bélyegkép|300px|Tipikus galaxis forgási görbéje: az A görbe jelöli az előrejelzett sebességet, eszerint a galaxisok külső csillagai nagyon lassan keringenek a középpont körül. A B görbe jelöli a megfigyelt értéket. A kettő közti különbség a sötét anyag létét valószínűsíti. thumb|right|300px|A Világegyetem tömegének nagy részét nem a sötét anyag alkotja

A sötét anyag olyan elméleti anyagfajta, amely csillagászati műszerekkel közvetlenül nem figyelhető meg, mert semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki és nem nyel el, jelenlétére csak a látható anyagra és a háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásból következtethetünk. A Világegyetem tömegének csupán 4,6%-át alkotja a megfigyelhető anyag, 23% a sötét anyag aránya, és 72% a sötét energia.

Felfedezésének története Elméleti felvetés A sötét anyag létezését először Jacobus Kapteyn holland csillagász tételezte fel 1922-ben. (emphasis in original) A hipotézist kollégája, Jan Oort részletesebben is kifejtette 1932-ben a Tejútrendszerre vonatkozó vizsgálódásai alapján.Oort, J.H. (1932) "The force exerted by the stellar system in the direction perpendicular to the galactic plane and some related problems," Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands, 6 : 249–287. Az elméletet Fritz Zwicky svájci asztrofizikus 1934-ben a gyakorlatban is megfigyelte a Coma galaxishalmaz vizsgálata nyomán. A galaxishalmaz szélén levő galaxisok sebességéből és a galaxishalmaz fényességéből, valamint a galaxisok száma alapján két tömegbecslést adott. A kettőt összehasonlítva látta, hogy a sebességeloszlásból számított tömeg 400-szor nagyobb, mint a távcsővel mért. Ezért volt szükség bevezetni a sötét anyag fogalmát: ez az anyag távcsővel nem látszik, viszont elég nagy tömegű, hogy a megfigyelt sebességeloszlást magyarázza.

Felfedezése 1970-ben Vera Rubin a Department of Terrestrial Magnetism (DTM) („földmágnesség”) osztályon dolgozott a Carnegie Institute of Washington intézetben. A DTM igazgatója, Kent Ford csillagász akkor alkotott meg egy új, nagy sebességű, széles spektrumú spektrográfot, amivel egyetlen nap alatt 8-10 mérést lehetett elvégezni (az akkoriban használt műszerek csak napi 1 mérésre voltak képesek).

1970. március 27-én Vera Rubin a DTM távcsövét az Androméda-galaxisra irányította. Ellenőrizni szerette volna, hogy az Androméda milliónyi csillaga úgy mozog-e, ahogyan az elméletek leírják.

A spektrográf a csillagokban lévő kémiai elemeknek megfelelő hullámhosszakon vonalakat rajzolt egy papírra, amit Rubin mikroszkópon keresztül tudott elemezni. Ismert volt számára, hogy a kirajzolt vonalak annak megfelelően tolódnak el följebb vagy lejjebb a frekvenciaskálán, hogy az adott csillag felénk közeledik vagy távolodik-e, a Doppler-effektushoz hasonlóan (relativisztikus Doppler-effektus).

Rubin kíváncsi volt rá, hogy a Doppler-hatás alapján meg tudja-e határozni a csillagok sebességét távoli galaxisokban.

Azt tapasztalta, hogy az Androméda szélén lévő csillagok is épp olyan gyorsan mozogtak, ahogy a galaxis közepén lévők. Ez azonban nem felelt meg az elméletekből következő várakozásoknak.

A következő két hónapban 200 mérést rögzített papíron. Minden más galaxis esetén is hasonló eredményt kapott. Az összes sebesség „hibás” volt. A fizika ismert törvényeinek megfelelve ezek a csillagok túl gyorsan mozogtak, jó néhányuk esetén a gravitáció nem lett volna elég, hogy a pályájukon tartsa őket, ki kellett volna repülniük az intergalaktikus térbe. Valami azonban mégis a galaxisban tartotta a csillagokat.

Rubin számára két lehetséges ok kínálkozott: vagy Isaac Newton gravitációs törvényei rosszak (ezt a tudományos világ nehezen fogadta volna el), vagy a világegyetemben van olyan extra anyag, amely a visszahúzó erőért felelős, de az akkori csillagászati eszközökkel nem kimutatható.

Rubin a második magyarázatot választotta, és a „fölös” anyagot sötét anyagnak nevezte el (mivel nem volt látható, sem kimutatható).

Számításai szerint a világegyetem 90%-ban sötét anyagból áll. Elméletét 1975-ben ismertette az American Astronomical Society találkozóján.

A tudományos világnak ennek az elméletnek az elfogadásához egy évtized kellett.Kendall Haven: 100 Greatest Science Discoveries of All Time (Unlimited Libraries, 2007)

Megfigyelések A sötét anyag jelenlétére jelenleg a következő megfigyelésekből következtethetünk: A csillagok sebességeloszlása galaxisokban (a galaxisok forgási görbéje). Törpegalaxisok megléte galaxishalmazok központi vidékén: itt a sötét anyag közreműködése nélkül már szétestek volna a nagyobb galaxisok árapályerőinek köszönhetően. A galaxisok sebességeloszlása galaxishalmazokban. A csillagközi gáz sűrűség-, hőmérséklet- és nyomáseloszlása galaxishalmazokban. A galaxishalmazok által a kozmikus háttérsugárzásra kifejtett gravitációs lencsehatás.

Alkotórészei alapján feloszthatjuk barionos és nem barionos sötét anyagra. A barionos sötét anyag lehet: Csillagközi köd: távcsövekkel a csillagközi hidrogén ködökben csak az atomos hidrogént látjuk s ennek következtében az a hallgatólagos nézet alakult ki, hogy ezek a ködök atomos hidrogénből állnak. Azonban az alacsony hőmérsékletű hidrogén sokkal stabilabb molekuláris állapotban, viszont a molekuláris hidrogén jószerével láthatatlan. Elképzelhető, hogy az eddig is ismert hidrogénfelhők tömege a mostani vélekedés többszörösét teszi ki.

Az Európai Űrügynökség (ESA) által a légkör fölé telepített IR spektroszkóppal sikerült kimutatni az atomos hidrogén mennyiségének 5-15-szörösét az NGC 891 számú, élével felénk néző galaxisban, amely mennyiség elegendő a hiányzó anyag molekuláris hidrogénként való értelmezéséhez.iopscience.iop.org: First Extragalactic Direct Detection of Large-Scale Molecular Hydrogen in the Disk of NGC 891, 1999-08-05 Kompakt objektum: fekete lyuk, fehér törpe, neutroncsillag, barna törpe és a feltételezett kvarkcsillag. LSB-k (kicsi felszíni fényességű galaxis). MACHO-k (nagy tömegű kompakt haloobjektum).

A nembarionos sötét anyag lehet: neutrínó, WIMP-ek (gyengén kölcsönható nehéz elemi részecske), Axionok (elektromos töltéssel és spinnel nem rendelkező elemi részecskék). A barionos és a nem barionos sötét anyag arányát a kozmikus háttérsugárzás fluktuációjából lehet megállapítani. Ennek alapján a sötét anyag nem barionos, és valószínűleg teljesen újfajta részecske.

Lehetséges kimutatása 2008 tavaszán olasz fizikusok bejelentették, hogy a Gran Sasso-csúcs alatti alagútban lévő DAMA projekt (Dark Matter) detektoraival valószínűleg sikerült a sötét anyag részecskéinek árama által kiváltott fizikai jelenségeket detektálni, ugyanis két független érzékelő által szolgáltatott adatokban kimutatták az 1980-as években elméletileg megjósolt éves ingadozást, amely azzal függ össze, hogy Nap körüli pályáján a Föld fél évente a Nap galaxismag körüli mozgásával egyező, fél évenként pedig azzal ellentétes irányba mozog.Detektálták a Föld mozgását a sötét anyag láthatatlan tengerében? – Hírek.csillagászat.hu ; Kovács József, 2008. május 6.

A NASA Chandra űrtávcsöve pedig 2006-ban közvetett bizonyítékot talált a sötét anyag létezésére, a Lövedék halmaz néven ismert ütköző galaxisok anyageloszlását vizsgálva.

Alternatív elmélet: a MOND

Egyes csillagászok szerint a sötét anyag nem létezik, és a neki tulajdonított jelenségekre a gravitáció nagy távolságokon eltérő viselkedése a válasz. A MOND (Modified Newtonian Dynamics, módosított newtoni dinamika) elmélete szerint a gravitációs erő nagy távolságokon nem a távolság négyzetével, hanem csak a távolsággal arányos fordítottan.Do Dwarf Galaxies Favor MOND Over Dark Matter?

Az elmélet kritikusai szerint azonban ez egyrészt nem tudja megmagyarázni a galaxishalmazok gravitációs hatása révén létrejövő optikai lencsehatást, másrészt nem ad arra magyarázatot, hogy a newtoni gravitáció szabálya miért változik meg nagy távolságban.

Jegyzetek

Források Jéki László: Sötét anyag - sötét energia - Hetedhéthatár Németh Judit, Szabados László: A sötét anyag (Fizikai Szemle) Kraus, Lawrence: The Fifth Essence: The Search for Dark Matter. New York: Basic Books, 1993 –––. The Mystery of Missing Mass in the Universe. New York: Basic Books, 2000 Rubin, Vera: Bright Galaxies, Dark Matter. New York: American Institute of Physics, 1997 St. Bartusiak, Marcia: Through a Universe Darkly. New York: Harper Collins, 1993 Tucker, Wallace: The Dark Matter. New York: Morrow Books, 1998 Yount, Lisa: Contemporary Women Scientists. New York: Facts on File, 1994

További információk

Bertone, Gianfranco.: Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches, Cambridge University Press 2010 Lazarides, George.: (auth.), Papantonopoulos Lefteris (eds.) The Invisible Universe: Dark Matter and Dark Energy, Springer 2007 Overduin, J.M.; Wesson, P.S.: Dark Sky, Dark Matter, Taylor & Francis 2002 Bahcall, John N.; Piran, Tsivi and Weinberg Steven, Dark Matter in the Universe, World Scientific Pub Co 2008 Mazure, Alain and Le Brun, Vincent.: Matter, Dark Matter, and Anti-Matter: In Search of the Hidden Universe, Springer 2012 Sanders, Robert H.: The dark matter problem: a historical perspective, Cambridge University Press, 2010 Freeman, Ken; McNamara, Geoff.: In search of dark matter, Springer, 2006 Sciama, Dennis W.: Modern Cosmology and the Dark Matter Problem, Cambridge University Press 1994 Panek, Richard.: The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality, Houghton Mifflin Harcourt 2011 physicsworld.com: Three new maps shine light on dark matter, 2012-01-11

Kapcsolódó szócikkek Világegyetem Sötét energia

Kategória:Asztrofizika Kategória:Kozmológia