Вечный свет черной материи. Самый вероятный вариант
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
Из чего состоит Вселенная
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
Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.
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.
А вот еще посмотрите на процесс дырой или например вот на такой на фоне
Что было первым: яйцо или курица? Над этим простым вопросом учёные всего мира бьются не один десяток лет. Аналогичный вопрос возникает о том, что было в самом начале, в момент сотворения Вселенной. А было ли оно, это сотворение, либо Вселенные цикличны или бесконечны? Что такое черная материя в космосе и чем она отличается от белой? Отбрасывая в сторону различного рода религии, попробуем подойти к ответам на эти вопросы с научной точки зрения. За прошедшие несколько лет учёным удалось совершить невероятное. Наверно, впервые в истории выкладки физиков-теоретиков сошлись с выкладками физиков-экспериментаторов. Научному сообществу за эти годы было представлено несколько различных теорий. Более или менее точно, эмпирическими путями, порою квазинаучно, однако теоретические расчетные данные были-таки подтверждены экспериментами, некоторые даже с задержкой на не один десяток лет (бозон Хиггса, например).
- черная энергия
Таких теорий много, например: Большого взрыва (Big Bang), теория цикличных Вселенных, теория параллельных Вселенных, Модифицированная Ньютоновская динамика (MOND), теория стационарной Вселенной Ф. Хойла и другие. Однако в настоящее время общепринятой считается теория постоянно расширяющейся и эволюционирующей Вселенной, тезисы которой вполне укладываются в рамках концепции Большого взрыва. При этом квазиэмпирически (т. е. опытным путём, но с большими допусками и основываясь на существующих современных теориях строения микромира) были получены данные о том, что все известные нам микрочастицы составляют лишь 4,02 % от общего объёма всего состава Вселенной. Это так называемый "барионный коктейль", либо барионная материя. Однако основная часть нашей Вселенной (более 95%) - это вещества иного плана, иного состава и свойств. Это так называемая черная материя и черная энергия. Они ведут себя иначе: по-другому реагируют на различного рода реакции, не фиксируются существующими техническими средствами, проявляют не изученные ранее свойства. Из этого можно сделать вывод, что либо эти вещества подчиняются другим законам физики (Неньютонова физика, словесный аналог Неевклидовой геометрии), либо наш уровень развития науки и техники находится лишь на начальном этапе её становления.
Что такое барионы?
Согласно существующей в настоящее время кварк-глюонной модели сильных взаимодействий, элементарных частиц всего шестнадцать (и недавнее открытие бозона Хиггса это подтверждает): шесть типов (флэйворов) кварков, восемь глюонов и два бозона. Барионы - это тяжелые элементарные частицы с сильным взаимодействием. Самые известные из них - это кварки, протон и нейтрон. Семейства таких веществ, различающиеся по спину, массам, их "цвету", а также числам "очарованности", "странности", как раз и являются кирпичиками того, что мы называем барионная материя. Черная (тёмная) материя, составляющая 21,8 % от общего состава Вселенной, состоит из иных частиц, не испускающих электромагнитного излучения и никак с ним не реагирующих. Поэтому для прямого наблюдения как минимум, а уже тем более для регистрации таких веществ необходимо для начала понять их физику и согласовать законы, которым они подчиняются. Многие современные учёные в настоящее время занимаются этим делом в научно-исследовательских институтах разных стран.
Самый вероятный вариант
Какие же вещества рассматриваются в качестве возможных? Для начала следует отметить, что существует всего два возможных варианта. Согласно ОТО и СТО (Общей и Специальной теории относительности), по составу этим веществом может являться как барионная, так и небарионная тёмная материя (черная). Согласно основной теории Большого взрыва, любая существующая материя представлена в виде барионов. Этот тезис доказан с предельно высокой точностью. В настоящее время учёные научились фиксировать частицы, образовавшиеся через минуту после разрыва сингулярности, то есть после взрыва сверхплотного состояния вещества, с массой тела, стремящейся к бесконечности, и размерами тела, стремящимися к нулю. Сценарий с барионными частицами наиболее вероятен, так как именно из них состоит и посредством них продолжает своё расширение наша Вселенная. Черная материя, согласно этому предположению, состоит из основных, общепринятых Ньютоновской физикой частиц, но по каким-то причинам слабовзаимодействующих электромагнитным образом. Именно поэтому детекторы их не фиксируют.
Не всё так гладко
Такой сценарий устраивает многих учёных, однако всё же остаётся больше вопросов, чем ответов. Если и черная, и белая материя представлена только барионами, то концентрация лёгких барионов в процентном соотношении к тяжелым, в результате первичного нуклеосинтеза, должна быть иной в исходных астрономических объектах Вселенной. Да и экспериментально не выявлено наличие в нашей галактике равновесно достаточного количества крупных объектов гравитации, таких как черные дыры или нейтронные звёзды, для уравновешивания массы гало нашего Млечного Пути. Однако те же самые нейтронные звёзды, тёмные галактические гало, черные черные и (звёзды в разных стадиях своего жизненного цикла), вероятнее всего, входят в состав тёмного вещества, из которого состоит тёмная материя. Черная энергия также может дополнять их начинку, в том числе и в предсказанных гипотетических объектах, таких как преонные, кварковые и Q-звёзды.
Небарионные кандидаты
Второй сценарий подразумевает собой небарионное начало. Здесь в качестве кандидатов могут выступать несколько видов частиц. Например, лёгкие нейтрино, существование которых уже доказано учёными. Однако их масса, порядка от одной сотой до одной десятитысячной эВ (электрон-Вольт), практически исключает их из возможных частиц из-за недостижимости необходимой критической плотности. А вот тяжелые нейтрино, парные тяжёлым лептонам, практически не проявляют себя в в обычных условиях. Такие нейтрино называют стерильными, они со своей максимальной массой до одной десятой эВ с большей вероятностью подходят в качестве кандидатов частиц тёмной материи. Аксионы и космионы были искусственно введены в физические уравнения для решения проблем в квантовой хромодинамике и в стандартной модели. Вместе с другой стабильной суперсимметричной частицей (SUSY-LSP) они вполне могут претендовать в кандидаты, так как не принимают участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. Однако, в отличие от нейтрино, они всё же гипотетические, их существование ещё необходимо доказать.
Теория черной материи
Недостаток массы во Вселенной порождает на этот счет разные теории, некоторые из которых вполне состоятельны. Например, теория о том, что обычная гравитация не способна объяснить странное и непомерно быстрое вращение звёзд в спиральных галактиках. При таких скоростях они бы просто вылетели за её пределы, если бы не некая удерживающая сила, зарегистрировать которую пока не представляется возможным. Другие тезисы теорий объясняют невозможность получения вимпов (массивные электрослабовзаимодействующие частицы-партнеры элементарных субчастиц, суперсимметричные и сверхтяжелые - то есть идеальные кандидаты) в земных условиях, так они живут в n-измерении, отличном в большую сторону от нашего, трёхмерного. По теории Калуцы-Клейна такие измерения для нас недоступны.
Изменчивые звёзды
Другая теория описывает, как переменные звезды и черная материя взаимодействуют между собой. Блеск такой звезды может меняться не только благодаря метафизическим процессам, происходящим внутри (пульсация, хромосферная активность, выброс протуберанцев, перетекание и затмения в двойных звёздных системах, взрыв сверхновой), но и благодаря аномальным свойствам тёмного вещества.
ВАРП-двигатель
По одной из теорий, тёмная материя может использоваться в качестве топлива для субпространственных двигателей космических кораблей, работающих по гипотетической ВАРП-технологии (WARP Engine). Потенциально такие двигатели позволяют кораблю двигаться со скоростями, превышающими скорость света. Теоретически они способны искривлять пространство до и позади корабля и перемещать его в нём даже быстрее, чем электромагнитная волна разгоняется в вакууме. Сам корабль локально не ускоряется - искривляется лишь пространственное поле перед ним. Во многих фантастических рассказах применяется такая технология, например в саге Star Trek.
Выработка в земных условиях
Попытки сгенерировать и получить черную материю на земле всё ещё не привели к успеху. В настоящее время проводятся опыты на БАКе (Большом Андронном Коллайдере), именно там, где впервые зафиксировали бозон Хиггса, а также на других, менее мощных, в том числе и линейных коллайдерах в поисках стабильных, но электромагнитно слабовзаимодействующих партнёров элементарных частиц. Однако ни фотино, ни гравитино, ни хигсино, ни снейтрино (нейтралино), а также другие вимпы (WIMP) ещё не получены. По предварительной осторожной оценке учёных, для получения одного миллиграмма тёмной материи в земных условиях необходим эквивалент энергии, потребляемой в США в течение года.
>Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.
Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?
В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.
Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.
Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.
Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17
Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.
Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.
Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.
Невидимая темная материя и темная энергия
Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия - это нечто реальное?
Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.
Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.
Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.
Темная материя
Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:
Если говорить о материи, то темная безусловно лидирует по процентному соотношению. Но в целом она занимает лишь четверть всего. Вселенная же изобилует темной энергией .
С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. Исследователи полагали, что в итоге начальная энергия закончится и она замедлит свой ход. Но далекие сверхновые демонстрируют, что пространство не останавливается, а набирает скорость. Все это возможно только в том случае, если количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.
Темная материя и темная энергия: разъяснения загадки
Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.
Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.
Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.
На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении
Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.
Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.
Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.
Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.
Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:
- Большой адронный коллайдер.
- инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
- эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
- косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.
Методы поиска темной материи
Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:
Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии
Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.
Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.
Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).
Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.
Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.
Расширяющаяся Вселенная и темная энергия
Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.
Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.
Время в мире течет по-разному: в мощном гравитационном поле оно идет медленнее, вдали от крупных объектов, быстрее. Оно может менять не только скорость своего движения, но и его направление.
Давайте представим себе черную дыру (коллапсар) только с обратным течением времени. Назовем ее белая дыра. Возможно, она являет собой полную противоположность черной. Попробуем привести немного фактов:
- черные дыры своей мощной гравитацией собирают вокруг себя в космосе всю материю, в то время как белые теоретически должны отталкивать ее от себя.
- если из горизонта событий коллапсара невозможно выйти— то войти за горизонт событий белой также невозможно.
- коллапсар поглощает вещество, и тем самым выделяет энергию —в то время как былая дыра выделяет вещество и поглощает энергию и т.д.
Во вселенной существование коллапсар— уже давно не открытие. А вот образование вселенной белых дыр так и осталось гипотетическими рассуждениями.
Однако группа израильских ученых утверждает, что они смогли зафиксировать на фото белую дыру в виде вспышки. Характеристики вспышки гипотетической белой дыры отличаются от прежде известных различных вспышек звезд. Ученые считают, что мгновенный распад белой дыры похож на Большой взрыв, но во много раз меньше. Такому взрыву было присвоено название Малый взрыв. Он характерен тем, что когда происходит, из неоткуда появляется множество энергии и материи. Он как бы выбрасывает все, что было накоплено внутри.
Изучая эти особенности, можно констатировать, что загадки существования белых дыр, могут быть только до тех пор, пока какие-то конкретные объекты не обнаружат космонавты. Также стоит отметить, что белая дыра сможет быть реальностью только в том случае, пока в ее рамках не будет ни одной из частиц материи. Поскольку, если хотя бы одна альфа-частица попадет в нее, то белая дыра мгновенно же разрушится.
Конечно же, как в любой гипотетической теории здесь тоже есть люди, которые на 100% уверены в существовании белых дыр. В университете Aix-MarseilleUniversity во Франции есть группа ученых, которые упорно пытаются объяснить человечеству, что в теории черных и белых областей пространства-времени уже давно лежит физика, в которой есть теория петель квантовой гравитации.
Связь черных и белых дыр
Существует теория, что белые и черные дыры связаны между собой определенным тоннелем.
Вещество, попавшее за горизонт событий коллапсара, выходит из горизонта событий белой дыры. Между входом и выходом могут находиться не только огромные расстояния в миллиарды световых лет, которые вы преодолеете за мгновение, но и большое количество времени. Это дает возможность путешествовать в нем! Однако не каждый коллапсар будет связан с белой дырой.
Существует еще одна похожая теория, которая предполагает не только путешествие между отдельными частями Вселенной, но и путешествие между самими вселенными.
Из одной вселенной в другую попасть обычными путями даже теоретически невозможно, т.к. они находятся в разных пространствах. Единственный способ попасть из одной вселенной в другую — пространственно-временной тоннель, состоящий из белых и черных дыр.
Если человеку удастся обуздать и воссоздать природу пространственно-временных тоннелей, или, попросту говоря, червоточин, то появится возможность перемещаться на огромные расстояния и путешествовать во времени.
Еще одним вариантом ученых является теория о склеенных дырах. То есть, белые дыры могут быть приклеены к черным. В данном случае, теория получила название кротовой норы. Именно под таким названием о ней очень часто вспоминают в научно-фантастических рассказах. Но, как и у остальных теорий, есть несостыковка. Если материя попадет в эту кротовую нору, то в результате мы получим ее крах, поскольку будет закрыт проход между областями пространства-времени.
Еще одна часть ученых утверждают, что поскольку коллапсары могут быть не только черными, но и белыми, то возникает возможность того, что если мы попадем в черную дыру, мы потеряем сингулярность, и попадем в другую Вселенную. В свою очередь эта черная дыра является белой, но уже в какой-то иной вселенной. Все эти Вселенные абсолютно разного характера. Из этого можно сделать вывод, что если одно тело упадет в черную дыру, то уже никогда не вернется в прежнюю Вселенную.
Подняв все эти теории и размышления, может возникнуть очевидный логичный вопрос: почему о таких явлениях заговорили не так давно, хотя факты, подтверждающие существования разных дыр, были известны тысячи лет назад? Это могло возникнуть из-за того, что современные ученые используют в своих расчетах сложные математические вычисления, которые намного сложнее, чем обычная топология, которую использовали раньше.
Исследования существования белых дыр
Также есть сведения о том, что ученые из США с помощью радиотелескопа VLA обнаружили огромную пустоту, в середине которой нет ничего из известных астрономам веществ или материй. Также известно, что эта область пространства-времени гораздо большего размера, чем те, которые находили до этого и которые известны в космическом пространстве.
Кроме этого, было обнаружено пятно недалеко от созвездия Эридана, в котором на 45% меньше энергии, чем должно быть. Выявлено еще и то, что после Большого взрыва, температура там стала гораздо меньше средней на миллионные доли градуса. Эти явления никак не могут оставить ученых в покое, поскольку однозначного объяснения им не было, а без внятного доказательства они остаются чем-то необъяснимым.
Если уже давно доказано, что вокруг коллапсар существует гравитационное поле, с помощью которого их и обнаруживают, то с белыми дырами так не происходит. Есть предположения по поводу существования галактического кластера, который смог выкачать гравитационное поле из них.
Поскольку белые дыры называют вспышками, то некоторые ученые делят их на долгие, длительные и короткие. Длительными считаются те, которые более двух секунд, а вот короткие — это те, продолжительность которых была меньше двух секунд. Также встречаются вспышки, которые по своим параметрам могут не попадать ни под одну из категорий, и именно таким уделяется гораздо больше внимания. Ведь изучение всего нестандартного всегда делает открытие более значимым.
Специалисты считают, что долгие гамма-вспышки зачастую возникают как следствие коллапса огромных звезд, которые потом превращаются в черные дыры. В то время как короткие гамма-вспышки — это следствие соединения нейтронных звезд, которое приводит к созданию нового коллапсара.
Стоит упомянуть здесь и решение Шварцшильда, в котором речь идет о белых и черных дырах. Мировое научное сообщество считает, что белых Шварцшильдовских дыр не существует. А вот в решении Керра говорится о том, что белая дыра — это образование, которое получилось из совмещения двух коллапсаров.
Вспомнив о теории квантовой гравитации — черные дыры могут превращаться в белые с течением времени.
Сегодня, в основном, мы с вами поговорили о приверженцах теории существования белых дыр, но не стоит забывать и о скептиках, ведь как показывает практика, именно благодаря им доказывается большинство теорий.
Так, многие считают, что во Вселенной совсем нет связи между черными и белыми дырами. Ученые так думают, поскольку если бы любое попавшее в коллапсар вещество вышло затем где-то в другом месте, то коллапсар моментально бы исчез, так как вещество вылетело бы уже с белой дыры (учитывая противоположное направление времени в них).
В любом случае, пока с точки зрения математики белые дыры являются чем-то необычным, а соответственно не изученным в совершенстве. Но как показывает нам история, все необычное в математической сфере довольно редко воплощается в реальной жизни.
Множество загадок до сих пор не разгадано даже учеными, которые постоянно занимаются исследованиями в этой сфере.
В заключение могу сказать одно: каждый человек сам решает, во что ему верить, а во что нет. Поэтому читайте, изучайте, исследуйте, верьте, анализируйте и разрушайте созданные реальностью стереотипы.
Стандартная модель, описывающая фундаментальные взаимодействия (электромагнитное, слабое и сильное) известных нам элементарных частиц (лептонов, кварков и бозонов), — отлично подтвержденная экспериментом теория. Однако она описывает лишь около 5% существующего вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Мы знаем только то, что эти 95%, получившие название скрытой массы или «темной материи», принимают участие в гравитационном взаимодействии с обычной материей.
Но не идем ли мы на поводу у самого названия? Может быть, никакой темной материи нет, а просто теория гравитации не работает на таких масштабах? А если она есть, в каких частицах скрывается? И как искать «то, не знаю что»? Для этого современная наука использует принцип, сформулированный Шерлоком Холмсом: «Отбросьте всё невозможное, а то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни оказался». Явление скрытой массы может объясняться огромным количеством вероятных и невероятных, вписывающихся в современную теорию и противоречащих ей гипотез. Однако судьи, отсеивающие все невозможные варианты, — это наблюдение и эксперимент.
Частицы-кандидаты темной материи. В настоящее время многие гипотезы темной материи (тусклые массивные объекты, модифицированная теория гравитации) отвергнуты наблюдениями, и главными кандидатами являются слабо взаимодействующие частицы.
Загадка «скрытой массы»
В 1933 году американский астроном Фриц Цвикки исследовал скопление галактик Волосы Вероники. Цвикки выполнил оценку его массы, подсчитав примерное количество галактик в скоплении и количество звезд в галактике, и получил значение, составляющее примерно 10 13 масс Солнца. Он также решил проверить эту оценку другим способом, измерив скорости галактик: чем выше скорость, тем больше гравитационная сила, действующая на галактику, и тем больше общая масса скопления. Масса, рассчитанная Цвикки этим методом, оказалась равной 5х10 14 масс Солнца, то есть в 50 раз больше. Подобное расхождение на тот момент не было воспринято слишком серьезно, поскольку у астрономов было очень мало информации о межзвездной пыли, газе, карликовых звездах. Тогда считалось, что эта дополнительная масса может скрываться именно в них.
Гипотеза 1: межзвездная пыль и газ. В 1970 году Вера Рубин и Кент Форд изучали зависимость скорости звезд от их отдаленности от центра галактики Андромеда (так называемая кривая вращения). Так как основная часть звезд сконцентрирована вблизи центра галактики, логично предположить, что чем дальше звезда от центра, тем меньше должна быть гравитационная сила, действующая на нее, и тем меньше должна быть ее скорость. Однако оказалось, что для звезд на периферии такой закон не выполняется и кривая выходит на плато.
Поиск WIMP основан на том, что они хотя и очень слабо, но все же взаимодействуют с обычным веществом При столкновении с ядрами рабочего тела в детекторе могут излучаться фотоны (сцинтилляция), которые можно зарегистрировать с помощью фотоумножителей. Кроме того, вимпы могут ионизировать атомы рабочего тела, что тоже можно обнаружить. Эти два способа обычно комбинируют, чтобы отсеять шум — взаимодействия с другими частицами, космическими лучами и т. п. и выделить только события, напоминающие столкновения с частицами темной материи. В качестве рабочего тела обычно используют жидкий ксенон. Попытка обнаружить слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) в эксперименте LUX с помощью бассейна, заполненного 400 кг жидкого ксенона, не увенчалась успехом, но сейчас идет подготовка нового эксперимента DARWIN. В нем для детектирования WIMP будет использовано 25 т ксенона.
Это означало, что основная масса, которая влияет на вращение звезд, не просто скрыта, но и распределена вплоть до периферии или еще дальше. Позже подобные кривые были прорисованы для различных галактик с абсолютно тем же результатом. Для многих эллиптических галактик эти кривые не только не спадали, но и возрастали. Получается, что большая часть массы (в среднем более 90%) заключена не в звездах, и эта скрытая масса распределена далеко за областью галактического диска в виде сферического гало.
Межзвездная пыль и газовые облака теперь уже никак не могли объяснить наличие скрытой массы: частицы пыли или молекулы газа из-за взаимодействия друг с другом, трения и излучения теряли бы энергию и постепенно перетекали бы с периферии в центр. Поэтому гипотезу газопылевой природы пришлось отбросить.
Гипотеза 2: слабо излучающие астрофизические объекты. Следующая простая и очевидная гипотеза предполагала, что скрытая масса может быть заключена в каких-нибудь астрофизических объектах (MACHO — MAssive Compact Halo Object), таких как белые, красные или коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры или даже массивные планеты типа Юпитера. Из-за малых размеров и слабой светимости эти объекты не видны в телескоп, и, вполне возможно, их так много, что они и обеспечивают наличие этой скрытой массы.
Но если они не видны в телескоп, как же можно их обнаружить? Когда слабосветящийся массивный объект (MACHO) оказывается между земным наблюдателем и ярким видимым объектом, он работает как гравитационная линза, и наблюдаемый объект становится ярче. Это явление называется гравитационным микролинзированием. Наличие MACHO должно было бы привести к огромному количеству событий микролинзирования. Однако наблюдения с телескопа Hubble показали, что таких событий очень мало и если такие объекты существуют, то их масса составляет меньше 20% от массы галактик, но никак не 95%.
Более того, наблюдения космического реликтового фона позволяют довольно точно оценить число барионов (протонов и нейтронов), которые могли родиться в ранней Вселенной в период нуклеосинтеза. Полученные оценки позволяют утверждать, что видимая нами барионная материя (звезды, газ, пылевые облака) — это большая часть всей барионной материи в нашей Вселенной. Поэтому скрытая масса не может состоять из барионов.
Гипотеза 3: модифицированная гравитация. А что если никакой скрытой массы вовсе нет? Это вполне возможно, если, например, теория гравитации, которую мы применяем, на таких масштабах неверна.
Чем больше гравитационная сила, действующая на объект (в данном случае галактику или отдельную звезду), тем больше ее ускорение (известный всем со времен школы второй закон Ньютона) и, соответственно, скорость, так как центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости. А если подкорректировать закон Ньютона? В 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом была предложена гипотеза MOND (MOdified Newtonian Dynamics), в которой закон Ньютона несколько корректировался для случая, когда ускорения достаточно малы (10 -8 см/с 2). Такой подход хорошо объяснял кривые вращения, полученные Рубин и Фордом, и возрастающие кривые вращения для эллиптических галактик. Однако в скоплениях, где ускорения галактик куда больше ускорения единичных звезд, MOND не вносил никаких поправок для темной материи, и вопрос оставался открытым.
Кривая вращения галактики — это график зависимости орбитальной скорости звезд и газа в галактике от расстояния до ее центра. Наблюдения показывают, что по мере удаления от центра график выходит на плато.
Были и другие попытки модифицировать теорию гравитации. Сейчас существует широкий класс таких теорий, называемый параметризованным постньютоновским формализмом. Каждая отдельная теория описывается своим набором десяти стандартных параметров, определяющих отклонение от «обычной» гравитации. Какие-то из этих теорий действительно объясняют проблему скрытой массы, однако при этом появляются другие проблемы — например, массивные фотоны или хроматичность гравитационной линзы (зависимости угла отклонения света от частоты), что не наблюдается. В любом случае ни одна из этих теорий до сих пор не подтверждена наблюдениями.
Таким образом, из многочисленных гипотез, не противоречащих эксперименту, остается только одна возможная, хотя и экзотическая: темная материя — это какие-то частицы небарионной природы. Таких кандидатов в теории существует очень много, однако их подразделяют на две основные группы — холодная и горячая темная материя.
Гипотеза 4: горячая темная материя. Горячая темная материя — это легкие частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Наиболее очевидный кандидат на эту роль — самое обычное нейтрино. Эти частицы имеют очень малые массы (раньше считалось, что масса равна нулю), рождаются в недрах звезд и областях звездообразования при различных термоядерных процессах и почти не взаимодействуют с барионным веществом. Однако при том количестве нейтрино, которое есть у нас во Вселенной, для объяснения с их помощью темной материи необходимо, чтобы их масса была около 10 эВ. Но экспериментальные данные показывают, что масса нейтрино не превышает долей одного электронвольта, что в сотни раз меньше, так что этот вариант, по‑видимому, отпадает. Еще один вероятный кандидат на звание темной материи — так называемые стерильные нейтрино, гипотетический массивный четвертый вариант нейтрино, не принимающий участия в слабом взаимодействии. Однако такие частицы в экспериментах пока не обнаружены, и факт их существования все еще находится под вопросом.
Космологические наблюдения последних лет показывают, что горячая темная материя (если она существует) может составлять не более 10% от всей темной материи. Дело в том, что различные типы темной материи предполагают различные сценарии формирования галактик. В сценарии горячей темной материи (top-down, сверху вниз) в результате эволюции сперва формируются большие области, наполненные веществом, которые затем схлопываются в отдельные мелкие скопления и в итоге превращаются в галактики. В сценарии холодной темной материи (bottom-up, снизу вверх) сперва формируются мелкие карликовые галактики и скопления, которые затем образуют более крупные структуры. Наблюдения и компьютерное моделирование показывают, что в нашей Вселенной реализуется именно этот сценарий, что указывает на явное доминирование холодной темной материи.
В известном фильме «Чародеи» описан рецепт прохождения сквозь стену: «Видеть цель, верить в себя и не замечать препятствий» По подобной схеме планируется искать аксион — легкую незаряженную частицу, предсказанную в рамках квантовой хромодинамики. Аксион слабо взаимодействует с барионным веществом, поэтому основные надежды ученые возлагают на его поведение в очень сильных магнитных полях. Если направить лазерное излучение на непрозрачную стенку, в области которой создать с помощью сверхпроводящих магнитов очень мощное магнитное поле (десятки тесла), фотон в этом поле может превратиться в аксион, который пройдет сквозь эту стенку буквально «не заметив ее», а за ней снова превратится в фотон. Понятно, что такие события будут происходить редко, но при помощи чувствительных детекторов их можно обнаружить. В 2007 году в немецкой ускорительной лаборатории DESY начался трехлетний эксперимент Any Light Particle Search, ALPS-I, а три года назад был запущен эксперимент ALPS-IIа, продолжение которого (ALPS-IIc) намечено на ближайшие годы. Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) и его нынешнее продолжение ADMX-HF (High Frequency) в Центре экспериментальной ядерной физики и астрофизики (CENPA) в Университете штата Вашингтон также используют сильное магнитное поле сверхпроводящего магнита, в котором аксионы должны превращаться в фотоны.
Гипотеза 5: холодная темная материя. Гипотеза холодной темной материи на сегодняшний день считается самой вероятной. Гипотетические частицы холодной темной материи — медленные (нерелятивистские), они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с обычной материей и не излучают фотонов. Они подразделяются на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP — weakly interacting massive particles) и слабо взаимодействующие легкие частицы (WISP — weakly interacting slim particles).
WIMP — это в основном частицы из теории суперсимметрии (суперсимметричные партнеры обычных частиц Стандартной модели) с массами больше нескольких килоэлектронвольт, такие как фотино (суперпартнер фотона), гравитино (суперпартнер гипотетического гравитона), и т. д. Наилучшим кандидатом на звание частицы темной материи из числа WIMP ученые сейчас считают нейтралино — это квантовая «смесь» суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса.
Основной кандидат из группы WISP — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Эта очень легкая (миллионные доли электронвольта) стабильная и электрически нейтральная частица способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться ее обнаружить в эксперименте.
Впрочем, несмотря на многочисленные попытки, пока что обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось. Однако отрицательный результат в науке — тоже важный результат, так как он позволяет отсеять те или иные параметры частиц, например, ограничить диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, откинув все невозможные варианты и сузив круг поисков, мы становимся все ближе к пониманию того, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.