Темы докладов, страница 289 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 70. Рождение и эволюция Вселенной. Вопросы - страница 289.

Условие.

Тёмная материя.

Решение.

Что такое тёмная материя?

Тёмная материя — это гипотетическая форма вещества, которая не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение (включая свет), что делает её невидимой для прямого наблюдения. Её существование выводится из гравитационного воздействия, которое она оказывает на видимую материю (звёзды, газ), на свет от далёких объектов и на крупномасштабную структуру Вселенной. Тёмная материя принципиально отличается как от обычного (барионного) вещества, из которого состоят звёзды и планеты, так и от тёмной энергии, которая отвечает за ускоренное расширение Вселенной.

Ответ: Тёмная материя — это невидимая форма вещества, обнаруживаемая только по её гравитационному влиянию на видимые объекты во Вселенной.

Косвенные доказательства существования

Существование тёмной материи подтверждается множеством независимых астрономических наблюдений, которые не могут быть объяснены только наличием видимого вещества:
1. Скорость вращения галактик: Звёзды на окраинах спиральных галактик движутся аномально быстро. Согласно законам небесной механики, они должны были бы улететь в межгалактическое пространство, если бы галактика состояла только из видимого вещества. Наблюдаемые скорости объясняются наличием массивного сферического гало из тёмной материи, которое своей гравитацией удерживает эти звёзды на орбитах.
2. Гравитационное линзирование: Массивные скопления галактик искривляют пространство-время, заставляя свет от более далёких объектов огибать их, как через линзу. Сила этого эффекта указывает на то, что масса скоплений в несколько раз превышает массу всех их видимых компонентов. Эта "недостающая" масса и есть тёмная материя.
3. Движение галактик в скоплениях: Галактики внутри скоплений движутся с такими высокими скоростями, что гравитации одного лишь видимого вещества было бы недостаточно, чтобы удержать их вместе. Тёмная материя обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, не давая скоплениям "разлететься".
4. Крупномасштабная структура Вселенной: Распределение галактик во Вселенной имеет ячеистую структуру, напоминающую "космическую паутину". Компьютерное моделирование эволюции Вселенной показывает, что такая структура могла сформироваться только в том случае, если обычное вещество концентрировалось на уже существующем "каркасе" из тёмной материи.
5. Реликтовое излучение (космический микроволновый фон): Анализ мельчайших температурных флуктуаций в реликтовом излучении позволяет с высокой точностью определить ключевые параметры нашей Вселенной. Эти данные полностью согласуются с космологической моделью $\Lambda$CDM (Лямбда-CDM), где $\Lambda$ — тёмная энергия, а CDM (Cold Dark Matter) — холодная тёмная материя.

Ответ: Основными доказательствами являются аномально высокие скорости вращения галактик, эффекты гравитационного линзирования, стабильность галактических скоплений и особенности крупномасштабной структуры Вселенной и реликтового излучения.

Возможные кандидаты

Точная природа частиц тёмной материи остаётся одной из величайших загадок современной физики. Основные гипотезы предполагают, что она состоит из экзотических, небарионных частиц, не входящих в Стандартную модель:
• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) — слабовзаимодействующие массивные частицы. Это наиболее популярный класс кандидатов. Предполагается, что это тяжёлые, стабильные частицы, которые взаимодействуют с обычным веществом только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения.
• Аксионы — гипотетические, чрезвычайно лёгкие частицы, изначально предложенные для решения одной из проблем квантовой хромодинамики (сильной CP-проблемы). Они также являются сильным кандидатом на роль холодной тёмной материи.
• Стерильные нейтрино — гипотетический тип нейтрино, который, в отличие от известных нам трёх типов, не участвует в слабом взаимодействии, а взаимодействует только гравитационно. Ранее рассматривались и объекты из обычного вещества (MACHOs — массивные астрофизические компактные объекты гало), такие как чёрные дыры, нейтронные звёзды или коричневые карлики, но наблюдения исключили их в качестве основного компонента тёмной материи.

Ответ: Ведущими кандидатами на роль частиц тёмной материи являются гипотетические частицы, такие как WIMPs, аксионы и стерильные нейтрино.

Состав Вселенной

Согласно данным, полученным космической обсерваторией "Планк" и другими проектами, современное распределение массы-энергии во Вселенной выглядит следующим образом:
• Тёмная энергия ($\Omega_{\Lambda}$): $\approx 68\%$ — таинственная сила, вызывающая ускоренное расширение Вселенной.
• Тёмная материя ($\Omega_{dm}$): $\approx 27\%$ — невидимое вещество, формирующее гравитационный "каркас" для галактик и их скоплений.
• Обычное (барионное) вещество ($\Omega_{b}$): $\approx 5\%$ — материя, из которой состоят звёзды, планеты, газ, пыль и все живые организмы. Таким образом, всё, что мы можем видеть и изучать напрямую, составляет лишь незначительную часть нашей Вселенной.

Ответ: Вселенная примерно на 68% состоит из тёмной энергии, на 27% из тёмной материи и лишь на 5% из привычного нам обычного вещества.