αρνητικό σκοτεινό υλικό
Αρνητικό σκοτεινό υλικό (σελ. 1)
Αρνητικό σκοτεινό υλικό.
** Ζαν-Πιέρ Πιετ και Π. Μιντυ ** **Παρατηρητήριο της Μασσαλίας, Γαλλία ** ---
Περίληψη :
Μελετάμε τα φαινομενικά χαρακτηριστικά ενός συστήματος δύο πληθυσμών, του οποίου η δυναμική περιλαμβάνει τόσο ελκυστικές όσο και απωθητικές δυνάμεις. Μια νέα γεωμετρική δομή, με δύο πτυχώσεις, συνδεδεμένη με δύο εξισώσεις πεδίου, συνδεδεμένες μέσω του βαρυτικού πεδίου, επιτρέπει να παρακαμφθεί το εμπόδιο των «αρνητικών μαζών» και να γίνει έτσι σκόπιμο ένα σύστημα στο οποίο οι ενέργειες όλων των σωματιδίων είναι θετικές. Δείχνουμε ότι, σε αυτές τις συνθήκες, το υλικό του δεύτερου πληθυσμού είναι γεωμετρικά ανερχόμενο στην παρατήρηση και έτσι αποκτά την κατηγορία του αρνητικού σκοτεινού υλικού. Οι γαλαξίες θα ήταν τοποθετημένοι σε κοιλότητες μιας ομοιόμορφης κατανομής αρνητικού σκοτεινού υλικού. Αυτό προκαλεί ένα φαινόμενο περιορισμού με μια πραγματική καμπύλη περιστροφής. Δείχνουμε ότι η αρνητική βαρυτική φακοποίηση, συνδεδεμένη με το αρνητικό σκοτεινό υλικό, θα μπορούσε να εξηγήσει τα ισχυρά παρατηρούμενα φαινόμενα, προσφέροντας έτσι μια εναλλακτική στο κλασικό μοντέλο σκοτεινού υλικού. Από το νέο αυτό κοσμολογικό μοντέλο, το ηλικία του Σύμπαντος γίνεται 15,7 δισεκατομμύρια χρόνια, λόγω της αλληλεπίδρασης των δύο τύπων υλικού.
1) Εισαγωγή. ** **
...Σήμερα, δεν είναι πλέον δυνατό να εξηγηθούν οι αστρονομικές παρατηρήσεις μόνο με την παρατηρήσιμη ύλη. Γι' αυτό, ο έννοια του σκοτεινού υλικού έχει γίνει όλο και πιο διαδεδομένη. Πολλές υποθέσεις έχουν προταθεί για τη φύση αυτού του αόρατου συστατικού του Σύμπαντος, το οποίο πρέπει να συμβάλει στη δημιουργία του βαρυτικού πεδίου και έτσι να προκαλέσει το φαινόμενο της έλλειψης μάζας στους γαλαξίες και τη βαρυτική φακοποίηση. Οι Μαχος έχουν αποδειχθεί απογοητικοί. Κάποιοι χρησιμοποιούν σωματίδια των οποίων η φυσική ύπαρξη είναι ακόμα εικαστική, όπως τα μαζικά νετρίνα. Μέχρι στιγμής, καμία διατύπωση δεν έχει κερδίσει την προτίμηση, και πολλές υποθέσεις παραμένουν πιθανές για αυτό το σκοτεινό υλικό. Σε αυτό το άρθρο, προτείνουμε να μελετήσουμε τις συνέπειες μιας βαρυτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ της ύλης μας (μάζα m) και μιας ιδιαίτερης μορφής σκοτεινού υλικού, που αποτελείται από μάζες m*, έτσι ώστε:
-
m και m' έλκονται σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα
-
m* και m*' έλκονται σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα
-
m και m* απωθούνται σύμφωνα με ένα νόμο παρόμοιο με αυτόν του Νεύτωνα
Θα το ονομάσουμε m* «αρνητικό σκοτεινό υλικό».
Αυτό μπορεί να περιγραφεί απλά θεωρώντας την ακόλουθη έκφραση:
(1)
όπου οι μάζες ma και mb μπορεί να είναι θετικές ή αρνητικές. Οι φυσικοί θα μπορούσαν να αντιδράσουν αμέσως, λέγοντας ότι τα σωματίδια με αρνητικές μάζες έχουν και αρνητική ενέργεια, πράγμα που δεν έχει φυσική σημασία. Στην ενότητα 3 του άρθρου, θα προτείνουμε ένα νέο γεωμετρικό περιβάλλον που επιτρέπει την αλληλεπίδραση δύο πληθυσμών, με μάζες m και m*, και όλες θετικές, των οποίων οι ενέργειες mc² και m*c² είναι θετικές, έτσι ώστε οι δυνάμεις να ταιριάζουν με το προηγούμενο σχήμα. Το γεγονός ότι τα δύο υποσυστήματα μπορούν να αλληλεπιδράσουν μόνο μέσω της βαρύτητας θα δικαιολογηθεί γεωμετρικά.
.
2) Αρνητικό σκοτεινό υλικό περιορίζοντας τους γαλαξίες.
...Είναι γνωστό από καιρό ότι το βαρυτικό πεδίο που οφείλεται σε μια κατανομή ύλης που προκύπτει από παρατηρήσεις δεν θα μπορούσε να ισορροπήσει τις κεντροφόγκες δυνάμεις στους γαλαξίες. Η έλλειψη μάζας είναι περίπου τρεις έως πέντε φορές η παρατηρούμενη. Επιπλέον, οι καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών δείχνουν μια χαρακτηριστική ανοδική κλίση (υψηλότερες ταχύτητες στην περιφέρεια) που δεν μπορεί να εξηγηθεί με βάση την παρατηρούμενη κατανομή της ύλης. Έτσι, οι ερευνητές προσπάθησαν να αποτρέψουν την έκρηξη των γαλαξιών και να αναπαραγάγουν αυτό το χαρακτηριστικό των καμπύλων περιστροφής με την εισαγωγή τεχνητών κατανομών σκοτεινού υλικού. Ας εξετάσουμε τώρα το προτεινόμενο μοντέλο, που περιλαμβάνει τη συνηθισμένη (παρατηρούμενη) ύλη και το αντιληπτό αρνητικό σκοτεινό υλικό, και να δούμε αν αυτό το μοντέλο μπορεί να εξασφαλίσει τον περιορισμό των γαλαξιών. Πρώτα, θα θεωρήσουμε ένα γαλαξία όπου η ύλη κατανέμεται σύμφωνα με το μοντέλο των Myamoto και Nagai [1] :
(2)
...Αυτή η άξονας συμμετρική κατανομή ύλης θεωρείται ότι βρίσκεται σε μια κοιλότητα μιας ομοιόμορφης κατανομής αρνητικού σκοτεινού υλικού (Σχ.1, όπου η συνηθισμένη ύλη κατανέμεται σύμφωνα με a = 5 ; b = 1 στο (2).
** ** Σχ.1: Ο γαλαξίας περιβαλλόμενος από αρνητικό σκοτεινό υλικό. Σύστημα άξονας συμμετρικό.
...Τοποθετούμε το αρνητικό σκοτεινό υλικό γύρω από αυτό, με ένα τυχαίο κλίμακα πυκνότητας, προσαρμοσμένο σε εμπειρική βάση. Αυτή η κατανομή μάζας μπορεί να περιγραφεί με μια υπέρθεση παχιών ελλειψοειδών, φορτισμένων με πυκνότητα ύλης** *ri (μπορεί να είναι θετική ή αρνητική), i είναι ο δείκτης του μαζικού ελλειψοειδούς, με οριζόντιο άξονα ai και κατακόρυφο άξονα bi. Το πεδίο, μέσα και έξω από αυτά τα σώματα, δίνεται από αρκετά απλές αναλυτικές τύπους ([2] και [3]). Με δεδομένο ένα σύνολο τέτοιων μαζικών ελλειψοειδών, γίνεται δυνατό να υπολογιστεί το 3D πεδίο. Στο σχήμα 1, έχουμε απεικονίσει την πυκνότητα μάζας r του αρνητικού σκοτεινού υλικού με τη μεταβολή της πυκνότητας των λευκών σημείων στο χώρο. Αυτό δεν προκύπτει από αριθμητική προσομοίωση που εκτελείται με σημεία μάζας, όπως μπορεί να υποδηλώνει το εικόνα. Η κατανομή μάζας περιγράφηκε από ένα σύνολο μαζικών ελλειψοειδών, με διαφορετικά παραμέτρους (μήκη άξονα, πυκνότητα μάζας).
...Το σχήμα 2 δείχνει την αντίστοιχη επιλεγμένη κατανομή αρνητικού σκοτεινού υλικού. Το σχήμα 3 απεικονίζει το βαρυτικό πεδίο, που οφείλεται σε αυτό το αρνητικό σκοτεινό υλικό, υπολογισμένο με τη μέθοδο που περιγράφεται παραπάνω. Οι κλίμακες των σχημάτων 1 και (2-3) είναι διαφορετικές, οι τελευταίες είναι μια ζουμ. Η αντιστοιχία της κλίμακας φαίνεται. Όπως μπορούμε να δούμε, η κατανομή του αρνητικού σκοτεινού υλικού προκαλεί ένα φαινόμενο περιορισμού στον γαλαξία, τόσο στη διεύθυνση r όσο και στη διεύθυνση z. Το σχήμα 3 δείχνει την αντίστοιχη ταχύτητα περιστροφής για το αρνητικό σκοτεινό υλικό μόνο. Βλέπουμε ότι μια τέτοια κατανομή αρνητικού σκοτεινού υλικού επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες στην περιφέρεια.
Σχ. 2: Η επιλεγμένη κατανομή αρνητικού σκοτεινού υλικού: ένα σύνολο παχιών, συγκεντρικών ελλειψοειδών με πυκνότητα** *r(r) d είναι το διάμετρος του ελλειψοειδούς.
Πρωτότυπη έκδοση (αγγλικά)
repulsive dark matter
Repulsive dark matter (p1)
Repulsive dark matter.
** Jean-Pierre Petit and P.Midy** Observatory of Marseille,France ---
Abstract :
We explore the phenomenological aspects of a two population system whose dynamics implies both attractive and repelling forces. A new geometrical structure, with two folds, associated to two field equations, coupled through the gravitational field, allows to bypass the stumbling block of the "negative masses" and makes such a conceivable system, where the energies of all the particles are positive. We show that in these conditions, the matter in the second population is geometrically non-observable and therefore gets the status of repulsive dark matter. Galaxies would be housed in cavities of a homogenous distribution of repulsive dark matter. This generates a confinment effect with realistic rotation curve. We show that the negative gravitational lensing, associated with repulsive dark matter would explain the strong observed effects, which would be an alternative to the "classical" dark matter model. As derived from this new cosmological model, the age of the Universe becomes 15.7 billions years, due to the interaction of the two matters.
1) Introduction. ** **
...Nowadays trying to account for astronomical observations on the basis of observable matter only is no longer possible. That is for dark matter concept has become increasingly widespread. Various hypothesis have been proposed about the nature of this unobserved component of the Universe, which should contribute to the formation of the gravitational field and thus lead to the missing mass effect in galaxies and to gravitational lensing. Machos have turned out to be disappointing. Some people resort to particles whose physical existence is speculative, such as massive neutrinos. In so far no formulation seems to have prevailed and many hypothesis remain possible about this dark matter. In this paper we propose to investigate the consequences of a gravitational interaction between our matter (mass m) and particular dark matter, made of masses m*, such that :
-
m and m attract each other according to the Newton law
-
m* and m* attract each other according to the Newton law
-
m and m* repel each other according to a Newton-like law
We shall call m* "repulsive dark matter".
This could be summed up simply, considering that in the following expression :
(1)
where the masses ma and mb can be positive or negative. Physicists could argue immediately, saying that particles with negative masses also have negative energies, which lacks physical meaning. In the section 3 of the article we shall propose a new geometrical context which makes possible the interaction of two populations, with masses m and m*, both positive, whose energies mc2 and m*c2 are positive, in such a way that the forces fit with the former scheme. The fact that the two sub-systems may interact only through gravitation will be geometrically justified.
.
2) Repulsive dark matter confining galaxies.
...I has been known for long that the gravitational field due to a matter distribution inferred from observation would not be able to balance the centrifugal forces in galaxies. The missin mass is about three to five times the observed one. Moreover, the rotation curves of galaxies show a characteristic step (peripheral excess velocities) which cannot be accounted for starting from the observed distribution of matter. So people attempts both to prevent explosion of galaxies and to reproduce this aspect of rotation curves using ad hoc, artificially introduced distributions of dark matter. Let us now turn to the proposed model of ordinary (observed) matter and unobserved repulsive dark matter, and see whether this model can ensure the confinment of galaxies. At first, we consider a galaxy where matter is distributed according to the model of Myamoto and Nagai [1] :
(2)
...This axisymmetrical matter distribution is supposed to be located in a hole of a uniform repulsive dark matter distribution (Fig.1, in which ordinary matter is distributed according to a = 5 ; b = 1 in (2).
** ** Fig.1 : The galaxy surrounded by repulsive dark matter. An axisymmetrical system.
...We arrange repulsive dark matter around it, with an ad hoc density gradient, shaped on empirical grounds. This mass distribution can be described through a superposition of thick ellipsoids, charged by matter density** *ri (which could be positive or negative), i being the index of the massive ellipsoid, with horizontal axis ai and vertical axis bi. The field, inside and outside such bodies, is given by quite simple analytical formulas ([2] and [3]). Given a set of such massive ellipsoids it becomes possible to compute the 3d field. On figure 1 we have figured the mass-density r of repulsive dark matter by the variation of the density of white points in space. This does no result from numerical simulation, performed with mass points, as the image might suggest. The mass distribution was described by a set of massive ellipsoïds, with various parameters (lenghts of axis, mass-density).
...Figure 2 shows the corresponding chosen axisymmetric repulsive dark matter distribution. Figure 3 represents the gravitational field, due to this repulsive dark matter, computed by the method described above. The two scales of figures 1 and (2-3) are different, the last ones being a zoom. The scale correspondance is indicated. As we can see, the repulsive dark matter distribution produces a confinment effect on the galaxy, both in the r and z-directions. Figure 3 shows the corresponding rotation velocity for repulsive dark matter alone. We see that such a repulsive dark matter distribution allows large peripheric velocities.
Fig. 2 : The chosen repulsive dark matter distribution : a set of thick, concentric flat ellispsoids with density** *r(r) d being the diameter of the ellipsoid.