Номер 10, страница 53, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Строение и эволюция вселенной. Глава VIII. Звёзды и галактики. Параграф 30. Галактики - номер 10, страница 53.

Условие.

10. Найдите в Интернете информацию о тёмной материи, масса которой составляет большую часть массы Вселенной.

Решение.

Тёмная материя — это гипотетическая форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (то есть не испускает, не поглощает и не отражает свет), но участвует в гравитационном взаимодействии. Из-за своей невидимости её невозможно наблюдать напрямую с помощью телескопов. Выводы о её существовании делаются на основе косвенных данных — её гравитационного влияния на видимое вещество, крупномасштабную структуру Вселенной и реликтовое излучение.

Свидетельства существования тёмной материи

Существует несколько независимых астрономических наблюдений, которые убедительно доказывают существование тёмной материи:

• Кривые вращения галактик. Скорость вращения звёзд и газа на окраинах спиральных галактик аномально высока. Согласно законам Кеплера, она должна уменьшаться с расстоянием от центра галактики, где сосредоточена основная масса видимого вещества. Однако наблюдения показывают, что скорость остаётся практически постоянной. Это объясняется наличием массивного сферического гало из тёмной материи, которое окружает видимый диск галактики и создаёт дополнительную гравитацию.
• Гравитационное линзирование. Массивные объекты, такие как скопления галактик, своей гравитацией искривляют пространство-время, заставляя свет от более далёких объектов огибать их, как через линзу. Наблюдаемая степень этого искривления (линзирования) гораздо сильнее, чем можно было бы объяснить массой видимого вещества (галактик, газа) в скоплении. Это указывает на то, что основная масса скоплений является невидимой.
• Крупномасштабная структура Вселенной. Галактики во Вселенной распределены не хаотично, а образуют гигантскую "космическую паутину" из нитей и скоплений, разделённых пустотами (войдами). Компьютерное моделирование показывает, что для формирования такой структуры за время существования Вселенной (около $13.8$ млрд лет) было необходимо гравитационное "ядро". Обычное (барионное) вещество не могло бы сгруппироваться так быстро. Тёмная материя, не взаимодействующая с давлением излучения, начала формировать гравитационные "колодцы" на ранних этапах эволюции Вселенной, послужив каркасом, на который затем "налипло" обычное вещество, образовав галактики.
• Реликтовое излучение. Анализ мельчайших температурных неоднородностей в космическом микроволновом фоне (реликтовом излучении), проведённый космическими обсерваториями WMAP и Planck, позволил с высокой точностью определить состав Вселенной. Данные наблюдений наилучшим образом согласуются с космологической моделью, в которой присутствует значительное количество тёмной материи.

Состав Вселенной

Согласно стандартной космологической модели ΛCDM (Лямбда-CDM), плотность энергии во Вселенной распределяется следующим образом:

• Тёмная энергия: около $68\%$ (отвечает за ускоренное расширение Вселенной).
• Тёмная материя: около $27\%$.
• Обычное (барионное) вещество: около $5\%$ (из него состоят звёзды, планеты, газ, пыль и живые организмы).

Таким образом, на долю всей материи (тёмной и обычной) приходится около $32\%$ от общей плотности энергии Вселенной, и тёмная материя составляет подавляющую её часть (примерно $27 / (27+5) \approx 84\%$).

Возможные кандидаты на роль тёмной материи

Природа тёмной материи до сих пор неизвестна. Основными гипотетическими кандидатами являются:

• Вимпы (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles). Слабо взаимодействующие массивные частицы — гипотетические частицы, которые взаимодействуют с обычным веществом только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения.
• Аксионы. Гипотетические сверхлёгкие нейтральные частицы, предложенные для решения одной из проблем в теории сильных взаимодействий.
• Стерильные нейтрино. Гипотетический вид нейтрино, который взаимодействует с другими частицами только посредством гравитации.

Поиски тёмной материи

Учёные по всему миру ведут поиски частиц тёмной материи тремя основными способами:

1. Прямое детектирование: глубоко под землёй создаются лаборатории (например, XENON, PandaX), защищённые от космических лучей, где сверхчувствительные детекторы пытаются зафиксировать редкие случаи столкновения частицы тёмной материи с ядром атома.
2. Косвенное детектирование: астрономы ищут в космосе следы аннигиляции или распада частиц тёмной материи. Предполагается, что в местах их скопления (например, в центре нашей Галактики) они могут взаимодействовать друг с другом, рождая поток обычных частиц (гамма-квантов, нейтрино), которые можно зарегистрировать с помощью телескопов (например, Fermi-LAT).
3. Рождение в коллайдерах: на ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, физики пытаются создать частицы тёмной материи, сталкивая частицы обычного вещества при огромных энергиях. Об их рождении можно было бы судить по "недостающей" энергии в результатах столкновения.

Ответ: Тёмная материя — это невидимая форма материи, составляющая около $27\%$ массы-энергии Вселенной (или ~ $84\%$ всей материи) и проявляющая себя только через гравитационное воздействие. Её существование подтверждается аномально высокими скоростями вращения галактик, эффектами гравитационного линзирования, особенностями реликтового излучения и формированием крупномасштабной структуры Вселенной. Её точная природа неизвестна; основными кандидатами являются гипотетические частицы, такие как вимпы и аксионы. Поиски тёмной материи ведутся с помощью подземных детекторов, космических телескопов и ускорителей частиц.