Что такое темная материя?
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.
Понятие темной материи введено для теоретического объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования (в них задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи); среди прочих предложенных оно наиболее удовлетворительно.
Состав и природа темной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной темной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц — вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены.
Сам же термин «темная материя», возможно, впервые был использован относительно оценки массы звезд галактики исходя из распределения их скоростей. В окончательном итоге термин начал использоваться именно в смысле ненаблюдаемой материи, о существовании которой можно судить лишь по ее гравитационному воздействию.
Альтернативные теории существования темной материи
- Альтернативные теории гравитации
При попытке объяснить наблюдаемые явления, на основании которых в совокупности был сделан вывод о необходимости существования темной материи, без привлечения этой концепции в первую очередь высказывались соображения относительно справедливости общепринятых законов гравитационного взаимодействия на больших расстояниях.
Наиболее известной является модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — теория, предложенная в начале 1980-х годов израильским астрофизиком Мордехаем Милгромом и представляющая собой модификацию закона тяготения, дающую более сильное взаимодействие в некоторых областях пространства, таким образом, чтобы объяснялся наблюдаемый вид кривых вращения галактик.
В 2004 году физиком-теоретиком Яаковом Бекенштейном, также из Израиля, было разработано релятивистское обобщение этой гипотезы — тензор-вектор-скалярная теория гравитации, объясняющая также наблюдаемые эффекты гравитационного линзирования.
Кроме того, в 2007 году канадский физик Джон Моффат предложил свою теорию модифицированной гравитации, называемую также скаляр-тензор-векторной теорией гравитации.
Сторонники теорий модифицированной гравитации считают аргументом в свою пользу отсутствие в настоящее время положительных результатов экспериментов по непосредственному обнаружению частиц темной материи.
Между тем, в настоящее время большинство ученых не признает MOND, поскольку основанные на ней расчеты указывают на ее несостоятельность. Проблема альтернативных теорий гравитации в том, что если они и дают обоснование отдельным эффектам, являющимся следствиями существования темной материи, все равно не учитывают их в совокупности.
Они не объясняют наблюдаемого поведения сталкивающихся скоплений галактик и несовместимы с космологическими аргументами в пользу присутствия большого количества небарионного невидимого вещества в ранней Вселенной.
- Плазменная космология
Эта теория была разработана в 1960-х годах шведским физиком по имени Ханнес Альфвен (нобелевский лауреат 1970 года за открытия по магнитодинамике) — при этом он использовал опыт своих исследований околоземной плазмы (полярное сияние) и ранние работы Кристиана Биркеланда.
Основой теории является предположение, что электрические силы являются более весомыми на больших расстояниях (масштаб галактики и скопления галактик), чем гравитация. Если допустить, что плазма заполняет всю вселенную и имеет хорошую проводимость, то она могла бы проводить огромные электрические токи (около 1017–1019 ампер) на масштабах в десятки мегапарсек.
Такие токи создают мощное галактическое магнитное поле, которое в свою очередь формирует структуру как галактик, так и их скоплений (галактических нитей или филаментов).
Наличие такого мощного поля легко объясняет формирование галактических рукавов (единого мнения о причине образования галактических рукавов пока нет), распределение скорости вращения галактических дисков от радиуса, устраняет необходимость введения гало из темной материи.
Но на данный момент ни таких мощных токов в масштабах десятков мегапарсек, ни высоких межгалактических и внутригалактических магнитных полей современная астрофизика не наблюдает.
Предположения плазменной космологии о нитевидно-клеточной структуре и однородности Вселенной на больших масштабах (так называемая Крупномасштабная структура Вселенной), сделанные Альфвеном и Энтони Перратом, неожиданно были подтверждены наблюдениями в конце 1980-х и в 1990-х годах, однако эти наблюдения объясняются и в рамках общепринятой космологической модели.
Для объяснения нитевидной структуры Вселенной в настоящее время используется теория образования нитей за счет гравитационной неустойчивости (первоначально почти однородное распределение массы концентрируется на каустиках и приводит к образованию нитей), на растущих структурах темной материи, вдоль которых и формируется структура видимой материи (происхождение такой структуры тёмной материи объясняется квантовыми флуктуациями в процессе инфляции).
В настоящее время плазменная космология как теория непопулярна, так как отрицает развитие Вселенной по пути Большого Взрыва. С другой стороны, если отказаться от теории Большого Взрыва и считать возраст Вселенной гораздо большим, чем 13,5 миллиардов лет, то скрытая масса во многом может быть объяснена такими MACHO-объектами как черные карлики, которые эволюционируют из остывших за десятки миллиардов лет белых карликов.
- Материя из других измерений (параллельных Вселенных)
В некоторых теориях с дополнительными измерениями гравитация принимается как уникальный тип взаимодействия, который может действовать на наше пространство из дополнительных измерений.
Это предположение помогает объяснить относительную слабость гравитационного взаимодействия по сравнению с тремя другими основными взаимодействиями (электромагнитным, сильным и слабым): гравитация слабее, так как может взаимодействовать с массивной материей в дополнительных измерениях, проникать сквозь барьер, недоступный другим взаимодействиям.
Отсюда следует, что эффект темной материи может быть логично объяснен взаимодействием видимой материи из наших обычных измерений с массивной материей из других (дополнительных, невидимых) измерений через гравитацию. При этом остальные типы взаимодействий эти измерения и эту материю в них не могут никак ощутить, не могут с ней взаимодействовать.
Материя в других измерениях (фактически в параллельной Вселенной) может формироваться в структуры (галактики, скопления галактик, филаменты) похожим на наши измерения способом или формировать свои, экзотические структуры, которые в наших измерениях ощущаются как гравитационное гало вокруг видимых галактик.
- Топологические дефекты пространства
Темная материя может просто являться изначальными (возникшими в момент Большого Взрыва) дефектами пространства и/или топологии квантовых полей, которые могут содержать в себе энергию, тем самым вызывая гравитационные силы.
Это предположение может быть исследовано и проверено с помощью орбитальной сети космических зондов (вокруг Земли или в пределах Солнечной системы), оснащенных точными непрерывно синхронизируемыми (с помощью GPS) атомными часами, которые зафиксируют прохождение такого топологического дефекта через данную сеть.
Эффект проявится как необъяснимое (обычными релятивистскими причинами) рассогласование хода этих часов, имеющее чёткое начало и, со временем, конец (в зависимости от направления движения и размеров такого топологического дефекта).
Галактика без темной материи
Ученые находят галактики без темной материи, однако объяснить способы их формирования наверняка нельзя.
- NGC1052-DF2
В галактике NGC1052-DF2 темной материи по меньшей мере в 400 раз меньше, чем должно было бы быть.
Результаты измерений, проведенных при помощи 10-метрового телескопа обсерватории Кека и космического телескопа «Хаббл» (это лучшие из имеющихся на сегодня астрономических инструментов), допускают и то, что темной материи в NGC1052-DF2 нет вовсе.
Эта видимая только в крупные телескопы галактика имеет суммарную светимость на уровне 100 млн таких звезд, как Солнце, а ее масса выше массы Солнца примерно в 200 млн раз — по этим параметрам NGC1052-DF2 не слишком выбивается из общего ряда.
А вот то, что внутри нее обнаруживается десять сравнительно ярких объектов и за счет этого на ряде снимков галактика оказывается совокупностью ярких точек вместо размытого облачка, уже гораздо более интересный факт; именно он заставил астрономов развернуть в сторону NGC1052-DF2 телескопы с плотно забитым графиком работы.
По заключению исследователей, эти яркие точки являются шаровыми звездными скоплениями, однако их число и распределение светимостей настолько необычно, что астрономы даже отказались подробно рассказывать об этих объектах в настоящей публикации и пообещали вернуться к этому подробнее в другой публикации, все еще находящейся в процессе подготовки.
Если сравнивать NGC1052-DF2 с другими галактиками такой же массы, то невидимое гало из темной материи должно было бы быть в четыреста раз тяжелее того, что получается у астрономов, и это чрезвычайно необычный результат.
- NGC 1052-DF4
Ученые описывают результаты дополнительных наблюдений, которые позволили сделать более надежные оценки дисперсии скоростей на основе движений звезд. В результате астрономы получили значение 8,5 километра в секунду с заметно меньшими ошибками (порядка 30%).
Из этих данных следует, что полная масса галактики примерно равна массе светящегося вещества, что исключает необходимость введения темной материи в данном случае. Также ученые обнаружили рядом похожую галактику NGC 1052-DF4, у которой также оказалась экстремально низкая дисперсия скоростей звезд — около 4,2 километра в секунду, но ошибки в данном случае составляют порядка 80%.
По мнению авторов, полученные данные высокого качества являются убедительным доказательством существования не просто одной исключительной галактики без темной материи, но и нового класса подобных объектов.
Также они напоминают, что эти результаты ни в коей мере не опровергают гипотезу о темной материи, а, наоборот, подтверждают ее необходимость: если бы описываемые ей эффекты на самом деле порождались обычной материей, то подобной ситуации не могло бы возникнуть, а раз найден объект без темной материи, то это говорит именно о существовании двух отдельных видов субстанций, которые не связаны напрямую.
Как галактики могут существовать без темной материи?
Галактики, которые, судя по наблюдениям, практически не содержат темной материи — слабо взаимодействующей с окружающим веществом субстанции, которая, как считается, отвечает за 26,8% массы Вселенной, — усложняют понимание астрономами природы этого вещества.
Такие объекты, обнаруженные в результате недавних наблюдений, бросают вызов принятой астрофизиками космологической модели Лямбда-CDM, согласно которой все галактики должны быть окружены массивным гало темной материи.
Свободные от темной материи объекты не очень хорошо изучены астрономами. Один из способов исследования возможных механизмов их формирования состоит в наблюдении за несколькими из них, находящимися на разных этапах развития. Обработка информации о галактиках с помощью компьютерной модели позволяет проследить их эволюцию.
Для того, чтобы разобраться в устройстве этих объектов, ученые смоделировали их эволюцию с помощью модели Illustris, которая учитывает жизненные циклы звезд, влияние сверхновых и черных дыр и слияния галактик. Исследователи обнаружили в системе, созданной моделью, несколько «карликовых галактик» с одинаковым количеством звезд, числом шаровых скоплений и массой темной материи.
Как следует из названия, карликовая галактика невелика и состоит из нескольких миллиардов звезд. Напротив, Млечный Путь, вокруг которого вращается более 20 известных карликовых галактик, имеет от 200 до 400 миллиардов звезд.
Шаровые скопления часто используются для оценки содержания темной материи в галактиках, особенно в небольших. Астрофизики обнаружили, что карликовые галактики потеряли 90% своей темной материи в результате «выталкивания» составляющего их материала собственными гравитационными силами.
Что в итоге?
Открытие черных дыр без темной материи не означает, что ее не существует. Наоборот, галактика без типичного распределения звезд по скоростям подрывает позиции теорий, которые пытаются списать результаты наблюдений на некий универсальный и не связанный с темной материей эффект.
Именно в модифицированной ньютоновской динамике звезды всегда должны вращаться вокруг центра галактик с примерно равной скоростью, а NGC1052-DF2 играет против этой модели, уже и так утратившей поддержку многих специалистов.
Допустить существование галактики без темной материи современная астрофизика вполне может, в то время как мысль о том, что закон всемирного тяготения избирательно работает в разных частях Вселенной, представляется по меньшей мере сомнительной.
Читать далее
Самый большой в мире айсберг разрушился, осколки устремились на север. Это опасно?
На спутнике Сатурна Рее обнаружили следы ракетного топлива. Откуда оно там?