Ускоренное расширение Вселенной объяснили самовзаимодействием темной материи
Космологическое ускорение частицы расширяющейся Вселенной (в относительных единицах) в зависимости от масштабного фактора в симуляциях со взаимным отталкиванием частиц темной материи (цветные точки) и в теоретической модели с космологической постоянной (сплошная линия).
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Физики с помощью симуляций протестировали альтернативную модель ускоренного расширения Вселенной — отказались от космологической постоянной и постулировали существование сил отталкивания между частицами темной материи, которые действуют на масштабах порядка мегапарсеков и по величине пропорциональны квадрату дисперсии скоростей. Оказалось, что такой подход позволяет воспроизвести поведение Вселенной в общепринятой модели с космологической постоянной. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Современные астрофизические наблюдения показывают, что Вселенная расширяется ускоренно — то есть удаленные галактики со временем разлетаются все быстрее. Этот факт требует физической интерпретации, ведь гравитация — взаимодействие, которое считается доминирующим на крупных масштабах, — лишь притягивает объекты друг к другу. В стандартной космологической модели ускоренное расширение описывают при помощи космологической постоянной — величины, которая описывает плотность энергии чистого вакуума (темной энергии) в уравнениях Общей теории относительности и обеспечивает отталкивание между далекими объектами.
Такой подход удобен, поскольку позволяет объяснять наблюдения, постулируя в модели всего один числовой параметр, однако у него есть и существенные недостатки. Так, космологическую постоянную приходится подбирать на основе самих же наблюдений и не удается вычислить независимо — например, в рамках квантовых представлений энергия вакуума оказывается на множество порядков выше, или вообще не может быть предсказана.
Это мотивирует ученых придумывать альтернативные модели, которые объясняли бы ускоренное расширение Вселенной, но не привлекали для этого космологической постоянной. Некоторые физики предлагают модифицировать теорию гравитации, другие — предположить, что расширение Вселенной неоднородно, а мы просто оказались в области, которая расширяется быстрее среднего, третьи — отказаться от ускоренного расширения как такового и искать ошибку в измерениях, которые о нем свидетельствуют. Тем не менее модель с космологической постоянной пока остается предпочтительной.
Физики из Института Нильса Бора под руководством Стина Хансена (Steen Hansen) предложили и проанализировали еще одно объяснение ускоренному расширению Вселенной. Авторы предположили, что темная материя, помимо гравитационного притяжения друг к другу и обычным частицам, испытывает еще и силу самоотталкивания, которая проявляется на межгалактических масштабах (порядка мегапарсеков).
Эту силу исследователи положили пропорциональной квадрату дисперсии скоростей частиц в галактиках (что делает ее в некотором смысле похожей на магнитную силу Лоренца между движущимися заряженными частицами) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между разлетающимися галактиками (подобно гравитационной или кулоновской силе). Остальные параметры (кроме космологической постоянной, принятой равной нулю) физики позаимствовали из общепринятой модели.
Затем авторы проводили компьютерные симуляции эволюции распределения темной матери в области размером в 96 мегапарсеков, заполненной 2,1×10 6 частицами массами в 1,6×10 9 солнечных, между красными смещениями в z=20 и z=0,6 (в стандартной космологии последнее отвечает масштабу, на котором происходит переход от гравитационного замедления к космологическому ускорению). При этом числовой коэффициент, характеризующий величину отталкивания между частицами, исследователи подбирали так, чтобы результаты симуляции наилучшим образом описывались теорией с участием космологической постоянной.
Оказалось, что с помощью альтернативной модели можно воспроизводить прогнозы, которые дает стандартная космология — а значит, вероятно, и объяснять данные наблюдений. При этом, однако, не удается заменить пропорциональность силы квадрату дисперсии скоростей на линейный или кубический закон — оба случая дают существенное расхождение с общепринятой теорией.
Согласованность альтернативных космологических моделей со стандартной: если отталкивание пропорционально первой или третьей степени дисперсии скоростей, наблюдаются существенные расхождения.
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Источник
10 вопросов о Вселенной, на которые ответит темная материя
Частицы темной материи не производят, не отражают и не поглощают свет. Тем не менее, хотя мы и не можем видеть темную материю напрямую и до сих пор не понимаем ее природы, ученые сходятся во мнении, что она составляет до 26% известной нам Вселенной, наблюдая за гравитационными эффектами, которые она оказывает на другие космические объекты. Как и ветер, гнущий дерево, мы не видим темную материю, но знаем, что она есть. Исходя из этих наблюдений, ученые разрабатывают весьма интересные теории относительно этой загадочной субстанции. Если она будет обнаружена, наше понимание Вселенной существенно прояснится.
Темная материя может вызвать массовое вымирание
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
«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
«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
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). Если эта модель подтвердится, она полностью перевернет наше понимание фундаментальных строительных блоков природы.
Темная материя на Солнце
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 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
«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
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
Однако новый анализ данных в ходе Sloan Digital Sky Survey показал, что Кольцо Единорога по сути является частью нашей галактики. 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
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 последнее обнаружение девяти карликовых галактик рядом с Млечным Путем дает ученым возможность для дальнейшего исследования этой теории.
Источник