Тъмната
материя е веществото, което, според
астрономите, е отговорно за разликата
между масата на галактика, намерена чрез
модифицирания вид на третия закон на
Кеплер и наблюдаемата маса под формата на
звезди и газ. Количеството тъмна материя,
необходимо за да се премахне разликата е
много голямо и при някои галактики
достига 10 пъти видимата им маса, което ще
рече, че когато наблюдаваме галактика, в
някои случаи, виждаме само една десета от
веществото й.
Най-силното доказателство, че
тъмната материя съществува идва от
галактичните криви на въртене. На кривата
на въртене на една галактика са
отбелязани орбиталните скорости на
звездите и газа в галактиката на различни
разстояния от центъра (фиг. 1, крива А).
Кривата на въртене е полезна за
изучаването на тъмната материя, защото
орбиталната скорост зависи от масата,
видима или не, която се намира между
звездата и центъра на галактиката.
фиг. 1
Схематична крива на въртене. Линията с
точките показва очакваната крива, която
би се наблюдавала ако масата на
галактиката е съставена от видимите
звезди и газ. Линията с кръстчетата
показва наблюдаемата крива, която сочи,
че галактиката съдържа тъмна материя.
Според първия закон на Нютон,
ако тяло не се движи по права линия (звезда
в орбита около галактика), то върху него
се упражнява сила. Знаем, че в конкретния
случай силата е гравитацията. Също така
знаем, че гравитационното привличане
зависи от масата на привличащото тяло (в
този случай галактика). При равни други
условия по-голяма маса ще поражда по-голяма
сила. Трябва да имаме в предвид, обаче, че само
материята, намираща се между центъра на
галактиката и орбитата на звездата
допринася за гравитационната сила. На
звездите, намиращи се близо до
галактичния център ще действа малка сила,
защото между тях и галактичния център има
малко маса. Тъй като действащата сила е
малка, тези звезди не могат да се движат
много бързо, защото иначе биха отлетели
от галактиката. От друга страна, на
звездите, орбитиращи много далеч от
центъра, също трябва де действа малка
сила. На тях им действа пълната маса на
галактиката, но въпреки това
гравитационната сила, действаша върху
тях е малка, защото те са толкова
отдалечени от основната маса (спомнете си,
че гравитационната сила бързо ослабва с
увеличаване на разстоянието от основната
маса). Тези външни звезди също трябва да
орбитират бавно за да не отлетят от
галактиката. Разбрахме, че и близките до
центъра звезди, и отдалечените от него
трябва да имат ниски орбитални скорости.
Следователно кривата на въртене на една
галактика трябва да има връх (фиг.1, крива
В).
Детайлни математически модели
потвърждават гореописания анализ и
показват, че кривата на въртене трябва да
започне с малки скорости в близост до
центъра. После, при средните разстояния,
кривата трябва да тръгне нагоре - към по-високи
скорости и впоследствие, при големи
разстояния от центъра, пак да спадне до
ниски скорости. Когато астрономите
замерват кривите на въртене на галактики,
те установяват, че скоростите в нито
един случай не следват теоретичните ни
разработки. Кривите наистина показват
увеличение на скороста с приближаване
към средните разстояния, но от там
нататък те се изравняват и никога не
спадат до ниски скорости. Как може да се
обясни толкова важна разлика между
теория и наблюдения? Ако физичните ни
закони са верни, само едно нещо може да
обясни такова поведение: галактиките
трябва да съдържат огромни количества
невидяна досега маса във външните си
части. Тази маса упражнява гравитационна
сила върху далечните звезди, удържайки ги
в орбита, въпреки високите им орбитални
скорости. Освен това, количеството на
тази материя, нужно за да обясни
наблюдаемите криви на въртене, е огромно (много
пъти повече от наблюдаемата маса на
галактиката). Проучвания сочат, че
повечето галактики, включително и
Млечния път, може да са обградени от
огромно хало от тъмна материя, което е
много по-масивно и голямо от "видимата"
галактика.
Какво може да представлява
тази тъмна материя? Астрономите са
объркани. Можем да изключим обикновените
слаби звезди, защото такива обекти биха
излъчвали поне малко инфрачервена
радиация, която щяхме да можем да
регистрираме. Можем да изключим и
студения газ, защото той може да бъде "видян"
от радиотелескопите. Можем да изключим и
горещия газ, защото той би бил "видян"
от рентгенови, оптични или
радиотелескопи. Към обектите, които не
можем да изключим спадат малки тела с
размерите на планетезимал, невероятно
леките звезди, мъртви бели джуджета,
мъртви неутронни звезди, черни дупки и
податомни частици като неутриното. Други
възможни обекти включват податомни
частици, предсказани теоретично, но
засега ненаблюдавани в лаборатория като
фотино или СВМЧ (Слабо Взаимодействащи
Масивни Частици). Природата на тъмната
материя остава една от главните мистерии
в астрономията днес. Освен това тъмната
материя не се ограничава само в
галактиките. Тя се "просмуква" в
галактичните купове и може би дори в
самата Вселена.
Не трябва да се изненадваме от
факта, че нещо огромно като Вселената все
още има тайни. Всъщност тъмната материя е
само един от многото аспекти на
галактиките, които астрономите не
разбират напълно.
EXPLORATIONS - AN INTRODUCTION TO ASTRONOMY 470-472 стр.
Mosby, 1996