Номер 8, страница 217, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 115. Решение задач. Темы исследовательских и проектных работ - номер 8, страница 217.

Условие.

• Тёмная материя.

Решение.

Что такое тёмная материя?

Тёмная материя — это гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение (включая свет), что делает её невидимой для прямого наблюдения с помощью телескопов. Её существование предполагается на основе гравитационных эффектов, которые она оказывает на видимую материю (звёзды, газ, галактики), а также на крупномасштабную структуру Вселенной и реликтовое излучение. Согласно современным космологическим моделям, таким как модель Лямбда-CDM ($ \Lambda CDM $), тёмная материя составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной, в то время как обычная (барионная) материя, из которой состоим мы и всё, что мы видим, составляет лишь около 5%. Остальные 68% приходятся на тёмную энергию.

Ответ: Тёмная материя — это невидимая форма материи, которая составляет около 27% Вселенной и обнаруживается только по её гравитационному влиянию на видимые объекты.

Косвенные доказательства существования тёмной материи

Хотя тёмную материю нельзя увидеть напрямую, существует несколько независимых линий косвенных доказательств, указывающих на её существование:

1. Кривые вращения галактик. Наблюдения показывают, что звёзды на окраинах спиральных галактик вращаются вокруг галактического центра с неожиданно высокой скоростью. Согласно законам небесной механики, основанным на массе видимого вещества (звёзд, газа и пыли), их скорость должна была бы уменьшаться с удалением от центра по закону $ v \propto 1/\sqrt{r} $, где $\text{r}$ — расстояние до центра. Однако наблюдаемая скорость остаётся почти постоянной. Этот феномен объясняется наличием массивного невидимого гало из тёмной материи, которое создаёт дополнительное гравитационное притяжение, удерживающее звёзды на их орбитах. Это было одно из первых и наиболее убедительных доказательств, полученных астрономом Верой Рубин в 1970-х годах.

2. Гравитационное линзирование. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя свет от более далёких объектов отклоняться, как будто он проходит через линзу. Наблюдая за искажениями изображений далёких галактик, астрономы могут рассчитать массу скопления галактик, выступающего в роли линзы. Эти расчёты показывают, что общая масса скоплений значительно превышает массу их видимого вещества. Эта «недостающая» масса и приписывается тёмной материи.

3. Реликтовое излучение (космический микроволновый фон). Реликтовое излучение — это «эхо» Большого взрыва, пронизывающее всю Вселенную. На его карте видны крошечные температурные флуктуации (анизотропии), которые соответствуют областям с немного разной плотностью в ранней Вселенной. Характер и масштаб этих флуктуаций можно объяснить только в том случае, если предположить, что в ранней Вселенной, помимо обычной материи, существовала и тёмная материя. Она начала формировать гравитационные «колодцы» раньше обычной материи, закладывая основу для будущих галактик и их скоплений.

4. Крупномасштабная структура Вселенной. Галактики во Вселенной распределены не случайным образом, а образуют гигантскую «космическую паутину» из нитей, скоплений и пустот (войдов). Компьютерное моделирование эволюции Вселенной показывает, что такая структура могла сформироваться за 13,8 миллиарда лет только при наличии тёмной материи, которая выступила в роли «каркаса», на который под действием гравитации «налипала» обычная материя.

Ответ: Основными доказательствами являются аномально высокие скорости вращения звёзд в галактиках, эффект гравитационного линзирования, характер флуктуаций реликтового излучения и формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

Возможные кандидаты на роль тёмной материи

Природа тёмной материи остаётся одной из величайших загадок современной физики. Учёные уверены, что она не состоит из обычных барионов (протонов и нейтронов), так как это противоречило бы данным о нуклеосинтезе в ранней Вселенной. Основные гипотезы о её составе включают:

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles — слабо взаимодействующие массивные частицы). Это гипотетические частицы, которые тяжелее протона и взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия. Их поиски ведутся на ускорителях (например, на Большом адронном коллайдере) и в подземных детекторах, защищённых от космических лучей.

• Аксионы. Это гипотетические, чрезвычайно лёгкие частицы, предсказанные для решения одной из проблем в квантовой хромодинамике (проблемы сильного CP-нарушения). Эксперименты по их поиску основаны на их гипотетической способности превращаться в фотоны в сильных магнитных полях.

• Стерильные нейтрино. Это гипотетический тип нейтрино, который, в отличие от трёх известных типов, взаимодействует с другой материей только через гравитацию.

• Первичные чёрные дыры. Это гипотетические чёрные дыры, которые могли образоваться в первые моменты после Большого взрыва, а не в результате коллапса звёзд. Однако наблюдения за гравитационным микролинзированием накладывают строгие ограничения на их возможное количество.

Ответ: Тёмная материя, скорее всего, состоит из ещё не открытых элементарных частиц, таких как WIMPs или аксионы, а не из обычного вещества.