Номер 3, страница 198 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. В чем заключается смысл понятия «темная материя»?

3. В чем заключается смысл понятия «темная материя»?

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение (свет, радиоволны и т.д.), что делает ее невидимой для прямых наблюдений. Смысл введения этого понятия заключается в необходимости объяснить ряд астрофизических и космологических явлений, которые не могут быть объяснены только за счет видимого (барионного) вещества.

Основное свидетельство существования темной материи — ее гравитационное воздействие на видимое вещество. Ключевые наблюдательные данные, указывающие на ее наличие:

1. Кривые вращения галактик: Скорость вращения звезд на окраинах спиральных галактик значительно выше, чем предсказывает теория гравитации, если учитывать только массу видимых звезд и газа. Наблюдаемая скорость почти не уменьшается с расстоянием от центра галактики, в то время как, согласно закону всемирного тяготения, она должна была бы убывать. Если бы вся масса была сосредоточена в видимых объектах, то орбитальная скорость $v$ на расстоянии $r$ от центра была бы $v \propto 1/\sqrt{r}$. Постоянство скорости указывает на то, что масса $M(r)$, заключенная внутри радиуса $r$, растет примерно пропорционально $r$. Это означает, что галактики окружены массивным невидимым гало из темной материи.

2. Гравитационное линзирование: Массивные объекты, такие как скопления галактик, искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя свет от более далеких объектов изгибаться. Наблюдаемая степень искривления света (линзирования) гораздо сильнее, чем можно было бы ожидать, исходя из массы видимого вещества в скоплениях. Это указывает на присутствие огромной дополнительной массы — темной материи.

3. Структура реликтового излучения: Анализ флуктуаций температуры в космическом микроволновом фоновом (реликтовом) излучении показывает, что для формирования наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной (галактик и их скоплений) необходимо наличие «холодной» (нерелятивистской) темной материи, которая начала формировать гравитационные «колодцы» еще до того, как обычное вещество смогло это сделать.

Согласно стандартной космологической модели (модель ΛCDM), темная материя составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной, в то время как обычное вещество — лишь около 5%. Природа частиц темной материи до сих пор неизвестна.

Ответ: Смысл понятия «темная материя» заключается в том, что это невидимая форма вещества, существование которой постулируется для объяснения гравитационных эффектов в галактиках и скоплениях галактик, которые невозможно объяснить, исходя только из массы видимого вещества.

4. В чем заключается смысл понятия «темная энергия»?

Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, равномерно распределенная во Вселенной, которая обладает отрицательным давлением. Смысл этого понятия заключается в объяснении наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. В то время как гравитация (создаваемая как обычной, так и темной материей) стремится замедлить расширение, темная энергия, наоборот, вызывает его ускорение.

Главным доказательством существования темной энергии стали наблюдения за сверхновыми звездами типа Ia в конце 1990-х годов. Эти сверхновые являются «стандартными свечами», то есть их абсолютная светимость известна. Измеряя их видимую яркость, можно определить расстояние до них. Оказалось, что далекие сверхновые тусклее, чем должны были бы быть в модели Вселенной, расширение которой замедляется под действием гравитации. Это означает, что они находятся дальше, чем предполагалось, и, следовательно, за время полета света от них до нас Вселенная расширялась не с замедлением, а с ускорением.

В рамках общей теории относительности ускоренное расширение можно объяснить, если предположить, что во Вселенной доминирует субстанция с отрицательным давлением. Простейшим кандидатом на роль темной энергии является космологическая постоянная, $\Lambda$, которую вводил еще Эйнштейн. Она соответствует энергии вакуума, плотность которой постоянна во времени и пространстве. Эта энергия не разбавляется по мере расширения Вселенной, в отличие от материи, и поэтому со временем ее влияние становится доминирующим.

Уравнение состояния темной энергии характеризуется параметром $w = p/\rho$, где $p$ — давление, а $\rho$ — плотность энергии. Для ускоренного расширения необходимо, чтобы $w < -1/3$. Для космологической постоянной $w = -1$. Наблюдательные данные показывают, что значение $w$ очень близко к -1.

Согласно современным космологическим данным (модель ΛCDM), темная энергия составляет около 68% всей массы-энергии Вселенной и определяет ее дальнейшую судьбу, приводя к вечному ускоренному расширению.

Ответ: Смысл понятия «темная энергия» заключается в том, что это гипотетическая форма энергии, которая вызывает антигравитационный эффект (отрицательное давление) и является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной.