Тёмная материя

Вселенную лихорадит: температура космоса выросла в несколько раз и чем это может грозить

Астрономы выяснили, что за последние восемь миллиардов лет температура вещества во Вселенной выросла втрое. О том, как исследователям удалось это определить, отчего разогревается космос и какие выводы из этого могут сделать обитатели Земли, рассказывает кандидат физико-математических наук астрофизик Анатолий Глянцев //  www.forbes.ru

 

Дело в том, что темная материя обладает тяготением, как и обычное вещество. Но есть у нее и принципиальное отличие. Когда гравитация сжимает облако обычного газа, его атомы все чаще сталкиваются друг с другом. Из-за этих столкновений возникает давление, и оно противодействует сжатию. А вот частицы темной материи, согласно современным теориям, никогда не встречаются друг с другом. Поэтому у темного вещества нет давления, и его сгусток беспрепятственно сжимается гравитацией.

 

NPR Cookie Consent and Choices

NPR’s sites use cookies, similar tracking and storage technologies, and information about the device you use to access our sites (together, “cookies”) to enhance your viewing, listening and user experience, personalize content, personalize messages from NPR’s sponsors, provide social media features, and analyze NPR’s traffic. This information is shared with social media, sponsorship, analytics, and other vendors or service providers. See details. You may click on “Your Choices” below to learn about and use cookie management tools to limit use of cookies when you visit NPR’s sites. //  Дальше — www.npr.org

 

Scientists Discover Outer Space Isn’t Pitch Black After All

Five years ago, the New Horizons spacecraft sailed past Pluto and deeper into the Kuiper Belt.

Because it’s so far from both the Sun and the cosmic dust in the nearer solar system that reflects its light, blinding astronomers, scientists decided to use New Horizons’ instruments to determine just how bright the universe actually is. Even after filtering out every known source of illumination, NPR reports, about half the light remained — revealing either some unknown phenomenon, the limitations of our tech, or both.

Star Bright

The light from all known sources in the cosmos was approximately equivalent to everything that remained, according to the team’s research, which has been accepted for publication by The Astrophysical Journal. That could mean that there are more galaxies out there that are too distant or dim for our telescopes to pick up on. Or, as study coauthor and Space Telescope Science Institute astronomer Marc Postman told NPR, there could be “some other source of light that we don’t yet know what it is.”

Basically, it’s possible there’s some unexplained background glow in the cosmos.

“They’re saying that there’s as much light outside of galaxies as there is inside of galaxies, which is a pretty tough pill to swallow, frankly,” Rochester Institute of Technology astrophysicist Michael Zemcov told NPR.

Zemcov didn’t work on the new study, but he’s conducted similar research in the past and he says the new findings are credible. That pill he mentioned has more to do with accepting that astronomers so severely missed the mark rather than skepticism.

“It’s very difficult to turn around and say to the astronomical community, like, ‘Hey, guys, we’re missing half of the stuff out there,'” he told NPR.

 

Кривая вращения галактики — Википедия

Кривая вращения галактики — функция, описывающая кинематические свойства галактики и представляющая собой зависимость орбитальной скорости звёзд и газа в галактике от расстояния до центра галактики. Совокупность большого объёма наблюдаемых данных свидетельствует, что скорость вращения звёзд не убывает на большом расстоянии от центра галактик, как ожидалось в соответствии с предсказаниями кеплеровской динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящий момент считается, что это является доказательством существования у галактик гало тёмной материи, хотя предлагались и альтернативные объяснения. //  Дальше — ru.wikipedia.org

 

Ещё одна альтернатива — это теория модифицированной гравитации Моффата (MOG), называемая также скаляр-тензор-векторной теорией гравитации[en] (STVG)[11]. Джон Моффат совместно с Джоэлом Бронштейном использовали её для решения проблемы кривых вращения галактик и показали её применимость для выборки из более чем 100 галактик как низкой, так и высокой поверхностной яркости, а также карликовых галактик, и их кривые вращения галактик объяснялись с помощью MOG без необходимости привлечения теории тёмной материи, с использованием только доступных фотометрических данных (звёздное вещество и видимый газ).

 

Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон

Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон, Рубаков В.А., Тиняков П.Г. //  ufn.ru

 

Проблема каспов — Википедия

Проблема каспов (проблема центрального каспа, проблема сингулярного гало, англ. cuspy halo problem) — одно из основных противоречий модели холодной тёмной материи, являющейся в настоящее время общепринятой, с наблюдательными данными. Численное моделирование эволюции структуры галактик на основании общепринятой космологической модели предсказывает сингулярность в распределении плотности гало тёмной материи в центральных областях — так называемый касп. Эффект приводил бы к такому поведению кривых вращения вблизи центра галактик, которого результаты наблюдений не подтверждают. //  Дальше — ru.wikipedia.org

 

Проблема каспов[1][2] (проблема центрального каспа[3][4], проблема сингулярного гало, англ. cuspy halo problem) — одно из основных противоречий модели холодной тёмной материи, являющейся в настоящее время общепринятой, с наблюдательными данными. Численное моделирование эволюции структуры галактик на основании общепринятой космологической модели предсказывает сингулярность в распределении плотности гало тёмной материи в центральных областях — так называемый касп. Эффект приводил бы к такому поведению кривых вращения вблизи центра галактик, которого результаты наблюдений не подтверждают.

 

Нескучная темная материя - Троицкий вариант — Наука

О разных гипотезах происхождения темной материи, о том, какие гипотезы уже можно отвергнуть, а какие кажутся перспективными, главред нашей газеты Борис Штерн поговорил с астрофизиком академиком РАН Игорем Ткачевым. //  trv-science.ru

 

— В принципе динамику галактик и скоплений можно объяснить протокирпичами: летают себе протокирпичи или астероиды в пространстве, они же не светятся. С этого ведь и начали.

— Да, с этого и начали, для объяснения кривых вращения галактик этого достаточно. Еще погасшие звезды, черные дыры. Такие гипотезы были популярны до 1980-х.

— Так почему все-таки протокирпичей недостаточно?

— Если бы темная материя была протокирпичами, тогда галактики не успели бы образоваться. Вселенная на ранних стадиях была заполнена ионизированной плазмой, причем протокирпичи входили в ее состав, и эта плазма мешала первоначальным неоднородностям сформироваться в галактики. А неоднородности из электрически нейтральной темной материи могут начать развиваться раньше. Из материала протокирпичей не образуешь структур.

 

Гипотеза, что черные дыры — это темная материя, не исключена, но сейчас столбовая дорога по объяснению существования темной материи — новые частицы.

— Какой массы они могут быть?

— Любой. Больше, чем 10–24 эВ, ну или, наверно, меньше планковской, если это частицы.

— 10–24 — это ограничение из-за огромной комптоновской длины волны? Частица не помещается в галактике?

— Да, частица не помещается в карликовую галактику, когда ее комптоновская длина волны — килопарсек.

— Теперь недоумение по поводу легких частиц. Они формировались в молодой Вселенной и по идее были в термодинамическом равновесии с другими частицами, с теми же фотонами. Значит, во времена формирования галактик они должны были иметь энергию в доли электронвольта — это скорей релятивистская, чем холодная материя.

— Так и думали на ранних стадиях развития теории. Но такое заключение справедливо, если частицы темной материи имеют достаточно сильное взаимодействие. Но это предположение не имеет обоснований.

— Ну нейтрино же рассматривались как вариант темной материи. Они же взаимодействуют слабо, но термализовались.

— Вопрос, насколько сильно, насколько слабо.

— То есть предполагается, что легкие частицы темной материи взаимодействуют гораздо слабей, чем нейтрино?

— В общем, да. Самый хороший пример — аксионы. Они очень легкие: самый предпочтительный порядок их масс — 10–5 эВ. Есть всякие обобщения, возникающие в теории струн, которые дают массу до 10–24 эВ. Эти аксионы образуются нетермальным механизмом, он очень простой. Чтобы легкие частицы создали достаточно глубокую гравитационную яму, этих частиц должно быть очень много. Если частицы — фермионы, то такой вариант отпадает: из легких фермионов этого сделать нельзя. А если это бозоны — из них можно сделать классическое поле, как электромагнитное. И уже надо рассуждать не в терминах частиц, а в терминах поля.

 

— Отлично. То есть аксионы, несмотря на свою малую массу, остаются холодной темной материей?

— Даже ультрахолодной.

— Но почему они должны быть связаны именно с хромодинамикой?

— В принципе мы можем взять частицу любой массы с потолка и объяснить с ее помощью существование темной материи. Но это неинтересно. Интересно, когда такая частица предсказывается из каких-то других соображений, а затем оказывается хорошим кандидатом на роль темной материи.

Аксион как раз такой. Его ввели в теорию из следующих соображений. Известно, что в сильных взаимодействиях четность почему-то не нарушается, но если посмотреть на лагранжиан теории, то это очень странно — вообще говоря, она должна нарушаться.

Поэтому придумали такую модель, в которой нарушение четности компенсировано аксионным полем. Как только поле скатывается в ноль, нарушение четности в сильных взаимодействиях исчезает. Это очень красиво. Сначала, когда ввели эту теорию, думали, что масса аксиона —порядка характерного масштаба хромодинамики, примерно как у пи-мезона. Но очень быстро стало понятно, что если аксионы столь тяжелы, то и взаимодействуют сильно. Сразу поставили эксперименты на ускорителях и нашли, что таких тяжелых аксионов быть не может, что аксион должен быть легче 1 эВ. Тогда они взаимодействуют очень слабо, что не мешает им решать проблему сохранения четности в сильных взаимодействиях. Вариант 10–5 эВ прекрасно решает все проблемы.

— Значит, то, что мы ищем в первую очередь, это холодная темная материя? Но есть же еще вариант теплой.

— Есть теплая, есть горячая, хотя варианты с горячей темной материей уже закрыты. Характерные скорости в галактике — 10–3 от скорости света. Квадрат этой скорости примерно равен гравитационному потенциалу ямы. При большей скорости, как у горячих частиц, галактики из них просто не образуются, а частицы разлетаются.

— Правильно ли я понимаю, что на роль холодной темной материи годятся и аксионы, и WIMP-ы (ВИМП, WIMP — Weakly Interacting Massive Particle — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица. — Ред.), а нейтрино не годятся?

— Неправильно. Нейтрино тоже подходят.

— Но почему? Масса у них маленькая, энергия достаточно большая, как у реликтовых фотонов.

— Как я уже сказал, интересны теории, в которых кандидаты на роль темной материи возникают естественно. Из немного: WIMP-ы, естественно возникающие в теориях суперсимметрии; аксионы, решающие проблему отсутствия СР-инвариантности в сильных взаимодействиях, ну и нейтрино.

— Каким образом нейтрино?

— Слабые взаимодействия нарушают пространственную четность. В стандартной модели есть левые и правые частицы — частица как бы вращается. Если она вращается влево (против часовой стрелки) относительно направления своего движения, то это левая частица, если наоборот — правая. При отражении в зеркале левая частица становится правой. Если для всех частиц есть равноправные партнеры при зеркальном отражении, то пространственная четность нарушаться не будет. Поскольку четность нарушается, то Лев Ландау предложил самый простой вариант: «А правых нейтрино нет». Про другие частицы — кварки, электроны — так сказать нельзя из-за электрического заряда, а про нейтрино — можно. Это странно, поскольку, если бы нейтрино обладало когнитивными способностями и посмотрело на себя в зеркало, оно бы не увидело своего отражения. При этом нейтрино естественным образом безмассовые — так и есть в Стандартной модели. Потом из экспериментов стало понятно, что у нейтрино масса есть, за ее вычисление Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) дали Нобелевскую премию в 2015 году.

Самый простой способ ввести массу нейтрино — добавить правое нейтрино. В этом смысле восстанавливается равноправие с кварками и другими лептонами. Но когда частица нейтральная, вовсе не обязательно, чтобы массы левой и правой частицы совпадали, как это имеет место для заряженных электронов. Добавляя правые частицы, мы можем сказать, что масса у них другая, какая — не знаем. В этом случае если левое нейтрино посмотрит на себя в зеркало, то оно увидит нечто, но совсем другое, какого-то монстра, например, гораздо тяжелее себя. Четность нарушена, но не так, как у Ландау. И если эта правая частица будет тяжелее 1 кэВ, то она годится на роль темной материи, но совсем тяжелые ГэВ’ы — МэВ’ы не подходят: они будут распадаться. А из легких фермионов темную материю не сделаешь, поскольку из-за принципа Паули много их не посадишь в потенциальную яму. Поэтому левые нейтрино вклада в темную материю не дают, а правые могут дать, и это очень естественный вариант, который сразу решает две проблемы: массы нейтрино и темной материи.

 

— Есть термин «теплая темная материя». К чему он относится? В чем разница между холодной и теплой?

— Как мы уже говорили, горячая совсем не подходит для наполнения гравитационных ям, холодная их наполняет, а теплая — промежуточный вариант. Всё зависит от размера гравитационной ямы. Скопления галактик можно заполнить даже горячей темной материей; холодной — образования любого размера; теплая — когда не заполняются ямы гравитационного потенциала самых маленьких масштабов. Если рисовать распределение массы темной материи по радиусу, то для больших галактик плотность к центру растет, становясь бесконечной при конечной массе (это называется «касп»). А если изначальные скорости частиц достаточно большие, то к центру плотность выходит на константу (рис. 3).

i2.wp.com

// https://i2.wp.com/trv-science.ru/uploads/343-0033.jpg?w=497&ssl=1

 

И мы наблюдаем, что плотность темной материи в карликовых галактиках действительно выходит на константу. Можно ли объяснить это в рамках холодной темной материи? Да, может быть, мы плохо понимаем динамику образования галактик, поведение барионного вещества. Но один из вариантов — предположить, что темная материя на самом деле теплая, и она размазывает вещество на малых масштабах, и каспы не образуются. Тогда масса частиц темной материи — от 1 кэВ до 10 кэВ.

 

— А как темная материя распределена в пространстве: в нашей Солнечной системе?

— Те частицы, которые летают в Галактике, просто пролетают ее насквозь; у них скорость 10–3 скорости света, что больше третьей космической скорости. Частица может быть захвачена, только если она взаимодействует и теряет энергию. Такие модели тоже есть, хотя там свои проблемы. Частица пролетает через Солнце и в нем начинает «тереться» — терять свою энергию. Тогда она может в нем застрять, или остаться в Солнечной системе, или будет много раз пролетать через Солнце и в конце концов в нем застрянет.

Такое происходит в модели WIMP-ов, сколько-то их накапливается в Солнце. Их в принципе можно зарегистрировать: они, хоть и слабо, взаимодействуют и в конце концов распадаются, например, на нейтрино. Можно искать какой-то аномальный нейтринный сигнал из центра Солнца от распада WIMP-ов. Но чтобы они меняли гравитационный потенциал в Солнечной системе — этого не видно даже в прецизионных измерениях координат «Пионеров» и других аппаратов. Никаких поправок к гравитационному потенциалу Солнца и планет для расчета траекторий не требуется. Да и теоретически «нормальная» темная материя не должна накапливаться в Солнечной системе.

 

...Потом сюда подключится KATRIN — им сначала надо выполнить свою программу по поиску массы активных нейтрино, на которую выделялись деньги. Потом будут новые эксперименты, которые положат более жесткие ограничения — так это и происходит. WIMP-ы уже близки к закрытию, к тому, чтобы их совсем исключить. А аксионы и стерильные нейтрино всё еще в начале своего пути.

— WIMPы близки к закрытию по экспериментальным ограничениям или по отрицательным результатам в поиске суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере?

— И то и другое.

— Ну, жалко!

— На самом деле мне не жалко, потому что WIMP-ы очень скучные. Суперсимметричные частицы очень скучные: их много, у каждого фермиона есть партнер-бозон, и наоборот, и не появляется никаких интересных наблюдаемых эффектов, кроме энергии отдачи. А физика аксионов очень богата. Если найдут аксионы, мы получим интереснейшие знания о ранней Вселенной.

 

Прямое наблюдение космических лучей: что нового увидели орбитальные детекторы • Новости науки

В последние пару десятилетий физика космических лучей «вышла» на околоземную орбиту, что позволило ученым исследовать их напрямую. Сейчас на орбите трудятся три детектора космических лучей: AMS-02, CALET и DAMPE. Недавно коллаборации, работающие с этими детекторами, опубликовали очередную порцию данных. И это хороший повод обсудить состояние дел в этой области астрофизики. //  elementy.ru

 

Электроны и позитроны

В измерении потока электронов «отличился» эксперимент DAMPE.

...

Но основное внимание теоретиков привлек не сам перелом, а выбивающаяся вверх точка на 1300 ГэВ. Сразу после опубликования статьи с этим графиком в журнале Nature появились десятки статей с обсуждением возможных моделей темной материи, во взаимодействиях которой могли бы рождаться электроны с энергией 1,3 ТэВ. Увы, уже на протяжении 6 лет DAMPE не обновляет результаты по электронам.

...

Как видно из графика и прилагающегося уравнения, модель показывает наличие какого-то источника позитронов на энергиях в несколько сотен ГэВ. Что это за источник? Пока что ученые теряются в догадках, однако высказываются предположения, что позитроны могут рождаться в реакциях аннигиляции темной материи. Если это так, то мы становимся еще на шаг ближе к пониманию природы этой загадочной субстанции.