mivel nem volt látható, sem kimutatható).

Számításai szerint a Világegyetem 90%-ban sötét anyagból áll. Elméletét 1975-ben ismertette az American Astronomical Society találkozóján.

A tudományos világnak ennek az elméletnek az elfogadásához egy évtized kellett.[5]

Megfigyelések[szerkesztés]

A sötét anyag jelenlétére jelenleg a következő megfigyelésekből következtethetünk:

Alkotórészei alapján feloszthatjuk barionos és nem barionos sötét anyagra. A barionos sötét anyag lehet:

  • Csillagközi köd: távcsövekkel a csillagközi hidrogén ködökben csak az atomos hidrogént látjuk s ennek következtében az a hallgatólagos nézet alakult ki, hogy ezek a ködök atomos hidrogénből állnak. Azonban az alacsony hőmérsékletű hidrogén sokkal stabilabb molekuláris állapotban, viszont a molekuláris hidrogén jószerével láthatatlan. Elképzelhető, hogy az eddig is ismert hidrogénfelhők tömege a mostani vélekedés többszörösét teszi ki.

Az Európai Űrügynökség (ESA) által a légkör fölé telepített IR spektroszkóppal sikerült kimutatni az atomos hidrogén mennyiségének 5-15-szörösét az NGC 891 számú, élével felénk néző galaxisban, amely mennyiség elegendő a hiányzó anyag molekuláris hidrogénként való értelmezéséhez.[7]

A nembarionos sötét anyag lehet:

A barionos és a nem barionos sötét anyag arányát a kozmikus háttérsugárzás fluktuációjából lehet megállapítani. Ennek alapján a sötét anyag nem barionos, és valószínűleg teljesen újfajta részecske.

Lehetséges kimutatása[szerkesztés]

2008 tavaszán olasz fizikusok bejelentették, hogy a Gran Sasso-csúcs alatti alagútban lévő DAMA projekt (Dark Matter) detektoraival valószínűleg sikerült a sötét anyag részecskéinek árama által kiváltott fizikai jelenségeket detektálni, ugyanis két független érzékelő által szolgáltatott adatokban kimutatták az 1980-as években elméletileg megjósolt éves ingadozást, amely azzal függ össze, hogy Nap körüli pályáján a Föld fél évente a Nap galaxismag körüli mozgásával egyező, fél évenként pedig azzal ellentétes irányba mozog.[9]

A NASA Chandra űrtávcsöve pedig 2006-ban közvetett bizonyítékot talált a sötét anyag létezésére, a Lövedék halmaz néven ismert ütköző galaxisok anyageloszlását vizsgálva.[10][11]

Alternatív elmélet: a MOND[szerkesztés]

Egyes csillagászok szerint a sötét anyag nem létezik, és a neki tulajdonított jelenségekre a gravitáció nagy távolságokon eltérő viselkedése a válasz. A MOND (Modified Newtonian Dynamics, módosított newtoni dinamika) elmélete szerint a gravitációs erő nagy távolságokon nem a távolság négyzetével, hanem csak a távolsággal arányos fordítottan.[12] [13]

Az elmélet azonban a kritikusai szerint egyrészt nem tudja megmagyarázni a galaxishalmazok gravitációs hatása révén létrejövő optikai lencsehatást,[14] másrészt nem ad arra magyarázatot, hogy a newtoni gravitáció miért változik meg.

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Kapteyn, Jacobus Cornelius (1922). „First attempt at a theory of the arrangement and motion of the sidereal system”. Astrophysical Journal 55, 302–327. o. DOI:10.1086/142670. „It is incidentally suggested that when the theory is perfected it may be possible to determine the amount of dark matter from its gravitational effect.”  (emphasis in original)
  2. ^ a b Rosenberg, Leslie J (2014. június 30.). „Status of the Axion Dark-Matter Experiment (ADMX)10th PATRAS Workshop on Axions, WIMPs and WISPs.. 
  3. Oort, J.H. (1932) "The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems," Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands, 6 : 249–287.
  4. The Hidden Lives of Galaxies: Hidden Mass. Imagine the Universe!. NASA/GSFC
  5. Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007)
  6. Kovács, József: Sötét anyagba ágyazott törpegalaxisok. Hírek.csillagászat.hu, 2008. március 18. (Hozzáférés: 2009. március 18.)
  7. iopscience.iop.org: First Extragalactic Direct Detection of Large-Scale Molecular Hydrogen in the Disk of NGC 891, 1999-08-05
  8. Kovács, József: A Nap lehet a kulcs a sötét anyag rejtélyéhez?. Hírek.csillagászat.hu, 2008. június 24. (Hozzáférés: 2008. június 24.)
  9. Detektálták a Föld mozgását a sötét anyag láthatatlan tengerében?Hírek.csillagászat.hu; Kovács József, 2008. május 6.
  10. Székely Péter: Létezik a sötét anyag?. Hírek.Csillagászat.hu, 2006. augusztus 29. (Hozzáférés: 2009. november 11.)
  11. NASA Finds Direct Proof of Dark Matter. NASA RELEASE 06-297, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 2006. augusztus 21. (Hozzáférés: 2009. november 11.)
  12. The MOND Pages
  13. Do Dwarf Galaxies Favor MOND Over Dark Matter?
  14. Priyamvada Natarajan, Hongsheng Zhao: MOND plus classical neutrinos not enough for cluster lensing. arXiv.org, Cornell University Library, 2008. június 18. (Hozzáférés: 2008. július 28.)

Források[szerkesztés]

További információk[szerkesztés]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Sötét anyag témájú médiaállományokat.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]