في علم الفلك astronomy وعلم الكونيات cosmology، المادة المظلمة dark matter هي المادة التي لا ينبعث منها ولا يتشتت الضوء أو الإشعاع الكهرومغناطيسي electromagnetic radiation، وبالتالي لا يمكن اكتشافها مباشرة عبر علم الفلك البصري أو الراديوي radio astronomy.
ما هي المادة المظلمة في الكون dark matter in universe
يعتقد أن المادة المظلمة dark matter تشكل 83٪ من المادة في الكون. افترض فريتز زويكي Fritz Zwicky المادة المظلمة في عام 1934 لحساب الأدلة على "الكتلة المفقودة" في السرعات المدارية للمجرات في العناقيد.
في وقت لاحق ، أشارت ملاحظات أخرى إلى وجود مادة مظلمة dark matter في الكون. تشمل هذه الملاحظات سرعات دوران المجرات ، وعدسة الجاذبية للأجسام في الخلفية الكونية بواسطة تجمعات المجرات وتوزيع درجة حرارة الغاز الساخن في المجرات وتجمعاتها.
كيف يمكن الاستدلال علي وجود المادة المظلمة؟
يتم الاستدلال على وجود المادة المظلمة dark matter من تأثيرات الجاذبية على المادة المرئية وعدسة الجاذبية لإشعاع الخلفية الكونية ، وكان من المفترض في الأصل حساب التناقضات بين حسابات كتلة المجرات ومجموعات المجرات.
يستدل على وجود المادة المظلمة dark matter من تأثيرات الجاذبية على المادة المرئية وعدسة الجاذبية لإشعاع الخلفية الكونية ، وكان من المفترض في الأصل أن يفسر التناقضات بين حسابات كتلة المجرات ومجموعات المجرات والكون بأكمله.
التي تم إجراؤها من خلال الوسائل النسبية الديناميكية والعامة ، والحسابات القائمة على كتلة المادة "المضيئة" المرئية التي تحتوي عليها هذه الأجسام: النجوم والغاز والغبار من وسط بين النجوم وبين المجرات.
التفسير الأكثر قبولا على نطاق واسع لهذه الظواهر هو أن المادة المظلمة dark matter موجودة وأنها على الأرجح تتكون من جزيئات ثقيلة تتفاعل فقط من خلال القوة الضعيفة والجاذبية. ومع ذلك ، تم اقتراح تفسيرات بديلة ، ولا توجد حتى الآن أدلة تجريبية كافية لتحديد أيهما صحيح. كما توجد العديد من التجارب للكشف عن جسيمات المادة المظلمة المقترحة من خلال وسائل غير الجاذبية و لا زالت جارية.
وفقا لملاحظات الاجسام الفلكية الأكبر من الأنظمة الشمسية ، وكذلك علم الكونيات أن حدث الانفجار العظيم المفسر بموجب معادلات فريدمان ، تمثل المادة المظلمة 23٪ من كثافة الكتلة والطاقة للكون المرئي.
وبالمقارنة، تمثل المادة العادية 4.6٪ فقط من كثافة الكتلة والطاقة في الكون المرئي، بينما يعزى الباقي إلى الطاقة المظلمة. من هذه الأرقام ، تشكل المادة المظلمة 83٪ ، من المادة في الكون ، في حين أن المادة العادية تشكل 17٪ فقط.
تلعب المادة المظلمة dark matter دورا مركزيا في النمذجة الحديثة لتشكيل البنية وتطور المجرة ، ولها تأثيرات قابلة للقياس على تباين الخواص الذي لوحظ في الخلفية الكونية الميكروية.
تشير كل هذه الخطوط من الأدلة إلى أن المجرات ومجموعات المجرات والكون ككل تحتوي على مادة أكثر بكثير من تلك التي تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي.
الجزء الأكبر من المادة المظلمة ، التي لا تتفاعل بحكم تعريفها مع الإشعاع الكهرومغناطيسي ، ليست فقط "مظلمة" ولكن أيضا بحكم التعريف ،هي مادة شفافة تماما.على الرغم من أهمية المادة المظلمة في الكون ، إلا أن الأدلة المباشرة على وجودها والفهم الملموس لطبيعتها ظلت بعيدة المنال.
على الرغم من أن نظرية المادة المظلمة dark matter لا تزال النظرية الأكثر قبولا على نطاق واسع لشرح الحالات الشاذة في دوران المجرة المرصود ، فقد تم تطوير بعض الأساليب النظرية البديلة التي تقع على نطاق واسع في فئات قوانين الجاذبية المعدلة ، وقوانين الجاذبية الكمومية.
المادة المظلمة الباريونية وغير الباريونية -Baryonic and nonbaryonic dark matter
قد تكون نسبة صغيرة من المادة المظلمة dark matter مادة مظلمة باريونية: أجسام فلكية ، مثل أجسام الهالة المدمجة الضخمة ، التي تتكون من مادة عادية ولكن تنبعث منها إشعاعات كهرومغناطيسية قليلة أو معدومة.
يعتقد أن الغالبية العظمى من المادة المظلمة في الكون غير باريونية ، وبالتالي لا تتشكل من الذرات. ويعتقد أيضا أنها لا تتفاعل مع المادة العادية عبر القوى الكهرومغناطيسية كذلك.
على وجه الخصوص ، لا تحمل جزيئات المادة المظلمة أي شحنة كهربائية. تتضمن المادة المظلمة غير الباريونية النيوترينوات ، وربما مكونات افتراضية مثل الأكسيونات ، أو الجسيمات فائقة التناظر.
على عكس المادة المظلمة الباريونية ، لا تساهم المادة المظلمة غير الباريونية في تكوين العناصر في الكون المبكر ("التخليق النووي للانفجار العظيم") وبالتالي يتم الكشف عن وجودها فقط من خلال جاذبيتها.
بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت الجسيمات التي تتكون منها فائقة التناظر ، فيمكن أن تخضع لتفاعلات شديدة مع نفسها مما يؤدي إلى منتجات ثانوية يمكن ملاحظتها مثل الفوتونات والنيوترينوات.
تصنف المادة المظلمة غير الباريونية من حيث كتلة الجسيمات التي يفترض أنها تتكون منها ، أو تشتت السرعة النموذجية لتلك الجسيمات (نظرا لأن الجسيمات الأكثر ضخامة تتحرك ببطء أكبر).
فرضيات حول المادة المظلمة غير الباريونية
هناك ثلاث فرضيات بارزة حول المادة المظلمة غير الباريونية ، تسمى المادة المظلمة الساخنة (HDM) ، والمادة المظلمة الدافئة (WDM) ، والمادة المظلمة الباردة (CDM). وقد يوجد مزيج من هذه الأنواع كذلك.
تستند النماذج الأكثر أهتماماً على نطاق واسع للمادة المظلمة غير الباريونية إلى فرضية المادة المظلمة الباردة ، ويفترض بشكل شائع أن يكون الجسيم المقابل محايدا. ومن المحتمل أن المادة المظلمة الساخنة تتكون من نيوترينوات (ضخمة).
ستؤدي المادة المظلمة الباردة إلى تكوين بنية "من أسفل إلى أعلى" في الكون بينما تؤدي المادة المظلمة الساخنة إلى سيناريو تكوين "من أعلى إلى أسفل".
أحد الاحتمالات هو أن المادة المظلمة الباردة يمكن أن تتكون من ثقوب سوداء بدائية في حدود 1014 كجم إلى 1023 كجم. كونها ضمن نطاق كتلة الكويكب ، ستكون صغيرة بما يكفي للمرور عبر أجسام مثل النجوم ، مع تأثير ضئيل على النجم نفسه.
قد تكون هذه الثقوب السوداء قد تشكلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم عندما كانت كثافة الطاقة كبيرة بما يكفي لتشكيل الثقوب السوداء مباشرة من تغيرات الكثافة ، بدلا من انهيار النجوم. بأعداد كبيرة ، يمكنهم حساب الكتلة المفقودة اللازمة لشرح حركات النجوم في المجرات وتأثيرات عدسة الجاذبية.
أدلة الرصد - Observational evidence
كان أول شخص يقدم أدلة ويستنتج وجود المادة المظلمة dark matter هو عالم الفيزياء الفلكية السويسري فريتز زويكي Fritz Zwicky ، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في عام 1933. طبق (نظرية القوى الكميه)على مجموعة كوما من المجرات وحصل على أدلة على الكتلة غير المرئية.
قدر زويكي الكتلة الكلية للعنقود بناء على حركات المجرات بالقرب من حافته وقارن هذا التقدير بواحد بناء على عدد المجرات والسطوع الكلي للعنقود. وجد أن هناك كتلة تقديرية أكثر بنحو 400 مرة مما يمكن ملاحظته بصريا.
ستكون جاذبية المجرات المرئية في العنقود صغيرة جدا بالنسبة لمثل هذه المدارات السريعة ، لذلك كان هناك حاجة إلى شيء إضافي. يعرف هذا باسم "مشكلة الكتلة المفقودة". بناء على هذه الاستنتاجات ، استنتج Zwicky أنه يجب أن يكون هناك شكل غير مرئي من المادة من شأنه أن يوفر ما يكفي من الكتلة والجاذبية لتثبيت الكتلة معا.
تأتي الكثير من الأدلة على المادة المظلمة من دراسة حركات المجرات. يبدو أن العديد من هذه الأشياء موحدة إلى حد ما ، لذلك من خلال (نظرية القوى الكميه)، يجب أن تكون الطاقة الحركية الكلية نصف إجمالي طاقة ربط الجاذبية للمجرات.
ومع ذلك ، من الناحية التجريبية ، وجد أن إجمالي الطاقة الحركية أكبر بكثير: على وجه الخصوص ، بافتراض أن كتلة الجاذبية ترجع فقط إلى المادة المرئية للمجرة ، فإن النجوم البعيدة عن مركز المجرات لها سرعات أعلى بكثير مما تنبأت به (نظرية القوى الكميه).
لا يمكن تفسير منحنيات دوران المجرة ، التي توضح سرعة الدوران مقابل المسافة من مركز المجرة ، من خلال المادة المرئية فقط. إن افتراض أن المادة المرئية لا تشكل سوى جزء صغير من الكتلة هو الطريقة الأكثر مباشرة لحساب ذلك.
تظهر المجرات علامات على أنها تتكون إلى حد كبير من هالة متناظرة كرويا تقريبا ومركزة مركزيا من المادة المظلمة مع تركيز المادة المرئية في قرص في المركز. تعد المجرات القزمة ذات السطوع السطحي المنخفض مصادر مهمة للمعلومات لدراسة المادة المظلمة ،
حيث أن لديها نسبة منخفضة بشكل غير مألوف من المادة المرئية إلى المادة المظلمة ، ولديها عدد قليل من النجوم الساطعة في المركز والتي من شأنها أن تضعف ملاحظات منحنى دوران النجوم البعيدة.
الشكل التركيبي للمادة المظلمة - Structure formation
المادة المظلمة ضرورية لتفسير نظرية الانفجار العظيم لعلم الكونيات كمكون يتوافق مباشرة مع قياسات الدلائل المرتبطة بحلول فريدمان الكونية للنسبية العامة بشكل كبير.
تتوافق قياسات تباين الخلفية الكونية الميكروية مع علم الكونيات. حيث يتفاعل الكثير من المادة مع الفوتونات بشكل أضعف من القوى المعروفة التي تجمع بين تفاعلات الضوء والمادة الباريونية. وبالمثل ، فإن كمية كبيرة من المادة الباردة غير الباريونية ضرورية لشرح البنية واسعة النطاق للكون.
تشير الملاحظات إلى أن تكوين البنية في الكون يسير بشكل هرمي ، حيث تنهار أصغر الأجسام الكونية أولا تليها المجرات ثم مجموعات المجرات. عندما تنهار الأجسام في الكون المتطور ، فإنها تبدأ في "الإضاءة" حيث تسخن المادة الباريونية من خلال تقلص الجاذبية.
ويقترب الجسم من توازن الضغط الهيدروستاتيكي. كان للمادة الباريونية العادية درجة حرارة عالية جدا ، والكثير من الضغط المتبقي من الانفجار العظيم للانهيار وتشكيل أجسام أصغر مثل النجوم.
تعمل المادة المظلمة كضاغط للأجسام. لا يتوافق هذا النموذج مع المسح الإحصائي للبنية المرئية في الكون فحسب ، بل يتوافق أيضا بدقة مع تنبؤات المادة المظلمة للخلفية الكونية الميكروية.
تم استخدام عمليات محاكاة حاسوبية كبيرة لمليارات جسيمات المادة المظلمة للتأكد من أن نموذج المادة المظلمة الباردة لتشكيل البنية يتوافق مع الهياكل التي لوحظت في الكون من خلال مسوحات المجرات. كانت هذه الدراسات حاسمة في بناء نموذج Lambda-CDM الذي يقيس المعلمات الكونية ، بما في ذلك جزء الكون المكون من الباريونات والمادة المظلمة.
مما تتكون المادة المظلمة؟ Composition
من الخصائص المهمة لجميع المواد المظلمة أنها تتصرف مثل السائل المثالي ويتم تصميمها على غرار السائل المثالي ، مما يعني أنه ليس لديها أي مقاومة أو لزوجة داخلية. هذا يعني أن جسيمات المادة المظلمة يجب ألا تتفاعل مع بعضها البعض (إلا من خلال الجاذبية).
أي أنها تتحرك عبر بعضها البعض دون أن تصطدم أو تصطدم، اكتسبت النظريات "للمادة المظلمة الباردة" ، على عكس وجهات النظر " للمادة المظلمة الدافئة" أو "للمادة المظلمة الساخنة" حول تكوين المادة المظلمة ، تأييدا في شرح الظواهر التي يمكن ملاحظتها بشكل أفضل.
يجب عليك تسجيل الدخول لتستطيع كتابة تعليق