Tume aine ja galaktikate struktuur
Spiraalgalaktikate välisservade lähedal olevad tähed tiirlevad palju kiiremini, kui Newtoni gravitatsioon galaktika nähtava, valgust kiirgava aine põhjal ennustaks — nende pöörlemiskõverad jäävad raadiusega ligikaudu lamedaks selle asemel, et kahaneda nii nagu Päikesesüsteemi planeetide orbiidid —, ning sama massidefitsiit ilmneb sõltumatult ka galaktikaparvede dünaamikas ja nende lähedalt mööduva valguse gravitatsioonilises läätsestumises; juhtiv seletus on, et galaktikad on ümbritsetud palju suurematest valgust mittekiirgava tume aine halodest, mis mõjuvad gravitatsiooniliselt, kuid, nagu kõik seninised katsed näitavad, mitte elektromagnetiliselt, ega seega ei kiirga, neela ega hajuta valgust, ületades massilt kogu universumi tavalist ainet ligikaudu viiekordselt.
Practise this conceptKui astronoomid mõõdavad, kui kiiresti tähed ja gaas spiraalgalaktika keskmest erinevatel kaugustel tiirlevad — galaktika pöörlemiskõverat —, teeb Newtoni gravitatsioon rakendatuna nähtavale, valgust kiirgavale ainele selge ennustuse: nähtava massi põhiosast kaugemal peaks orbitaalkiirus kaugusega kahanema, samamoodi nagu Merkuur tiirleb kiiremini kui Neptuun. Vaadeldud pöörlemiskõverad jäävad selle asemel lamedaks ja püsivad ligikaudu konstantsena kaugel väljaspool nähtava ketta serva. Selle lahknevuse otsene tõlgendus, kasutades ainult standardset gravitatsiooni, on see, et seal on olemas palju rohkem gravitreerivat massi, kui teleskoobid näha suudavad — kuni viis või kuus korda rohkem massi, kui kõik tähed, gaas ja tolm kokku.
See pole ühekordne mõistatus ühest mõõtmisest. Sama puuduva massi probleem ilmneb sõltumatult ka selles, kui kiiresti galaktikad parvedes liiguvad (need liiguvad liiga kiiresti, et jääda üksteisega gravitatsiooniliselt seotuks, kui poleks olemas palju rohkem massi, kui on nähtav), ning taas gravitatsioonilises läätsestumises, kus taustagalaktikate valguse painutumine eesplaanil oleva parve läheduses paljastab massijaotuse, mis vastab tume aine pildile ja ületab kaugelt üksnes nähtavat ainet. Kuna need kolm sõltumatut tõendusliini — pöörlemiskõverad, parvede dünaamika ja läätsestumine — lepivad kokku nii puuduva massi hulgas kui ka ligikaudses jaotuses, on argument mingi uue ainevormi kasuks, mitte ühe üksiku mõõtmisvea kasuks, tugev.
See, mis teeb sellest aine 'tume', on konkreetne: nagu kõik seniajani läbi viidud katsed näitavad, ei mõju see üldse elektromagnetjõu kaudu, mistõttu see ei kiirga, neela ega hajuta valgust ning on nähtamatu kõikvõimalikele teleskoopidele. See mõjub siiski gravitatsiooniliselt, mille kaudu selle olemasolu tuvastatakse, ja näib olevat jaotunud laiendatud, ligikaudu sfäärilistesse halodesse, mis ümbritsevad galaktikaid tunduvalt kaugemale nende nähtavast kettast, selle asemel et olla koondunud kettasse nii nagu tavaline aine. Tasub täpsustada, et tume aine erineb tumeenergiast: tume aine on lisagravitreeriv mass, mis tõmbab asju kokku ja aeglustaks omaette kosmilist paisumist; tumeenergia on eraldiseisev, tõukav efekt, mis vastutab universumi paisumise kiirenemise eest.
Key ideas
Requires: Newtoni gravitatsiooniseadus
Common misconceptions
- Tume aine on lihtsalt tavaline aine, mis juhtub olema tume või raskesti nähtav — tolm, planeedid, tuhmid tähed, mustad augud —, selle asemel et mõista, et tegu on ainevormiga, mis kõigi senise otsingu põhjal ei mõju üldse elektromagnetiliselt; otsingud piisava koguse mittekiirgava tavalise aine järele puuduva massi selgitamiseks pole seda leidnud.
- Lamedad pöörlemiskõverad tähendavad, et galaktika välimisi tähti lihtsalt veab kindla kiirusega kaasa nähtav ketas, justkui oleks see jäik tahke keha, selle asemel et mõista, et iga tähe orbitaalkiiruse määrab — nagu igal Kepleri orbiidil — tema enda orbiidi sees paiknev kogu gravitreeriv mass, mis kasvab raadiusega tänu laiendatud tume aine halole.
- Tume aine ja tumeenergia on üks ja sama asi, või vahetatavad terminid 'seletamata asja' kohta, selle asemel et mõista, et tume aine on lisagravitreeriv mass, mis koguneb halodesse ja aeglustab universumi paisumist, samas kui tumeenergia on tõukav efekt, mis paisumise kiirenemist põhjustab.
Resources
Kuulub nende TÜ ainete hulka
See mõiste on kaardistatud järgmis(t)e Tartu Ülikooli õppekava aine(te) osaliseks kattmiseks.
- Üldine astronoomiaLTTO.00.013
- GlobaalfüüsikaLTTO.00.025