Скрытая масса вселенной что это такое


Сейчас часто публикуется в Интернете вопрос о наличии в мире антивещества, чёрной энергии или чёрной материи. При этом в качестве аргумента выдвигаются некоторые непонятные явления во Вселенной. Мол, ни как не объяснишь существующими теориями процесс ускоренного разбегания Галактик. Причём, когда задаёшь таким лжефизикам элементарный вопрос, что собой представляет эта тёмная энергия с точки зрения физики, или каким образом она взаимодействует с нашим миром и за счёт чего, то ответа нет. Единственное её свойство, это при аннигиляции с обычной материей она должна давать ноль. Но тогда возможны чудеса, возникновение чего-то из ничего и такое же внезапное исчезновение, а это противоречит наличию закономерностей в нашем мире, так как там, где возможны чудеса, закономерности не нужны. Как говорится, существует то, не знаю что, и искать её надо там, куда не дойти, не доехать и вообще невозможно никогда попасть. Но если бы эта антиматерия (тёмная материя, тёмная энергия) существовала бы реально во Вселенной, то она существовала бы и на Земле, в силу того, что тогда бы она была необходимым связующим звеном во всех процессах.


тому что пространство и время Вселенной ничем не может отличаться от пространства и времени нашего мира на Земле. А иначе не было бы никакого взаимодействия через излучение, так как независимые величины никак не могут взаимодействовать, для взаимодействия необходимы общие параметры изменений. Парадоксы астрономии надо искать не в чудотворных силах и энергиях, а в слабости описания мира с помощью существующих теорий. Одна из таких слабостей, это отсутствие у современных теорий суперструнн и торсионных полей связи электромагнитных сил с гравитационными, отсюда и ошибки в расчётах. Мне удалось связать электромагнитные силы с гравитационными, и доказать, что кроме электромагнитных и гравитационных сил в мироздании не может существовать иных сил чисто логически и математически. Более подробно смотри http://www.publicant.ru раздел Наука и образование, подраздел Физика, страница 2,Рысин Андрей Владимирович. Истинная теория мироздания. смело скачивайте бесплатную обновляемую демоверсию, это полная версия. Именно поэтому А.Эйнштейн говорил, что Бог в кости не играет, и последние 30 лет пытался создать теорию единого поля, но ему не удалось, а удалось мне. При этом я связал воедино СТО,ОТО Эйнштейна со всеми уравнениями физики опираясь лишь на одну аксиому об отсутствии чудес. Из моей теории следует необходимость и достаточность СТО и ОТО. А это означает, что в мире существуют только две связанные между собой через скорость света пространственно-временные системы, отличие которых в том, что у них координата и время меняются местами.
все действия и силы описываются только в параметрах этих двух пространственно-временных систем. Отсюда можно объяснить и ускоренное разбегание Галактик тем, что происходит пространственно-временное искривление(сжатие) нашей пространственно-временной системы, а это означает, что мы будем видеть именно ускоренное разбегание Галактик. Но наши лжеакадемики упорно не хотят видеть простое объяснение и сразу превратились в глухих, немых и слепых и пытаются «замолчать» мою теорию. Как говорится, хлеб с маслом хотят, есть все, а тут так хорошо можно втирать очки с помощью тёмной материи, что и придумать трудно. Этот чудотворный подход давно используется в вероятностной квантовой механике через виртуальные частицы и телепортацию.Придумал что-то возникающее из ничего ( в данном случае тёмную материю) и решил проблему. А что это такое и как оно должно характеризоваться в нашем мире и через какие силы, это не важно.Как эта чёрная материя согласуется с известной формулой Е=м*с*с тоже не важно.Иными словами чудо есть и всё.Именно так поступают попы в церкви, выманивая деньги у доверчивых граждан. В данном случае за игрушку физиков по ускорителю во Франции мы платим 10 миллиардов долларов не считая будущей обслуги, а на разработку реальной моей теории ми

Источник: otvet.mail.ru

Затянувшееся прозрение


Загадка скрытой массы уже давно волнует лучшие умы. Все началось с того, что в 1933 году американский астрофизик Фриц Цвикки определил полную массу группы галактик, измерив их светимость. Иными словами, он подсчитал количество звезд в этой группе и полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, метод вполне надежный, однако другие способы, основанные на законе всемирного тяготения Ньютона, давали гораздо большую величину массы. В то время факт этот особого интереса не вызвал, и только спустя четыре десятка лет ученые поняли всю важность открытия, в результате сегодня скрытая масса является непременным атрибутом всех космологических моделей Вселенной.

До сих пор не ясно, что же именно находится в межзвездном пространстве, хотя масса этого «чего-то» примерно в десять раз больше суммарной массы всех звезд. И решение этой загадки, несомненно, будет крупнейшим открытием, которое может произойти в любой момент. Единственное, что выдает сегодня скрытую массу, — гравитация. Именно гравитационное поле, влияя на движение звезд в галактиках, позволяет определить долю невидимой материи среди космического вещества.

Черная кошка в темной комнате

Для того чтобы искать, прежде нужно определить, где и что. С тем, «что» именно искать, более или менее понятно — эта некая материя, которая проявляет себя только своей гравитацией.


вот «где» ее искать и какие пространственные размеры она занимает — далеко не очевидно. Как она распределена по Вселенной? Расположена ли она в галактиках или равномерно разбросана по всему пространству? С одной стороны, долю скрытой массы в галактике можно определить по поведению звезд. С другой — ситуация несколько осложняется тем, что именно скрытая масса диктует видимой материи «правила игры», а не наоборот. Это и понятно — ее намного больше, а кто больше, тот, как обычно, и прав…

Скрытая масса способна концентрироваться там, где видимая материя отсутствует. Удивительно, но и эту скрытую часть удалось определить. О том, как это было сделано, чуть позже.

Интересно сравнить полную скрытую массу во Вселенной и массу ее видимой части, в основном звезд. Диаметр видимой части Вселенной составляет примерно 3•1026 м (10 000 мегапарсек, или 30 млрд. световых лет). Большая часть видимой материи уже собралась в галактики и, чтобы определить массу Вселенной, надо «всего лишь» измерить массы всех галактик, которых приблизительно 1011 штук и в каждой сверкает по нескольку миллиардов звезд. В результате получаем примерно 1052кг — такова масса всех звезд в видимой части Вселенной. Напомним, что наше Солнце весит всего
2•1030 кг.

Поскольку темной материи в 10 раз больше, чем видимой, то недоучтенными до последнего времени были около 1053 кг…


Как найти невидимок

Тайная связь. Убедиться в ее существовании может каждый. Для этого нужно попросить знакомого водителя проехать мимо вас как можно быстрее, при этом непрерывно гудя. Во время наибольшего сближения вы почувствуете резкую смену тона гудка — с высокого на низкий. Любая электричка, пролетающая мимо платформы, даст тот же эффект. Вывод же будет таков: частота воспринимаемых волн (в данном случае звуковых) зависит не только от внутренних свойств источника этих волн, но и от его скорости.

То же самое происходит со светом, который представляет собой электромагнитную волну. Если источник приближается к нам, то мы воспринимаем свет «более голубым», чем если бы источник покоился. Если же он удаляется — то «более красным». Чем больше скорость— тем больше эффект доплеровского сдвига. Исследуя спектры звезд, ученые определяют их скорости и не только судят о движении внутри галактики, но и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. Например, если измерения показывают, что свет от одного края какой-либо галактики краснее, а от другого — голубее, то единственное разумное объяснение этому кроется во вращении галактики. При внимательном изучении вращения галактик была обнаружена одна странность: скорости движения звезд оказались слишком большими! При таких скоростях они давно должны были бы покинуть галактику, поскольку суммарная гравитационная сила всех звезд, как показывали расчеты, была бы не способна их удержать. По этой причине было выдвинуто предположение о существовании некоей скрытой массы, которая своим гравитационным полем помогала удерживать звезды от разлета. Причем зависимость скорости от расстояния до центра галактики, как правило, такова, что наличием одной массивной черной дыры в центре галактики ее объяснить нельзя.


Королевство кривых зеркал. Скрытая масса образует свои собственные темные облака-галактики, которые ничего другого не содержат. Как же можно доказать их существование?

В обычных галактиках ученым помогают звезды, своим поведением выдающие присутствие скрытой массы. Но что же делать, если звезды отсутствуют в интересующей исследователей области пространства? Тогда на помощь им приходит эффект микролинзирования (см. «Вокруг света» № 9, 2002 г.). Если скрытая масса создает гравитационное поле, то оно должно влиять на движение всех объектов, обладающих энергией, поэтому гравитационное поле скрытой массы изменяет траекторию движения света от далеких источников. Значит, галактики должны выглядеть несколько искаженными, как лицо человека в слегка кривом зеркале. Другим способом обнаружить компактные и невидимые объекты можно по хорошо изученному эффекту увеличения яркости звезд, обусловленному гравитационным линзированием.

Если некое несветящееся тело пересекает прямую линию между какой-либо звездой и Землей, то яркость звезды увеличивается. Конечно, все небесные тела движутся относительно друг друга, поэтому увеличение яркости — эффект кратковременный. Но уж если оно обнаружено, то совершенно очевидно, что это «дело рук» какого-то тяжелого несветящегося объекта. Методы гравитационного линзирования настолько усовершенствовались, что позволяют определять также и массу темного объекта. Уже имеются предварительные данные от нескольких научных групп о существовании объектов тяжелее Юпитера, но легче Солнца.


Носители скрытой массы

Современная наука настолько сложна, что бессистемные поиски «чего-то новенького» заведомо обречены на неудачу. Чтобы добиться успеха, нужно иметь хоть какое-то представление о том, что ищешь, необходима теоретическая модель, правильность которой проверяется экспериментально. Предполагаемых носителей скрытой массы не так уж и мало, но их можно разделить на две основные категории: астрономические объекты (MACHOs — Массивные Астрофизические Компактные Гало Объекты) и элементарные частицы (WIMPs — Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

MACHOs — это действительно массивные объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. WIMPs — это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей. Астрономам близка идея MACHOs, в то время как физикам, занимающимся микромиром, больше нравится идея WIMPs, что естественно. Рассмотрим же более детально, что представляют собой эти два основных класса.


Разнообразие machos, или как увидеть черную кошку
Эти массивные объекты практически не должны светиться, в противном случае их бы давно увидели. Кандидатами на роль MACHOs являются черные дыры, нейтронные звезды, коричневые, или, более точно, темные, карлики (brown dwarfs) и, возможно, белые.

Черные дыры — вполне достойные претенденты. Их существование предсказывается теорией, а некоторые из них уже обнаружены. Но определенная осторожность все же необходима. Во-первых, они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. И в-третьих, «маленьких» черных дыр с массой меньше, чем 10 12 кг, должно быть не слишком много, иначе наша Вселенная была бы совершенно другой. Однако современные ученые пока не располагают конкретными данными о количестве и массе черных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей Вселенной.

Темные карлики — это не сказочные тролли, а плотные сгустки обычной материи, в основном водорода, с массой, значительно меньшей солнечной. Их собственные гравитационные поля позволяют им существовать, не распадаясь. Однако эти поля слишком слабы, чтобы создать высокое давление и инициировать термоядерные реакции. Свет от звезд — это не что иное, как фотоны, испускаемые сильно нагретым газом. Тепло для нагрева поступает от ядерных реакций, поэтому светимость темных карликов слишком мала, и они могут легко ускользать от внимания астрономов.


Если говорить о нейтронных звездах, то в данном случае интересны старые их представители, которые практически не излучают энергию. Это как раз тот случай, когда молодые не требуются. Другое дело, откуда они могли в таком количестве взяться и когда успели состариться?

Если MACHOs практически не светятся, то можно ли их обнаружить вообще? Современные научные методы и техника позволяют это сделать. Так, с введением в строй телескопа Hubble, наблюдающего мир не только в видимых, но и в инфракрасных лучах, астрономам удалось обнаружить много темных карликов как в нашей, так и в соседних галактиках. Но их оказалось всего 6% от общей массы галактического гало! Может быть, дальнейшие исследования увеличат эту цифру.

Искажения картины звездного неба, вызванные действием скрытой массы, проанализировали Дэвид Уитмен, Энтони Тайсон и Дэвид Керкман (Лаборатории Белл), Ян Дельантонио (Национальная обсерватория оптической астрономии и Университет Брауна) и Чэри Бернстейн (Мичиганский университет). Они использовали 4-метровый телескоп Blanco (Чили) и цифровую обработку изображений. Одним из препятствий в работе было то, что изображение галактики изменяется не только из-за влияния скрытой массы, но и при прохождении через атмосферу Земли. Да и сами оптические приборы вносят небольшие искажения. Но ученые нашли выход. Изображения от ближайших звезд изменяются атмосферой и приборами точно так же, как и далекие галактики, а вот влиянию удаленной скрытой массы они не подвержены. На основе нескольких тысяч совместных измерений близких звезд и далеких галактик ученые научились отделять «зерна от плевел» и получили желаемый результат. Были проанализированы изображения 145 000 очень далеких галактик для того, чтобы найти эффекты искажения, создаваемые скрытой массой.


На основе этих данных было восстановлено расположение скрытой массы на больших межгалактических масштабах.

Существует и другой способ обнаружения MACHOs, опять же связанный с их гравитационным полем. Если астроном обнаруживает, что некоторая звезда вращается вокруг «чего-то невидимого», то совершенно ясно, что обнаружен MACHOs. Именно он создает гравитационное поле, в котором и движется его более яркая соседка — звезда. Кроме того, определив радиус орбиты и скорость вращения (например, при помощи того же доплеровского эффекта), можно найти массу данного объекта.

Неуловимые WIMPs

Другой путь объяснения недостающей массы выбрали физики, изучающие элементарные частицы. Они предположили, что галактическое пространство заполнено частицами особого вида. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей.

Почему же мы их не видим и почему эти частицы не собираются в плотные объекты типа темных карликов? Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs.

Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику и непрерывно пронизывают Землю. От обычных частиц, прилетающих из Космоса, нас спасает атмосфера, которая поглощает даже наиболее энергичных представителей. Но WIMPs не взаимодействуют с обычной материей и, следовательно, не задерживаются атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 10 14 этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому мы их просто не замечаем, и они пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа.

Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что, возможно, они все-таки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да «провзаимодействует». Ведь их должно быть очень много, и если подольше подождать, то столкновение произойдет. Конечно, подавляющее большинство этих частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю, но, возможно, отдельные WIMPs-неудачники все-таки столкнутся с атомами материала-мишени.

Так, проект профессора Бернарда Садулета и Уолтера Стокуэллэ (из Калифорнийского университета Беркли) предусматривает охлаждение большого куска кристаллического материала почти до абсолютного нуля температур. Если через такой кристалл будут пролетать мириады WIMPs, то когда-нибудь они провзаимодействуют с материалом кристалла. Ожидается, что небольшое тепло, которое выделится при столкновении, будет зафиксировано приборами, что и докажет существование WIMPs.

Очевидно, что, чем больше кристалл, тем больше в нем атомов и тем быстрее произойдет желаемое событие. Поэтому проект нейтринного подледного телескопа AMANDA предполагает использование антарктического льда в качестве кристалла-мишени. Детекторы будут помещены глубоко в толщу льда, что сильно увеличит общий размер мишени и, значит, число столкновений. Но за все приходится платить — температура такой мишени, конечно же, не может быть сильно понижена, а значит, чувствительность всей системы будет хуже.

Холодная и горячая

Скрытая масса может, вообще говоря, существовать в двух формах — «горячей» и «холодной». Под холодной скрытой массой (cold dark matter) понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света). В распоряжении физиков имеется несколько таких частиц — кандидатов на WIMPs, и все они объединены одним недостатком — существуют лишь в теории. Возможно, это нейтралино — тяжелая частица, которая просто обязана существовать, как считают многие физики. А может, и аксион — частица с чрезвычайно малой массой.

Горячая скрытая масса (hot dark matter) — это частицы, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. Их масса так мала, что они оставались релятивистскими достаточно долго в процессе формирования Вселенной, пока ее температура не упала до нескольких сот градусов Кельвина. Как показывают расчеты, масса таких частиц должна быть меньше 100 электронвольт. Это значит, что она по крайней мере в 5 000 раз легче электрона. Подходящим кандидатом на эту роль являются нейтрино. Со времен своего открытия нейтрино считались безмассовыми. Но прошло время, семья нейтрино выросла (их теперь 3 вида) и «приобрела вес» (недавно было доказано, что по крайней мере 1 из 3 видов нейтрино обладает ненулевой массой). И, наконец, оно действительно крайне слабо взаимодействует с другими частицами. Концентрация нейтрино в космосе составляет примерно 100 штук в кубическом сантиметре, и они вполне могли бы играть роль скрытой массы. К сожалению, модель горячей скрытой массы сталкивается с трудностями при объяснении того, как облака таких нейтрино сжимаются в более плотные объекты, поскольку все, что быстро двигается, в кучу собирается плохо…

Но вернемся к холодной скрытой массе. Поскольку WMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сживает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы — протоны и нейтроны — обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всего через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы. Обрадованные успехом, астрофизики решили просчитать дальнейшую эволюцию этих облаков, состоящих преимущественно из скрытой массы. И тут их ждало разочарование. Со временем эти облака должны были образовать гораздо более мелкие и плотные сгустки. Наблюдения же говорят, что их просто нет! И вообще, распределение скрытой массы в кластерах галактик не соответствует расчетному. Тем не менее модель холодной скрытой массы, похоже, гораздо ближе к истине, чем модель горячей скрытой массы.

Возможно, если учесть все эффекты, то наблюдаемые данные и расчеты придут к согласию, считают одни ученые. Другие же полагают, что разногласий слишком много и надо что-то существенно менять. Неопределенность в свойствах WIMPs позволяет делать различные предположения об их свойствах, чтобы получить разумное согласие с наблюдениями. Так Штейнхард (Steinhardt) и Спергель (Spergel) из Принстонского университета предположили, что эти частицы, хотя и «не видят» обычную материю, очень хорошо взаимодействуют друг с другом. Их интенсивные столкновения делают облака этих частиц более рыхлыми. Впрочем, последние наблюдения обсерватории «Чандра» ставят под сомнение и эту модель.

Почему астрономам не спится?

Некоторые ученые считают, что если некое явление существует, но не имеет объяснения с точки зрения современной науки, то это ставит под сомнение как саму космологию, так и большинство ее выводов. Возможно, это слишком сильное утверждение, но свойства скрытой массы действительно важны для понимания процессов, протекающих в нашей Вселенной. Например, если Вселенная с самого начала после Большого взрыва расширялась равномерно во все стороны, то непонятно, почему отдельные ее части стали конденсироваться и затем превращаться в галактики и звезды. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

Скрытая масса является в каком-то смысле и философской категорией. Так, например, профессор Бернард Садулейт, директор Центра астрофизических исследований частиц Калифорнийского университета в Беркли, писал в своей статье, вышедшей в «Нью-Йорк Тайме»: «Это продолжение мировоззренческой революции Коперника. Теперь мы уже не только не в центре Вселенной, но и состоим из особого вещества, которое является лишь небольшой добавкой к основному компоненту Вселенной»…

Сергеи Рубин, доктор физико-математических наук

Источник: www.vokrugsveta.ru

Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №11, 2006

Невидимые действующие лица и их предполагаемые исполнители

В предыдущих статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.

Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.

Козьма Прутков

Что будет с нашим миром?

После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.

Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10–29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 1030 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.

Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.

Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.

Свидетельства существования темной материи

Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.

Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.

Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.

Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10–29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.

Что это?

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.

Барионная темная материя

Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.

Небарионная темная материя

В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.

Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.

Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.

Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс2, энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.

Темная энергия

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.

Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.

Источник: elementy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.