Astronomia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Astronomia > Galaktyki  
  Tematy
- Historia astronomii
- Narzędzia i metody astronomii
- Astronomia sferyczna i praktyczna
- Badania kosmiczne
- Układ Słoneczny
- Słońce
- Galaktyki
- Typy i klasyfikacja galaktyk
- Promieniowanie galaktyk normalnych
- Powstanie i ewolucja galaktyk
- Ciemna materia w galaktykach
- Galaktyki aktywne
- Radioźródła pozagalaktyczne
- Galaktyki Seyferta
- Kwazary
- Lacertydy
- Aktywne jądra galaktyk
- Rozmieszczenie galaktyk
- Układ Lokalny galaktyk
- Grupy galaktyk
- Supergromada Lokalna
- Gromady galaktyk
- Ciemna materia
- Kosmologia
- Gwiazdozbiory całego roku
- Eseje

  Szukacz




Ciemna materia

Galaktyki skoncentrowane w gromadach galaktyk są źródłem znacznego potencjału grawitacyjnego. Siły przyciągania skierowane ku centrum układu działają na wszystkie galaktyki należące do gromady. Gromady są jednak tworami trwałymi, w których nie dochodzi do kolapsu grawitacyjnego. Stan równowagi (lub bliski równowagi) utrzymuje się dzięki temu, że galaktyki są obdarzone znaczną energią kinetyczną. Z rozważań dynamicznych (tzw. twierdzenia o wiriale) wynika, że gromada jest tworem stacjonarnym, jeżeli energia kinetyczna układu E równa się co do wartości bezwzględnej połowie energii grawitacyjnej U:

E + 1/2 U = 0.

Sytuacja taka ma miejsce w gromadach regularnych. Gładkie rozmieszczenie galaktyk wewnątrz gromady świadczy o tym, że doszło tam do wymieszania ewentualnych początkowych niejednorodności i gromada osiągnęła stan równowagi dynamicznej. Czas potrzebny do uzyskania równowagi nazywa się czasem relaksacji. Wskutek wzajemnych oddziaływań w gromadzie ma miejsce ekwipartycja energii, tj. zrównanie w sensie statystycznym energii kinetycznej wszystkich galaktyk. Prowadzi to do zauważalnej segregacji: galaktyki mniej masywne (słabiej świecące) mają średnio większe prędkości i tym samym mogą oddalać się od centrum gromady na większe odległości niż galaktyki olbrzymie. Wskutek tego w gromadach regularnych galaktyki jasne są bardziej skupione w okolicach centrum niż galaktyki słabe.

Galaktyki składowe mają chaotyczny rozkład prędkości; niektóre z nich zbliżają się, inne zaś oddalają od centrum gromady. Całkowitą energię kinetyczną galaktyk w gromadzie ocenia się na podstawie rozrzutu, czyli dyspersji prędkości wokół wartości średniej. Za pomocą obserwacji, korzystając z efektu Dopplera, możemy wyznaczyć jedynie radialne (tj. wzdłuż linii widzenia) składowe prędkości. Przy założeniu, że rozkład prędkości członków gromady w stanie równowagi dynamicznej jest izotropowy, dyspersja prędkości całkowitych jest razy większa od dyspersji prędkości radialnych . Im gromada masywniejsza i bardziej skupiona ku środkowi, tym większa dyspersja prędkości. Dla bogatych gromad Abella obserwowana dyspersja prędkości radialnych jest rzędu 1000 km/s. Całkowita energia kinetyczna E gromady wynosi:

E = 3/2 x Mgr x ,

gdzie Mgr oznacza łączną masę wszystkich galaktyk składowych. Energia grawitacyjna gromady zależy od rozmieszczenia galaktyk składowych. W przypadku gromad wykazujących symetrię sferyczną potencjalna energia grawitacyjna U równa się:

U = - q G Mgr2 / R,

gdzie R oznacza promień gromady, G jest stałą grawitacji, a czynnik q zależy od stopnia koncentracji gromady i jest bliski jedności (np. dla A1656: q = 0,92). Z twierdzenia o wiriale wynika, że masa gromady jest równa

Mgr = 3 / ( 2 q ) x R/G.

...powiększenie  >>>

Soczewkowanie grawitacyjne powoduje przesunięcie położenia na sferze niebieskiej i zmianę jasności świecącego obiektu (galaktyki). Gdy masa ciała zakrzywiającego promienie jest dostatecznie duża, możliwe staje się uzyskanie obrazów wielokrotnych (S - soczewka grawitacyjna; A i B - obrazy świecącego obiektu).



...powiększenie  >>>

Gromada galaktyk A2218 zniekształca obrazy odległych galaktyk. Na pierwszym planie widać jasne galaktyki z gromady; cienkie świetliste łuki są wydłużonymi i zakrzywionymi koncentrycznie wokół środka masy obrazami galaktyk tła. Rozmieszczenie i kształt łuków pozwalają wyznaczyć rozkład masy tej gromady. Fot. HST/NASA.


Materia świecąca w galaktykach jest skupiona w gwiazdach. Na podstawie pomiarów barw galaktyk można ocenić rozkład masy gwiazd, z których zbudowana jest galaktyka. Łączną masę wszystkich gwiazd wyznacza się, korzystając ze średniego stosunku masy do jasności M/L. Masa świecąca gromady jest sumą mas materii świecącej w galaktykach - członkach gromady. Wyznaczenia mas gromad uzyskane przy użyciu twierdzenia o wiriale są w przybliżeniu 10 razy wyższe niż oceny oparte na M/L. Rozbieżne oceny mas implikują istnienie w gromadach ciemnej materii w ilości dziesięciokrotnie większej niż materia widoczna w dziedzinie optycznej.

Niezależne potwierdzenie dużych mas gromad galaktyk uzyskuje się dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego, tj. ugięcia promieni świetlnych przez pole grawitacyjne. Ze względu na duże masy gromad, efekt ten jest stosunkowo łatwo i często obserwowany. Jednocześnie, wskutek ogniskowania wiązki światła wzmocnieniu ulega jasność widoma bardzo odległych galaktyk i kwazarów. Wykorzystując wzmocnienie jasności, zmierzono rekordowe do niedawna przesunięcie widma ku czerwieni z = 4,92 paru galaktyk, znajdujących się poza gromadą CL1358+62, która spełniła rolę soczewki. (Do stycznia 2000 r. największe zmierzone przesunięcie ku czerwieni wynosiło 6,68).

...powiększenie  >>>
Zaginanie promieni świetlnych galaktyki spiralnej przez pole grawitacyjne gromady galaktyk Cl0024+1654. Znajdujące się na pierwszym planie żółtawe galaktyki gromady uginają promienie świetlne niebieskiej galaktyki spiralnej. W wyniku tego powstało pięć oddzielnych obrazów tej galaktyki: jeden blisko środka zdjęcia, a pozostałe cztery - rozmieszczone w przybliżeniu wzdłuż okręgu "na godzinach" 4, 8, 9 i 10. Gromada Cl0024+1654 znajduje się w gwiazdozbiorze Ryb, w odległości około 1500 megaparseków (Mpc); galaktyka spiralna - mniej więcej dwa razy dalej. Fot. HST/NASA.

Różnorodne dane wskazują niezbicie, że ciemna materia występuje w różnych skalach: od otoczenia Słońca w Galaktyce przez zewnętrzne obszary galaktyk do gromad galaktyk. Istnieją przekonujące argumenty, że jest ona obecna również w większych skalach. Fizyczna natura tej materii pozostaje nieznana. Obecnie nie można wykluczyć, że niewidoczna materia skupiona jest w obiektach o masach typowych dla planet lub w gwiazdach o bardzo małej masie, tzw. brązowych karłach, dla których stosunek M/L przekracza wielokrotnie wartości obserwowane dla zwykłych gwiazd. Prowadzone od niedawna obserwacje mikrosoczewkowania grawitacyjnego, czyli ugięcia światła w polu grawitacyjnym wytworzonym przez pojedyncze gwiazdy i obiekty o mniejszych masach, w kierunku centrum Galaktyki i w halo galaktycznym potwierdzają istnienie znacznej liczby gwiazd o małej masie, lecz ich liczba wydaje się być zbyt niska dla wyjaśnienia natury ciemnej materii.

Jeżeli występuje ona we Wszechświecie nie w postaci dyskretnych obiektów, a w formie rozproszonego "gazu", to zapewne zbudowana jest z cząstek, które nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, gdyż w przeciwnym wypadku zostałaby wykryta. Teorie cząstek elementarnych dopuszczają istnienie różnego rodzaju obiektów o własnościach niesprzecznych z obserwacjami astronomicznymi. Są to najczęściej cząstki oddziałujące słabo, co utrudnia ich odkrycie w laboratoriach. Istotną z punktu widzenia astrofizyki własnością tych hipotetycznych cząstek jest prędkość ruchów chaotycznych w epoce poprzedzającej formowanie się struktur barionowych (galaktyk, gromad galaktyk). Tzw. gorąca ciemna materia zbudowana jest z cząstek poruszających się z prędkościami relatywistycznymi; rozmywają (wygaszają) one lokalne zaburzenia gęstości materii w skali galaktycznej. Jedynie zagęszczenia o masach gromad galaktyk są w stanie się rozwijać. Prowadzi to do powstania w pierwszej kolejności obłoków o masach rzędu 1015 M, z których w wyniku fragmentacji tworzą się obłoki protogalaktyczne. Cząstki zimnej ciemnej materii poruszają się wolno i nie rozmywają fluktuacji gęstości materii barionowej nawet o niewielkich masach. Przewiduje się, że w tym wypadku najpierw powstają galaktyki, które wskutek grawitacyjnego przyciągania stopniowo tworzą coraz większe struktury: gromady i supergromady. Do chwili obecnej bezpośrednio nie zaobserwowano jednak ciemnej materii w żadnej z proponowanych przez teorię postaci.

Andrzej M. Sołtan

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach