Зачем нужна тёмная материя и можно ли обойтись без неё?
На удивление притягательная сила
По идее, гравитация должна быть силой предсказуемой. Мы с ней хорошо знакомы, благодаря ей мы твёрдо стоим на Земле, а наша атмосфера не улетает в космос. Если же взять более крупные масштабы, то эта сила повлияла на эволюцию самой Вселенной. Как же обидно, что иногда гравитация нас подводит. Дабы объяснить спиралевидное вращение галактик и скоплений галактик гравитацией в том виде, в котором мы её понимаем, нам нужно придумать совершенно новую форму материи, которую никто никогда не наблюдал воочию — тёмную материю. Чтобы объяснить ускорение расширения Вселенной, нам нужно выдумать настолько же загадочную сущность — тёмную энергию.
Но что если мы никогда до конца не понимали гравитацию? Что если где-то вне нашего поля зрения гравитация играет не по правилам?
Думать так — практически ересь, хотя такие идеи и не новы. Однако в последнее время свежие исследования галактик и неожиданные результаты из области квантовой информатики с новой силой подталкивают нас к тому, чтобы переосмыслить наше понимание гравитации. Появляются новые радикальные идеи, в которых наши представления о пространстве-времени и сущности гравитации основательно преобразовываются. В новой картине мира нет места тёмной материи, а тёмная энергия, вместо того, чтобы противостоять гравитации, может отчасти её порождать.
Практически всё, что мы знаем о гравитации, дали нам Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн. Ньютон объяснил нам, что сила притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а Эйнштейн — что гравитация появляется в результате искривления пространства-времени массивными объектами.
Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что на звёзды, более удалённые от центра галактики, сила тяготения действует слабее, чем на звёзды, расположенные ближе к центру галактики, поэтому скорость движения первых ниже. Однако в 1970-х годах астрономы, в их числе была Вера Рубин [Vera Rubin], заметили, что скорость звёзд, удалённых от центра галактик, уменьшалась не так, как предсказывалось. Вместо этого скорость выравнивалась, что можно было объяснить только присутствием какой-то невидимой материи, окружавшей галактики и создававшей дополнительное притяжение. С тех пор мы безуспешно пытаемся найти эту материю.
Игра не по правилам
В поисках, правда, участвовали далеко не все. В 1980-х годах Мордехай Милгром [Mordehai Milgrom], тогда работавший в университете Принстона, показал, что можно объяснить странности в скорости вращения галактик без участия тёмной материи. Для этого надо только отбросить идею того, что с увеличением расстояний гравитация всегда ведёт себя так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн. Теория Милгрома, известная как MOND (модифицированная ньютоновская динамика), предполагает, что сила притяжения ослабевает плавнее, чем утверждал Ньютон. Как только ускорение объекта, вызванное гравитацией, падает ниже определённого значения, а точнее становится в 82 миллиарда раз слабее, чем ускорение свободного падения на Земле, гравитация вдруг переключается в новый режим.
Милгром достиг определённых успехов, применяя свою теорию к спиралевидным галактикам, но MOND так и не получила распространения. Для начала, с её помощью нельзя было просчитывать скопления галактик, которые не могли бы формировать собственно скопления без участия тёмной материи или без внесения более радикальных изменений в теорию гравитации помимо тех, что допускала MOND. Плюс предлагаемые этой теорией изменения казались слишком случайными. С чего бы вдруг силе притяжения меняться в этой, казалось бы, произвольной точке?
И, однако же, MOND до сих пор остаётся на плаву и в неменьшей степени из-за того, что тёмная материя так и не была обнаружена. «Существуют две возможности, — говорит Джон Моффат [John Moffat] из Института теоретической физики Perimeter в Уотерлу, Канада, — либо мы найдём невидимый источник дополнительного притяжения и убедимся, что Ньютон и Эйнштейн были правы, либо мы не найдём ничего. В этом случае нам нужно будет дорабатывать гравитацию».
В прошлом году, возможно, наконец-то, настал переломный момент. Стейси МакГо [Stacy McGaugh], астроном из университета Case Western Reserve в Кливленде, штат Огайо, и его коллеги заново взглянули на более чем 150 спиральных галактик скожих с нашей галактикой Млечный Путь. Когда они сравнили расчётную силу притяжения со скоростью вращения диска галактик, они обнаружили, что ближе к краю диска звёзды вращаются с аномально высокими скоростями.
И что из этого? Ведь именно такое поведение мы уже неоднократно наблюдали и ранее, а объяснить его можно, окутав галактику облаком тёмной материи. Однако при статистической оценке МакГо использовал перекрёстный контроль. Он взял всю видимую материю во всех галактиках и сравнил силу притяжения этой материи в каждой точке со скоростью вращения близлежащих звёзд. В результате он получил на удивление тесную взаимосвязь между скоростью вращения галактик и распределением видимой материи, которую они содержат.
Ли Смолин [Lee Smolin], теоретик из института Perimeter в Канаде, был поражён. Такая взаимосвязь «равносильна закону природы», — говорит он. Такого не ожидаешь увидеть, если на галактики оказывает влияние что-то кроме видимой материи.
Ещё более удивителен тот факт, что эта тесная взаимосвязь между видимой материей и движением звёзд сохраняется в широком ряду разных галактик, даже при том, что тёмная материя в них распределена по-разному. Тёмная материя не должна безропотно следовать за обычным веществом. Поэтому либо она взаимодествует с обычной материей или самой собой сильнее, чем то предсказывает простая модель, либо что-то не так с гравитацией.
Работа МакГо не единственная причина, заставившая нас снова поднять этот еретический вопрос. Одна из самых больших проблем для MOND это поведение скоплений галактик. Как и звёзды на краю галактик, галактики на краю скоплений тоже движутся слишком быстро — факт, который объясняется с помощью тёмной материи. Наблюдение эффекта гравитационного линзирования (небольшое искривление света гравитационным полем массивных объектов) предполагает, что дополнительная сила, придающая скорость галактикам, находится не там, где видимая материя. Просто невозможно объяснить поведение скоплений галактик без участия невидимой материи, по крайне мере так считается.
Самый известный пример — скопление Пуля (Bullet CLuster 1E 0657-558, заглавное изображение), названное так за схожесть с замедленным изображением пули, разрывающей на части мишень. Для многих охотников за тёмной материей это лучшее доказательство того, что охотятся они на этого зверя не зря, и он существует. Но Павел Крупа [Pavel Kroupa] из Боннского университета в Германии утверждает обратное — это высокоскоростное межгалактическое столкновение можно объяснить только теорией MOND.
«Сравнение с образом пули, попадающей в мишень, это конечно же шутка для широких масс», — говорит он. Крупа утверждает, что в реалистичных временных рамках стандартная гравитация слишком слабая сила, чтобы вызывать такие горячие и неистовые столкновения галактик, как мы наблюдаем в скоплении Пуля. Тёмная материя на начальных этапах столкновения способна придать ему ту высокую скорость, что мы наблюдаем, но всем последующим взаимодействиям она уже будет мешать. «Гало тёмной материи напоминает паутину», — говорит Крупа. «Оно захватывает любую попавшуюся на его пути галактику». Поэтому пару столкнувшихся галактик, которые продолжают двигаться на больших скоростях даже после столкновения, очень трудно объяснить. «Это большая, большая проблема для стандартной модели космологии», — говорит Крупа. «Но с модифицированной гравитацией… такой проблемы не существует».
Суть MOND в том, что на галактических и межгалактических расстояниях, где мы не можем напрямую измерить силу гравитации, она сильнее, чем мы думали. И именно это, а не какая-то невидимая материя, будет самым простым объяснением того, почему материя в таких масштабах движется быстрее и сталкивается сильнее, чем то предсказывают Ньютон и Эйнштейн.
Это не значит, что у теории MOND нет определённых проблем, когда речь заходит о взаимодествии внутри скоплений галактик. В скоплении Пуля с помощью телескопов мы выявили два выраженных места, где гравитационное линзирование проявляется сильнее, а значит там более высокая концентрация массы, которая не совпадает с количеством наблюдаемой нами в этих же местах обычной материи.
Милгром настаивает, что эта проблема не такая страшная угроза для его модели, как считают многие. «Достаточно всего лишь небольшого количества неучтённой массы, которая может оказаться самой обычной материей, например, погибшими звёздами или облаками холодного газа, которые мы ещё не обнаружили», — говорит он.
Но пока наблюдениями это не подтверждено, другие учёные ищут теоретические решения этой проблемы. Одно такое решение представляет собой гибридную модель, в которой тёмная материя ведёт себя как оборотень — она беспрепятственно проходит через галактики, создавая дополнительную силу притяжения, согласующуюся с теорией MOND, но в скоплениях галактик она ведёт себя как обычная тёмная материя.
Ещё один вариант, который неожиданно снова вошёл в моду — модифицировать MOND. Именно этим и занимается Моффат. В его понимании сила притяжения изменяется после добавления силы отталкивания, которая в свою очередь зависит от расстояния, из-за чего на небольших расстояниях сила притяжения подчиняется закону обратных квадратов Ньютона, но на окраинах галактики она слабеет. В такой картине мира гравитация сильнее, чем считал Ньютон, и ведёт себя она так, как предсказывает MOND.
Моффат утверждает, что его теория может объяснить вращение галактик и аномальные скорости в скоплении Пуля. Но главной особенностью его теории является то, что вблизи чёрных дыр силы притяжения сильнее, чем предсказывает даже MOND, что, возможно, даст нам шанс проверить эту теорию.
Если бы мы могли посмотреть на чёрную дыру, мы бы увидели чёрный диск, окружённый тенью, вызванной чрезвычайно сильным гравитационным линзированием. В 2015 году Моффат подсчитал, что согласно его теории тень вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути будет в 10 раз больше, чем предсказывает ОТО. И тут на сцену выходит Event Horizon
Telescope (EHT) — глобальная сеть радиотелескопов, запуск которой намечен на апрель этого года, впервые способная получить подробные изображения чёрных дыр. По крайней мере теоретически мы сможем наблюдать эту раздутую тень, если, конечно, она вообще там есть.
Однако что бы мы не выбрали, традиционную теорию MOND или модифицированную гравитацию Моффата, существует огромная проблема, на которую нельзя закрыть глаза — вопиющее отсутствие основополагающей теории. С чего вдруг гравитации отклоняться от того курса, который проложили для неё Ньютон и Эйнштейн, да ещё и, казалось бы, в случайной точке? Ответ на этот вопрос можно получить, если радикальным образом пересмотреть наше понимание сущности гравитации.
В прошлом году Эрик Ферлинде [Erik Verlinde] из Университета Амстердама в Нидерландах предложил свежую точку зрения по этому вопросу. Гравитация, как считает он, возникает не сама по себе, а в результате взаимодействий между запутанными битами квантовой информации.
Запутанность — это глубокая и одновременно глубоко парадоксальная связь между парами или группами частиц, когда воздействие на одну частицу вызывает реакцию у других, даже если их разделяют большие расстояния. Физики уже с конца 1990-х годов научились получать Ньютоновскую и Эйнштейновскую гравитацию с помощью сетей запутанных квантовых битов. Проблема в том, что работает это только в теоретической вселенной известной как Пространство анти-де Ситтера, которая ведёт себя не так, как вселенная, где мы живём.
Ключевая разница заключается в том, что в нашей вселенной вакуум не такой спокойный и неподвижный. Он бурлит тёмной энергией, таинственным веществом или силой, которая, как считается, ответственна за ускорение расширения пространства-времени.
Вместо того, чтобы пытаться решить эту проблему, Ферлинде взглянул на то, как гравитация, вызванная взаимодействием между запутанными битами квантовой информации, ведёт себя во вселенной, где есть тёмная энергия. В результате он получил новую картину гравитации, в которой тёмная энергия придаёт запутанности квантовых битов что-то вроде дополнительной эластичности.
«Получается так, как будто тёмная энергия это эластичная среда, — говорит Ферлинде, — и если внести туда массу, она деформирует эту среду». Дополнительная эластичность, добавляет он, создаваемая тёмной энергией, подпитывает силу притяжения на больших расстояниях, что в итоге приводит к появлению дополнительных эффектов на расстоянии, которые напоминают теорию Милгрома MOND.
Идеи Ферлинде произвели большое впечатление, но пока непонятно насколько они вообще связны. «Он начинает с тёмной энергии, и говорит, что это ведёт к чему-то, что напоминает тёмную материю», — говорит Сабина Хоссенфельдер [Sabine Hossenfelder] из Франкфуртского института передовых исследований в Германии. «Он всеми силами старается увязать свои гипотезы с большим предположением, которое в последнии годы набрало большую популярность, о том, что пространство-время возникает из запутанности. Но я не уверена, что в этом есть необходимость».
В одном из недавних исследований было обнаружено, что если принять точку зрения Ферлинде на гравитацию, то можно объяснить аномалии в гравитационном линзировании наблюдаемом вблизи около 30 000 галактик. Но его теория подверглась критике за то, что она делает предсказания, которые фактически расходятся с MOND. В одной научной работе в со-авторстве с МакГо, например, говорится, что теория Ферлинде расходится с MOND в главном — объяснение аномального вращения галактик. Помимо этого его теория предсказывает движение планет, которое мы фактически не наблюдаем в нашей Солнечной системе.
Смолин со своей стороны предложил более скромную попытку вывести MOND-физику из принципов квантовой гравитации, и, в отличие от теории Ферлинде, его результаты не расходятся с теорией MOND. Никто из них не заявляет, что он получил полную теорию квантовой гравитации. Но одно становится ясно — на вопрос, почему гравитация ведёт себя так странно на больших расстояниях, теоретики начали получать ответы.
«Мы не знаем, куда заведёт нас окончательная теория, потому что мы её ещё не вывели», — говорит МакГо. «Поэтому перед тем как продвинуться вперёд, нам никуда не деться от поры разброда и шатаний».
masterok
masterok Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Распределение масс во Вселенной
Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского. В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Давайте узнаем про все это подробнее …
Темная материя и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Однако это еще не все.
Как известно, Вселенная состоит из нескольких миллиардов галактик, где существует самая разная материя. Возможно ли, чтобы какая-то из этих материй была невидима глазу. Скорее всего, поскольку результаты недавно проведенных исследований показали, что мы можем видеть лишь десятую часть Вселенной. Значит, более 90% материи человек просто не способен рассмотреть даже с использованием специального оборудования. Астрономы называют такую материю темной.
Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
Доказательством существования темной материи является ее тяжесть – сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной. Все части Вселенной взаимно притягиваются друг к другу. Благодаря этому ученые смогли рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов был выявлен существенный дисбаланс в этих параметрах, что дало основание полагать, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.
Изучение темной материиКроме того, доказательством существования темной материи стало ее гравитационное влияние на другие объекты, в том числе на траекторию движения звезд и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации А. Эйнштйна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.
Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Было исследован феномен гравитационного линзирования, который состоит в том, что плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, меняя траекторию световых потоков. Это приводит к искажению изображения и возникновению миражей звезд и галактик. Ученые фиксируют эти световые изгибы, но не могут назвать природу этого явления.
Темная материя в нашей Вселенной может существовать в виде массивных астрономический гало-объектов (МАГО). К ним относятся планеты, луны, коричневые и белые карлики, пылевые облака, нейтронные звезды и черные дыры. Как правило, они слишком малы, чтобы их свет был обнаружен человеком, однако их существование может быть вычислено через гравитационное воздействие на световые потоки. В последние годы астрономы обнаружили несколько типов МАГО-объектов. Они могут состоять как из обычных барионных частиц, так и аксинов, нейтринов, вимпилов и суперсимметричной темной материи.
Исследование темной материи и темной энергии
Поскольку интерес к темной материи продолжает расти, появляются новые инструменты, помогающие в получении более обширных представлений об этом таинственном феномене. Так, космический телескоп Хаббл предоставил весьма ценную информацию о размере и массе видимой Вселенной. Эти данные стали первым и очень важным шагом на пути к изучению истинного количество темной материи во Вселенной.
Важно понимать, что устройство Вселенной не является случайным, и с помощью Хаббла можно детально представить ее структуру. Доподлинно известно, что галактики располагаются в кластерах, а эти кластеры — в суперкластерах. Сверхскопления космических тел находятся в губчатой структуре с обширными пустотами. Очевидно, формирование такой структуры обусловлено весьма конкретными причинами. Рентгеновские телескопы, которые имеются в обсерватории Чандра, помогают в изучении огромных облаков горячего газа в этих скоплениях. Ученые выяснили, что в этих областях должна присутствовать и темная материя, иначе газ будет утекать из кластера. Кроме того, в данный момент ведется разработка новых инструментов, которые, в конце концов, помогут разглядеть эту темную сторону Вселенной.
Подходы и методы исследования частиц темной материи
На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.
Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.
Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.
Субстанция, обладающая антигравитацией
Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.
Кандидаты на роль «Темной энергии»
Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.
Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.
