Sötét anyag

A távoli égitestek összetételére, hőmérsékletére és mozgására az általuk kibocsátott elektromágneses sugárzásból következtethetünk. E sugárzás nemcsak a látható tartományra terjed ki, pl. a hidrogénfelhők 21 cm-es hullámhosszúságú sugárzása jól érzékelhető, áthatol a csillagközi porfelhőkön.

A tudomány mai állása szerint azonban nemcsak sugárzó anyag van a világűrben, hanem sugárzást egyáltalán nem kibocsátó, ún. sötét anyag is. A sötét anyag létére a sugárzó anyagra gyakorolt gravitációs hatásából következtethetünk.

Spirálgalaxis rotációs görbéje

Tekintsünk egy centrumon átmenő tengely körül forgó spirálgalaxist. A galaxis rotációs görbéje az r-v grafikon, ahol r a sugár, azaz a centrumtól mért távolság és v az ottani sebesség a galaxis síkjában. Azt találták, hogy ez a rotációs görbe jóval nagyobb tömeg vonzzását feltételezi, mint amekkora tömeget a sugárzó anyagból becsülhetünk.

A legegyszerűbb modell: gömbszimmetrikus eset

Egyenletes körmozgást feltételezve, az általános gravitáció törvényéből adódik, hogy
mv²/r = GMm/r²
ahol G a gravitációs állandó, m a centrumtól r távolságban lévő csillag tömege, v a sebessége, M pedig az r sugarú gömbön belüli össztömeg.
amiből a következő formula adódik:
M(r) = v²r/G
tehát a rotációs görbe és az M sugárfüggése kölcsönösen meghatározzák egymást.

Két szélsőséges speciális eset:

a) Középen koncentrált tömeg: M= konstans,
Ha a gravitációs erőt kifejtő tömeg a centrumban koncentrálódik, akkor v² fordítottan arányos r-rel. (A Naprendszer esetén ez jó közelítés: Kepler III. törvénye.)
b) Homogén gömbszimmetrikus eloszlás.
Ekkor a sűrűség konstans, M pedig arányos r³-nel, s így a v/r szögsebesség lesz konstans, azaz a forgás merevtest-szerű.
*********
A spirálgalaxisok persze nem gömbszimmetrikusak, ezért pontosabb számításokhoz bonyolultabb modellt tételeznek fel.
*******

A sötét anyag meglétére a mért rotációs görbéken túl még két jelenség utal:

Gravitációs lencsehatás.

Gravitációs térben a fénysugarak elgörbülnek, és ennek következtében az égbolton láthatjuk a háttérgalaxisok képének megtöbbszöröződését, eltorzulását (a nagy tömegű sötét anyagot két oldalról megkerült fénysugarak hatásaként). A lencsehatást kiváltó tömeg nagysága megbecsülhető, és sok esetben messze nagyobb, mint az előtérben levő galaxis vagy galaxishalmaz elektromágneses sugárzást kibocsátó "látható" tömege.

Galaxisközi forró gáz a halmazokban

A mért nagy hőmérsékleten a halmazok sugárzó anyagának megfelelő tömegvonzás önmagában nem tartaná össze a gázt, az elszökne a galaxishalmazból."

*******
A megfigyelések szerint a sötét anyag aránya a galaxisok, galaxishalmazok külső tartományaiban jelentősen nagyobb, mint a belső tartományokban. Az ismert Univerzum mintegy 90%-át sötét anyag alkotja mai tudásunk szerint.

A sötét anyag mibenlétéről a tudósok csak sötétben tapogatóznak. Különféle hipotézisek, forognak forgalomban, mint pl. neutrínócsillagok.

Angol tudósok 2005-ben közölték, hogy felfedezték a Szűz galaxishalmazban az első, majdnem teljes egészében sötét anyagból álló galaxist. A galaxis létére az őt körülvevő hidrogénfelhő sugárzásából következtettek.

Irodalom:

1. Frey Sándor: szóbeli közlés
2. Frey Sándor: Extragalaktikus csillagászat Magyar Tudomány, 2004/6 Az Univerzum, amelyben élünk 732. o.
http://www.matud.iif.hu/04jun/007.html
3. Az első láthatatlan galaxis. Origo: 2005. február 24. http://www.origo.hu/tudomany/vilagur/20050224azelso.html
4. David Bennett: Dark Matter. http://bustard.phys.nd.edu/Phys171/lectures/dm.html
5. Jonathan Dursi: Cosmology is the study of the evolution of the Universe. http://www.astro.queensu.ca/~dursi/dm-tutorial/dm0.html
6.(Magyar) Wikipedia - Lexikon

***********
Oktatás