• Перевод

Прямо у вас под носом может существовать невидимая цивилизация

Хотя мы знаем, что обычная материя отвечает всего за 1/20 энергии Вселенной и 1/6 энергии, переносимой материей (а всё остальное отходит на счёт тёмной энергии), мы считаем обычную материю очень важной составной частью. За исключением космологов, почти все люди концентрируются на обычной материи, хотя она, с энергетической точки зрения, не так уж и важна.

Обычная материя больше дорога нам, разумеется, потому, что мы из неё состоим – как и весь осязаемый мир, в котором мы живём. Но также мы интересуемся ею из-за богатого разнообразия её взаимодействий. Взаимодействия обычной материи включают электромагнитное, слабое и сильное – они помогают материи формировать сложные плотные системы. Не только звёзды, но и камни, океаны, растения и животные существуют благодаря негравитационным силам природы, ответственным за взаимодействия. Так же, как на гуляку больше влияет алкоголь, чем остальные составляющие пива, так и обычная материя, хотя и переносящая малую часть энергетической плотности, влияет на себя и окружение гораздо заметнее, чем нечто, просто пролетающее мимо.

Знакомую нам видимую материю можно рассматривать как привилегированный процент – точнее, 15% - материи. В бизнесе и политике 1% людей влияет на решения и правила, а оставшиеся 99% популяции обеспечивают инфраструктуру и поддержку – обслуживают здания, поддерживают работоспособность городов, доставляют еду. Так же и обычная материя влияет почти на всё, что мы отмечаем, а тёмная материя, в её изобилии и повсеместности, помогает создавать скопления и галактики, обеспечивает формирование звёзд, но мало влияет на наше непосредственное окружение.

Близкими нам структурами управляет обычная материя. Она отвечает за движение наших тел, за энергетические источники, питающие нашу экономику, за экран компьютера или бумагу, на которой вы это читаете, и практически за всё, что вы можете себе представить. Если что-то взаимодействует так, что это можно измерить, оно достойно внимания, поскольку оно сможет оказывать влияние на наше окружение.

Обычно у тёмной материи нет такого интересного влияния и структуры. Предполагается, что тёмная материя – это клей, удерживающий галактики и их скопления, находящийся в аморфных облаках. Но что, если это не так, и только наша предвзятость – и неведение, корень предвзятости – служит причиной нашего неверного представления?

В Стандартной модели есть шесть типов кварков, три типа заряженных лептонов (включая электрон), три вида нейтрино, частицы, отвечающие за все силы, а также новообретённый бозон Хиггса. Что, если мир тёмной материи, может и не настолько, но тоже разнообразный? В этом случае взаимодействия тёмной материи будут пренебрежимыми, но небольшая её часть будет взаимодействовать с силами, напоминающие силы обычной материи. Богатая и сложная структура частиц и сил Стандартной модели отвечает за множество интересных феноменов. Если у тёмной материи есть взаимодействующий компонент, он тоже может оказаться влиятельным.

Если бы мы были существами, состоящими из тёмной материи, было бы неправильным полагать, что все частицы обычной материи одинаковы. Возможно, люди, состоящие из обычной материи, делают ту же ошибку. Учитывая сложность СМ физики частиц, описывающей простейшие из известных нам компонентов материи, кажется странным предполагать, что вся тёмная материя состоит только из одного вида частиц. Почему бы не предположить, что некая её часть подвержена своим собственным взаимодействиям?

В таком случае, точно так же, как обычная материя состоит из разных типов частиц, и все эти фундаментальные составные части взаимодействуют через разные комбинации зарядов, у тёмной материи также будут разные составные части – и хотя бы один тип таких частиц будет участвовать в негравитационных взаимодействиях. Нейтрино в СМ не подвергаются влиянию электрической силы или сильного взаимодействия, в отличие от шести типов кварков.

Точно также, возможно, один тип частиц тёмной материи слабо или вообще не взаимодействует ни с чем, кроме как посредством гравитации, но какие-нибудь 5% от частиц испытывают другие взаимодействия. На основе изучения обычной материи можно сказать, что такой вариант более вероятен, чем обычное предположение о наличии одной слабовзаимодействующей частицы.

Ошибкой людей, занимающихся связями с иностранной общественностью, бывает попытка сгрести культуру другой страны в кучу, и не учитывать того факта, что в ней может существовать разнообразие, очевидное для их собственной страны. Так же, как хороший переговорщик не предполагает преобладания одного сектора общества над другим, пытаясь сравнивать разные культуры, так и непредвзятый учёный не должен предполагать, что тёмная материя не такая интересная, как обычная, и в ней не хватает разнообразия материи, схожего с тем, что имеется в нашей.

Пишущий на научно-популярные темы Кори Пауэлл , сообщая о нашем исследовании в журнале Discover, начал со слов о том, что он «шовинист лёгкой материи» – и что все мы тоже. Он имел в виду, что мы считаем, будто знакомая нам материя более важна, и, следовательно, более сложна и интересна. Очень похожие представления были опрокинуты революцией Коперника. Но большинство людей настаивают на том, что их точка зрение и убеждённость в нашей важности соответствуют реальному миру.

Множество компонент обычной материи по-разному взаимодействуют и по-разному влияют на мир. Так может быть, и у тёмной материи есть разные частицы с различным поведением, влияющие на структуру Вселенной измеряемым образом.

Впервые начав изучать частично взаимодействующую тёмную материю, я удивился, что практически никто не задумывался о том, что предположение, согласно которому только обычная материя демонстрирует разнообразие типов частиц и взаимодействий, является высокомерным заблуждением. Некоторые физики пытались анализировать такие модели, как «зеркальная тёмная материя», в которой тёмная материя повторяет всё, что свойственно обычной. Но такие примеры экзотичны. Их последствия трудно объединить с тем, что нам известно.

Несколько физиков изучали более общение модели взаимодействия тёмной материи. Но и они предполагали, что вся тёмная материя одинакова и подвергается одинаковым взаимодействиям. Никто не допускал простой возможности, по которой, хотя большая часть тёмной материи не взаимодействует с обычной, малая её толика может это делать.

Одна из причин этого понятна. Большинство людей считают, что новый тип тёмной материи не будет влиять на большую часть наблюдаемых явлений, если это всего лишь небольшая часть от тёмной материи. Мы ещё даже не смогли пронаблюдать самый главный компонент тёмной материи, и заниматься её небольшой составляющей кажется преждевременным.

Но если вспомнить, что обычная материя переносит лишь 20% энергии от тёмной, при этом большинство из нас замечает только её, можно понять, в чём эта логика неправа. Материя, взаимодействующая через более мощные негравитационные силы, может представлять больше интереса и оказывать больше влияния, чем большая часть слабо взаимодействующей материи.

С обычной материей так и есть. Она чрезмерно влиятельна, несмотря на её малое количество, поскольку она сжимается в плотные диски, из которых могут формироваться звёзды, планеты, Земля и жизнь. Заряженный компонент тёмной материи – хоть его может и не быть так много – тоже может сжиматься и формировать диски, такие, как видимый диск в Млечном пути. Он даже может сгущаться в объекты, похожие на звёзды. Такую структуру в принципе можно пронаблюдать, и, возможно, это ещё проще сделать, чем обычная холодная тёмная материя, рассеянная в огромном сферическом гало.

Если размышлять таким образом, то количество возможностей быстро растёт. Ведь электромагнетизм – всего лишь одно из нескольких негравитационных взаимодействий, испытываемых частицами Стандартной модели. Кроме силы, привязывающей электроны к ядрам, частицы СМ испытывают слабое и сильное ядерное взаимодействие. В мире обычной материи могут существовать и другие взаимодействия, но настолько слабые на доступных нам энергиях, что их ещё никто не наблюдал. Но даже присутствие трёх негравитационных взаимодействий намекает на то, что в тёмном секторе тоже могут присутствовать негравитационные взаимодействия кроме тёмного электромагнетизма.

Возможно, на тёмную материю, кроме сил, похожих на электромагнитную, влияют и силы ядерного толка. Возможно, что из тёмной материи могут формироваться тёмные звёзды, в которых идут ядерные реакции, благодаря которым образуются структуры, ведущие себя более похожим на обычную материю образом, чем описываемая мною до сих пор тёмная материя. В таком случае в тёмном диске могут находиться тёмные звёзды, окружённые тёмными планетами, состоящими из тёмных атомов. У тёмной материи может наблюдаться та же сложность, что есть и у обычной.

Частично взаимодействующая тёмная материя представляет собой богатую почву для измышлений и вдохновляет нас на рассмотрение возможностей, к которым иначе мы бы и не обратились. Писатели и киношники могут найти все эти дополнительные силы и последствия, таящиеся в тёмном секторе, весьма заманчивыми. Они могли бы даже предположить наличие тёмной жизни, существующей параллельно с нашей. В этом случае, вместо обычных анимированных существ, сражающихся с другими анимированными существами, или, в редких случаях, работающих с ними сообща, по экрану могли бы маршировать существа из тёмной материи, которые перетянули бы на себя всё действие.

Но смотреть на это было бы не так интересно. Проблема в том, что кинематографисты столкнулись бы с трудностями при съёмках тёмной жизни, невидимой для нас. Даже если бы и существовали тёмные существа, мы не узнали бы об этом. Вы не можете знать, насколько симпатичной могла бы быть тёмная жизнь – и почти наверняка не узнаете.

Хотя довольно весело размышлять о возможностях существования тёмной жизни, гораздо сложнее придумать, как её наблюдать – или хотя бы обнаружить её существование по косвенным признакам. Довольно сложно найти жизнь, состоящую из тех же компонентов, что и мы, хотя поиски внесолнечных планет идут. Но доказательства существования тёмной жизни, если она существует, будут ещё более неуловимыми, чем доказательства существования обычной жизни в удалённых мирах.

Совсем недавно нам удалось пронаблюдать гравитационные волны, исходящие от огромных чёрных дыр. У нас практически нет шанса обнаружить гравитацию тёмного существа или целой армии тёмных существ, неважно, как близко от нас они находятся.

В идеале хотелось бы как-то общаться с этим новым сектором. Но если эта новая жизнь не подвергается воздействию знакомых нам сил, этого не будет. Хотя мы разделяем с ними гравитацию, такое влияние одного объекта или жизненной формы будет слишком слабым для обнаружения. Только очень крупные объекты, типа диска в плоскости Млечного пути, могут порождать наблюдаемые эффекты.

Тёмные объекты или тёмная жизнь могут существовать очень близко к нам – но если общая масса тёмного вещества невелика, мы об этом не узнаем. Даже с современной технологией, или любой технологией, которую мы можем представить, проверить можно будет только очень специфические возможности. «Теневая жизнь», какой бы она ни была волнующей, вряд ли будет иметь осязаемые нами последствия, и может быть соблазнительной, но недостижимой возможностью. Но тёмная жизнь – это весьма вольное предположение. Фантастам не составит проблем создать её, но у Вселенной для этого есть гораздо больше препятствий. Непонятно, какие из вариантов химических взаимодействий способны поддерживать жизнь, и нам неизвестно, какая среда необходима для тех вариантов, которые способны это делать.

Тем не менее, в принципе тёмная жизнь может существовать, прямо у нас под носом. Но без более сильных взаимодействий с материей нашего мира, она может развлекаться, сражаться, быть активной или пассивной – и мы никогда не узнаем об этом. Интересно, однако, что при наличии взаимодействий в тёмном мире, связанных или не связанных с жизнью, они могут влиять на структуру измеряемым образом. И тогда мы сможем гораздо больше узнать о тёмном мире.

«Мы можем находиться на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», — говорит физик Эрик Верлинде (Erik Verlinde).

Общая теория относительности Эйнштейна не может применяться в микроскопическом масштабе и, видимо, не может дать объяснения таким явлениям как черная дыра и Большой взрыв.

Идея о невидимой темной материи и темной энергии не может объяснить те наблюдения, которые противоречат теории Эйнштейна.

Нидерландский физик Эрик Верлинде предлагает совершенно новую теорию, которая может объяснить движение во Вселенной без влияния на него темной материи.

Верлинде отрицает силу притяжения как одну из фундаментальных сил и считает, что она — явление, возникающее как следствие других меньших движений. Он называет это эмергентной гравитацией.

В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем астрофизикам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Адаму Риссу (Adam Riess) и Брайану Шмидту (Brian Schmidt).

Ученые открыли то, что считается одним из первых прорывов в теоретической астрофизике, а именно — что Вселенная ускоряет свое расширение, а не замедляет, как думали раньше.

Сол Перлмуттер начал эту работу, приступив в 1988 году к изучению света от сверхновых звезд. Шесть лет спустя Адам Рисс и Брайан Шмидт приняли эту эстафету, и как говорят, у двух команд возникли споры в связи с открытиями.

Обе команды ожидали, что расширение Вселенной замедлилось из-за гравитации между галактиками, это одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна. Обе команды, между тем, пришли к одному и тому же выводу: предположение было ошибочным, Вселенная расширяется все быстрей.

Контекст

Закончить начатое Эйнштейном

Project Syndicate 14.05.2016

Гравитационные волны: завершено то, что Эйнштейн начал в Берне

SwissInfo 13.02.2016

Эйнштейн сокрушит их всех

Süddeutsche Zeitung 02.10.2013
На основе теории Эйнштейна 1915 года существовало предположение, что единственной продолжительной естественной силой, способной влиять на расширение Вселенной, была гравитация. Также считалось, что галактики будут притягивать друг друга и поэтому замедлять скорость расширения Вселенной после Большого взрыва.

Мы пока еще не знаем точно, в чем состоит ошибка. Мы совершенно не знаем, что это за отталкивающая сила, и только называем ее темной энергией. Ученые предположили, что 96% Вселенной состоят из темной материи и темной энергии.

Термин «темная материя» используется также и для того, чтобы объяснить, почему звезды остаются в перекручивающейся галактике, а не вылетают из нее во Вселенную.

Но: не только обычный человек считает, что идея о некоей невидимой силе во Вселенной не совсем правильна.

Известный нидерландский физик Эрик Верлинде опубликовал научную статью, где утверждает, что может объяснить движение без влияния на него темной материи, пишет сайт phys.org.

Ядром объяснения Верлинде является противоречивая идея о энтропийной гравитации. В 2010 году он удивил научное сообщество этой своей теорией, опровергавшей образ мышления людей в последние 300 лет.

Согласно теории Верлинде, сила притяжения не является одной из четырех фундаментальных сил, она является чем-то, что возникает. Верлинде утверждает, что гравитация — это эмергентное явление.

Так же, как образуется тепло, когда двигаются микроскопические частицы, образуется и гравитация — путем изменений в положении небесных тел, собранных в самой структуре пространство-время.

«У нас есть доказательства того, что этот способ рассматривания гравитации фактически совпадает с тем, что мы наблюдаем. В большом масштабе сила притяжения ведет себя абсолютно не так, как предсказывает теория Эйнштейна», — говорит он на сайте Phys.org.

На пороге научной революции

Наука уже давно знала, что в общей теории относительности Эйнштейна и теориях квантовой механики есть что-то непонятное.

Первая объясняет вещи большого масштаба, как предметы во Вселенной влияют друг на друга. Квантовая механика используется, чтобы объяснять вещи на микроскопическом уровне. Но обе теории не могут быть использованы одновременно друг с другом, что действительно является большой мистерией современной физики.

Обе теории не могут быть истинными в одно и то же время. Проблемы начинаются в самый напряженных ситуациях, таких как близость черной дыры и Большой взрыв.

Верлинде считает, что мы приближаемся к решению мистерии, что потребует переписать многое в учебниках.

«Многие физики-теоретики, такие, как я, работают над пересмотром теории, и уже сделаны большие шаги вперед. Может быть, мы стоим на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», — говорит Верлинде на сайте Phys.org.

Майкл Рампино, профессор биологии из Университета Нью-Йорка, что движение Земли через галактический диск (наш регион в галактике Млечный Путь) могло стать причиной массовых вымираний на Земле. Это произошло потому, что наше движение нарушило орбиты комет во внешней Солнечной системе (известной как «облако Оорта») и вызвало увеличение теплоты ядра нашей планеты.

Вместе со своими планетами, Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути каждые 250 миллионов лет. Во время своего путешествия оно плетется через галактический диск каждые 30 миллионов лет. Рампино утверждает, что проход Земли через диск совпадает с падением комет и массовыми вымираниями на Земле, включая то, что случилось 65 миллионов лет назад, когда вымерли динозавры. Есть также теория, что непосредственно перед тем, как астероид положил конец гигантским ящерам, их ряды существенно проредили вулканические извержения.

Сочетание необычной вулканической активности и столкновения с астероидом совпадают с прохождением Земли через галактический диск: «Во время прохождения через диск концентрации темной материи нарушают пути комет, которые, как правило, пролетают далеко от Земли во внешней Солнечной системе», говорит Рампино. «Это означает, что кометы, которые обычно путешествуют на больших расстояниях от Земли, выбирают необычные пути вплоть до столкновения с планетой». Некоторые считают, что теория Рампино не работает, потому что динозавры вымерли из-за падения астероида, а не кометы. Тем не менее, есть мнение, что 4% облака Оорта состоит из астероидов, а это порядка восьми миллиардов.

В дополнение к этому Рампино считает, что каждый проход Земли через галактический диск приводил к тому, что темная материя накапливалась в ядре планеты. Поскольку частицы темной материи аннигилируют друг друга, они создают сильное тепло, а оно может вызывать вулканические извержения, изменения уровня моря, рост гор и другую геологическую активность, которая серьезно влияет на жизнь на Земле.

Млечный Путь может быть гигантской червоточиной

Возможно, мы живем в гигантском туннеле, который является коротким путем через Вселенную. Как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, червоточина — это регион, в котором пространство и время искривляются, создавая «кротовую нору» в удаленную часть Вселенной. По мнению астрофизиков из Международной школы продвинутых исследований в Триесте, Италия, темная материя в нашей галактике может быть распределена таким образом, что обеспечивает стабильно существующую червоточину . Эти ученые считают, что пришло время переосмыслить природу темной материи, возможно, она просто представляет .

«Если мы объединим карту темной материи в Млечном Пути с последней моделью Большого Взрыва, - говорит профессор Пауло Салуччи, - и предположим существование пространственно-временных туннелей, мы получим, что наша галактика вполне может располагать одним из таких туннелей, и такой туннель может быть размером с целую галактику. Кроме того, мы можем даже пройти через этот туннель, поскольку он, согласно нашим расчетам, будет судоходным. Как тот, что мы видели в фильме «Интерстеллар».

Конечно, это всего лишь теория. Но ученые считают, что темная материя может быть ключом к созданию червоточины и наблюдению за ней. Пока же никаких червоточин в природе обнаружено не было.

Открытие галактики X

Галактика X также известна как галактика темной материи, по большей части невидимая карликовая галактика, которая может быть причиной странной ряби в холодном водороде за пределами диска Млечного Пути. Считается, что галактика X является спутниковой галактикой Млечного Пути в кластере из четырех переменных цефеид, пульсирующих звезд, которые используются в качестве маркеров для измерения расстояний в космосе. Мы не видим остальную часть этой карликовой галактики, потому что она состоит из темной материи, согласно теории. Тем не менее благодаря гравитационному притяжению этой галактики возникает рябь, которую мы видим. Без источника гравитации в виде темной материи, удерживающего их вместе, четыре цефеиды, скорее всего, разлетелись бы прочь.

«Открытие переменных цефеид показывает, что наш метод нахождения местоположений карликовых галактик с преимущественно темной материей работает, - говорит астроном Сукания Чакрабарти. - Это может помочь нам в конечном счете понять, из чего состоит темная материя. Также это показывает, что теория тяготения Ньютона может использоваться в самых дальних уголках галактики и нет необходимости изменять нашу теорию гравитации».

Распад бозона Хиггса на темную материю

Разработанная в 1970-е годы физики элементарных частиц представляет собой набор теорий, которые по сути предсказывают все известные субатомные частицы во Вселенной и то, как они взаимодействуют. С подтвержденным в 2012 году существованием бозона Хиггса (известным также как «частица Бога»), Стандартная модель стала завершенной. К сожалению, эта модель объясняет далеко не все и ничего не говорит про гравитацию и темную материю. Масса частицы Хиггса также некоторым ученым.

Это и побудило ученых из Технологического университета Чалмерса предложить новую модель, основанную на суперсимметрии, которая оснащает каждую известную частицу Стандартной модели более тяжелым суперпартнером. Согласно новой теории, небольшая часть частиц Хиггса распадается на фотон (частицу света) и два гравитино (гипотетические частицы темной материи). , она полностью перевернет наше понимание фундаментальных строительных блоков природы.

Темная материя на Солнце

В зависимости от метода, используемого для анализа Солнца, количество элементов тяжелее водорода или гелия будет колебаться на 20-30 процентов. Мы можем измерить каждый из этих элементов, глядя на спектр излучаемого им света, как по отпечатку пальца, или изучить, как он влияет на звуковые волны, проходящие сквозь Солнце. Таинственная разница в этих двух типах измерения элементов Солнца называется проблемой солнечного избытка (или изобилия).

Нам необходимо точно измерить эти элементы, чтобы понять химический состав Солнца, а также его плотность и температуру. Во многих отношениях это также поможет нам понять состав и поведение других звезд, а также планет и галактик.

В течение многих лет ученые не могли разработать приемлемое решение. Затем астрофизик Аарон Винсент и его коллеги предположили наличие темной материи в ядре Солнца в качестве возможного ответа на вопрос. После проверки многих моделей, они пришли к теории, которая вроде как работала. Тем не менее она включала специальный тип темной материи - «слабо взаимодействующую асимметричную темную материю», которая могла быть либо материей, либо антиматерией одновременно.

На основе измерений гравитации ученые узнали, что Солнце окружает гало темной материи. Частицы асимметричной темной материи не содержат много антиматерии, поэтому могут переживать контакт с обычной материей и накапливаться в ядре Солнца. Эти частицы также могут абсорбировать энергию в центре Солнца, а затем транспортировать ее тепло к внешним краям, что могло бы объяснить проблему солнечного избытка.

Темная материя может быть макроскопической

Ученые из Case Western Reserve сомневаются, что мы ищем темную материю в нужных местах. В частности, что темная материя может состоять не из крошечных экзотических частиц вроде вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц), а из макроскопических объектов, которые варьируются от нескольких сантиметров до размеров астероида. Однако ученые ограничивают свою теорию тем, что уже наблюдается в космосе. Отсюда рождается их вера, что Стандартная модель физики элементарных частиц даст ответ. Новая модель не нужна.

Ученые назвали свои объекты темной материи «макросами». Они не утверждают, что вимпов и аксионов нет, но допускают, что наш поиск темной материи может включать других кандидатов. Есть примеры материи, которая не является ни обычной, ни экзотической, но которая подходит по параметрам к Стандартной модели.

«[Научное] сообщество отказалось от мысли, что темная материя может состоять из обычного вещества, в конце 80-х, - говорит профессор физики Гленн Старкмен. - Мы задаемся вопросом, не ошиблось ли оно и не может ли темная материя состоять из обычного вещества - кварков и электронов?».

Обнаружение темной материи по GPS

Двое физиков предложили использовать GPS-спутники для поиска темной материи, которая, по мнению ученых, может не быть частицами в общепринятом смысле, а скорее потеками в ткани пространства-времени.

«Наше исследование преследует мысль, что темная материя может быть организована как гигантское газоподобное собрание топологических дефектов, или энергетических трещин, - говорит Андрей Деревянко из Университета штата Невада. - Мы предлагаем обнаружить эти дефекты, темную материю, с помощью сети чувствительных атомных часов. Идея состоит в том, что когда часы рассинхронизируются, мы будем знать, что в этом месте прошла темная материя, топологический дефект. По сути, мы планируем использовать GPS-спутники как крупнейший созданный человеком детектор темной материи».

Ученые анализируют данные с 30 GPS-спутников и пытаются с их помощью проверить свою теорию. Если темная материя действительно является газоподобной, Земля будет проходить через нее по мере движения по галактике. Выступая в качестве ветра, клочья темной материи будут сдуваться Землей и ее спутниками, в результате чего GPS-часы на спутниках и на земле будут терять синхронизацию каждые три минуты. Ученые смогут контролировать расхождения до одной миллиардной доли секунды.

Темная материя может питаться темной энергией

Согласно одному из последних исследований, темная энергия может питаться темной материей по мере их взаимодействия, что, в свою очередь, замедляет рост галактик и в конечном итоге может оставить Вселенную чуть ли не совершенно пустой. Вполне возможно, что темная материя распадается на темную энергию, но этого мы пока не знаем. Космический аппарат Планк недавно уточнил цифры физического состава Вселенной: 4,9% обычной материи, 25,9% темной материи и 69,2% темной энергии.

Мы не видим темной материи или темной энергии. Эти термины даже не очень хорошо расписаны научным сообществом. Они больше похожи на условные обозначения, которые будут оставаться, пока мы не поймем, что происходит на самом деле.

Темная материя притягивает, а темная энергия отталкивает. Темная материя является рамой или основой, на которой строятся галактики и их содержание. Ее гравитационное притяжение, как полагают, удерживает звезды вместе в галактиках. Гравитация сильнее, когда объекты находятся ближе друг к другу, и слабее, когда они дальше друг от друга.

С другой стороны, темная энергия означает силу, которая заставляет Вселенную расширяться, разбрасывая галактики прочь. Поскольку темная энергия отталкивает эти объекты, гравитация ослабевает. Это говорит о том, что расширение пространства ускоряется, а не замедляется вследствие гравитационных эффектов, как полагали однажды.

«С конца 1990-х годов астрономы убедились в том, что что-то заставляет расширение нашей Вселенной ускоряться, - говорит профессор Дэвид Вондс из Университета Портсмута. - Простое объяснение состоит в том, что пустой космос - вакуум - обладает энергетической плотностью, которая является космологической постоянной. Тем не менее появляется все больше доказательств того, что эта простая модель не может объяснить полный диапазон астрономических данных, к которым имеют доступ ученые. В частности, разрастание космической структуры, галактик и скоплений галактик происходит медленнее, чем ожидалось».

Темная материя вызывает рябь в галактическом диске

Если смотреть в космос с Земли, мы увидим, что звезды внезапно заканчиваются в 50 000 световых годах от центра нашей галактики. Следовательно, это конец галактики. Мы не увидим ничего серьезного, пока не отойдем на 15 000 световых лет от этой границы, Кольца Единорога, звезд, которые располагаются выше плоскости нашей галактики. Некоторые ученые считали, что эти звезды были оторваны от другой галактики.

Однако новый анализ данных в ходе Sloan Digital Sky Survey показал, что Кольцо Единорога по сути является . Это означает, что Млечный Путь по меньшей мере на 50% больше, чем мы думали - а диаметр нашей галактики увеличивается со 100 000–120 000 световых лет до 150 000–180 000 световых лет.

Глядя с Земли, мы не видим, что они соединяются из-за провалов в галактическом диске. Эта рябь похожа на концентрические круги, которые расходятся от места падения камня в воду. Волна поднимается и закрывает вид океана, остаются видны только более высокие волны. Так что, хотя наша точка зрения была частично заблокирована формой нашей галактики, мы увидели Кольцо Единорога словно вершину высокой волны.

Это открытие меняет наше понимание строения Млечного Пути.

«Мы обнаружили, что диск Млечного Пути - не просто диск звезд в одной плоскости, он гофрирован, - говорит Хайди Ньюберг из Научной школы Ренсселера. - Мы видим по меньшей мере четыре впадины в диске Млечного Пути. И поскольку эти четыре впадины видны только с нашей точки зрения, можно предположить, что подобная рябь имеется по всему диску Млечного Пути».

Ученые полагают, что эта рябь может быть вызвана куском темной материи или карликовой галактики, рассекшей Млечный Путь. Если эта теория окажется верной, концентрические впадины Млечного Пути помогут ученым проанализировать распределение темной материи в нашей галактике.

Гамма-лучевая сигнатура

До недавнего времени единственным способом, с помощью которого ученые могли обнаружить темную материю, было наблюдение его возможного гравитационного воздействия на другие космические объекты. Тем не менее ученые полагают, что гамма-лучи могли бы быть прямым указанием на то, что темная материя прячется в нашей Вселенной. Возможно, они уже обнаружили первую гамма-лучевую сигнатуру в Reticulum 2, недавно обнаруженной карликовой галактике около Млечного Пути.

Гамма-лучи - это форма высокоэнергетического электромагнитного излучения, испускаемого из плотных центров галактик. Если темная материя действительно состоит из вимпов, частицы темной материи могут быть источником гамма-лучей, образующихся в процессе взаимной аннигиляции вимпов при контакте. Тем не менее гамма-лучи также могут выделяться другими источниками вроде черных дыр и пульсаров. Если в процессе анализа получится отделить одни источники от других, мы сможем получить гамма-лучи темной материи. Но это только теория.

Ученые полагают, что в большинстве карликовых галактик недостает важных источников гамма-лучей, на темную материю может приходиться 99%. Потому-то физики из университетов Карнеги-Меллона, Брауна и Кембриджа разволновались в связи с получением гамма-лучей из Reticulum 2.

«Гравитационное обнаружение темной материи может сказать очень немногое о поведении частиц темной материи, - говорит Мэтью Уокер из Университета Карнеги-Меллона. - Теперь у нас есть негравитационное обнаружение, которое демонстрирует, что темная материя ведет себя как частица, и это крайне важно». Конечно, остается возможность, что это гамма-излучение пришло из других источников, которые пока не были определены. Вместе с тем рядом с Млечным Путем дает ученым возможность для дальнейшего исследования этой теории.

По материалам listverse.com

Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.

Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.

Откуда появилась концепция тёмной материи?

Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.

Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.

Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.

Какая она - тёмная материя?

Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.

Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.

На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.

Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.

(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )

Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.

Теории существования тёмной материи

Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:

• Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
• Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
• Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.

Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?

Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.

Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.

В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.

Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.

Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.

Существование тёмной материи и тёмной энергии подтверждено последними измерениями, выполненными на Южном полюсе телескопом QUEST. Информация о них сохранилась в излучении, оставшемся со времён Большого Взрыва.

Международная группа исследователей из , Великобритании и Ирландии показала, что оставшееся со времён Большого Взрыва излучение хранит информацию о материи, невидимой и недоступной для прямого наблюдения. Тёмная материя и тёмная энергия составляют свыше 90% массы Вселенной. Об их свойствах известно немного: частицы тёмной материи до сих пор не удалось зарегистрировать детекторами и потому любые дополнительные данные представляют для физиков особую ценность. Группа учёных, работавшая над проектом QUAD и представившая свои результаты в журнале «The Astrophysical Journal», смогла получить ещё одно свидетельство того, что невидимая и открытая лишь в 1990-х годах часть Вселенной – это не просто смелая гипотеза.

Тёмную материю не видно, она не регистрируется детекторами, обнаружена лишь по гравитационному воздействию на движение звёзд и скоплениям раскалённого газа. Тёмной материи в 5,5 раза больше, чем обычного вещества, и её не стоит путать с двумя другими сущностями – невидимым в видимом свете, но заметным в инфракрасные телескопы газом и тёмной энергией. Тёмная энергия – это пока что загадочная сила, которая обеспечивает расширение Вселенной с ускорением. Её поведение похоже на поведение вещества, которое вместо притяжения за счёт гравитации создаёт отталкивание, своего рода антигравитацию.

Эхо от рождения Вселенной

Телескоп, установленный в обсерватории на Южном полюсе, исследователи не нацеливали специально на звёзды, планеты или галактику. При помощи инструмента было организовано наблюдение, казалось бы, за совершенно пустым небом, которое, тем не менее, имеет излучение. Излучение, приходящее в буквальном смысле, из ниоткуда. Микроволны, которые порождает вовсе не конкретное небесное тело и которые равномерно приходят со всех сторон. Как это загадочное излучение связано с и энергией?

Излучение и есть та самая вспышка, которая сопровождала Большой Взрыв. Из-за расширения Вселенной его интенсивность снизилась, а энергия отдельных квантов уменьшилась. Тем не менее, излучение, называемое учёными реликтовым, никуда не делось. Небо остывало, на смену палящим со всех сторон гамма-лучам приходили рентген, потом ультрафиолет, видимый свет и через 13 млрд. лет микроволны. Вспышка, которая предшествовала всему, видна до сих пор – ещё в 1965 году подтвердили её экспериментально.

Эхо былого

А раз до сих пор можно увидеть (пусть и при помощи приборов) вспышку Большого Взрыва, значит и о рождении Вселенной можно попытаться узнать что-то новое. Знание о том, как меняется яркость реликтового излучения в разных направлениях, уже подтвердило догадку учёных о неравномерном разлёте первой материи в разные стороны, а измерение энергии излучения позволило уточнить возраст Вселенной.

Микроволны, как и видимый свет, наряду с интенсивностью и длиной волны («цветом») имеют еще такой параметр, как поляризация. Поляризация – это величина, показывающая, как волна ориентирована в пространстве. В большинстве случаев она хаотична: волны солнечного света, например, колеблются в самых разных плоскостях, и некоторое упорядочивание их возникает лишь при прохождении через определённые вещества или при отражении под углом от полированных поверхностей.

Эффект поляризации, или пропускание веществом волн только в определённой плоскости, использовали химики и материаловеды. Теперь его применили и астрономы, причём не для обычной материи, а для тёмной. При помощи антарктического телескопа была составлена карта Южного полушария неба, на которой учёные отметили поляризацию излучения.

Направление для исследований

То, как поляризовано реликтовое излучение, в свою очередь сообщает о том, как двигалась материя после Большого Взрыва. Исследователи в своей статье поясняют, что при взаимодействии с движущейся излучение приобретало поляризацию, причём направление поляризации зависело от того, под каким углом двигалась материя. Карта, составленная группой QUAD, возможно, и не даёт абсолютно точной картины распределения тёмной материи, но, как минимум, серьёзно ограничивает количество новых теорий.