Номер 3, страница 267 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 73. Возможные сценарии эволюции Вселенной. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 3, страница 267.

3. Что такое «скрытая» масса Вселенной?

Что такое «скрытая» масса Вселенной?

«Скрытая» масса, более известная в современной космологии как тёмная материя, — это гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение (например, свет) в достаточном количестве, чтобы её можно было обнаружить напрямую. Её существование, однако, убедительно подтверждается многочисленными косвенными наблюдениями, основанными на её гравитационном влиянии на видимое вещество, излучение и крупномасштабную структуру Вселенной.

Основные свидетельства существования скрытой массы:

• Кривые вращения галактик. Наблюдения показывают, что скорость вращения звёзд на окраинах спиральных галактик остаётся практически постоянной по мере удаления от центра. Это противоречит законам небесной механики, которые предсказывают, что скорость должна уменьшаться, если бы вся масса была сосредоточена в видимых объектах (звёздах, газе, пыли). Согласно закону всемирного тяготения, орбитальная скорость $v$ объекта на расстоянии $r$ от центральной массы $M$ определяется как $v = \sqrt{\frac{GM}{r}}$. Если бы основная масса была сосредоточена в центре, скорость должна была бы падать как $v \propto 1/\sqrt{r}$. Наблюдаемая плоская кривая вращения указывает на наличие огромного невидимого гало из тёмной материи, которое окружает галактику и создаёт дополнительное гравитационное притяжение.
• Гравитационное линзирование. Массивные объекты, такие как скопления галактик, искривляют пространство-время вокруг себя. Это приводит к тому, что свет от более далёких объектов, проходящий мимо, изгибается, как будто через линзу. Наблюдаемая степень искривления света часто оказывается гораздо сильнее, чем та, которую могла бы создать вся видимая масса скопления. Это расхождение объясняется наличием дополнительной, скрытой массы.
• Движение галактик в скоплениях. Скорости, с которыми галактики движутся внутри скоплений, слишком велики. Гравитации одного лишь видимого вещества было бы недостаточно, чтобы удержать их вместе — скопления бы давно разлетелись. Существование тёмной материи обеспечивает необходимое гравитационное поле для удержания скоплений как единых структур.
• Космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение). Анализ флуктуаций (неоднородностей) температуры реликтового излучения позволяет точно определить состав Вселенной. Наилучшее соответствие наблюдательных данных и стандартной космологической модели ($\Lambda$CDM) достигается, если предположить, что Вселенная состоит примерно на 5% из обычной (барионной) материи, на 27% из тёмной материи и на 68% из тёмной энергии.

Природа тёмной материи до сих пор остаётся одной из главных загадок современной физики. Она точно не состоит из обычных частиц (протонов и нейтронов), так как это противоречило бы данным о количестве лёгких элементов, образовавшихся после Большого Взрыва (первичный нуклеосинтез). Основные гипотезы предполагают, что тёмная материя состоит из экзотических, ещё не открытых элементарных частиц, таких как вимпы (WIMPs — слабо взаимодействующие массивные частицы), аксионы или стерильные нейтрино.

Ответ: «Скрытая» масса (или тёмная материя) — это форма материи во Вселенной, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (не светится и не поглощает свет) и поэтому невидима для прямых наблюдений. Её существование выводится из гравитационных эффектов, которые она оказывает на видимое вещество: аномально высокие скорости вращения галактик, сильное гравитационное линзирование и удержание галактик в скоплениях. По современным оценкам, на долю скрытой массы приходится около 27% всей массы-энергии Вселенной, что примерно в 5 раз больше, чем доля обычной, видимой материи.