Newsweek: Во Вселенной может быть нет никакой темной материи
Измененные законы гравитации могут лучше объяснить природу поведения космических объектов, чем предположения о темной материи.
Ученые уже почти столетие ищут темную материю – неизвестную и невидимую субстанцию, из которой сделана большая часть нашей Вселенной.
Причина этих упорных поисков в том, что без нее трудно объяснить тот факт, что галактики не очень подчиняются законам физики. Однако, пока все попытки обнаружить темную материю не увенчались успехом. Но есть и другие подходы, которые могут объяснить причину странного поведения галактик.
Об этом на страницах Newsweek пишет физик из Университета Южной Дании Юрий Смирнов, который указывает, что в своем новом исследовании показал, как «изменив» законы гравитации для чрезвычайно больших галактик можно вообще избежать темной материи. Швейцарский астроном Фриц Цвики в 1930-х годах обнаружил, что скорость в галактических кластерах слишком высока, чтобы можно было определить, какое количество материи люди на Земле могут увидеть. Похожий феномен описали и другие группы астрономов, в частности Вера Рубин и Кент Форд, которые исследовали движение звезд в отдаленных частях галактики Андромеда.
Ожидалось, что скорость звезд подальше от центра галактики будет уменьшаться, поскольку гравитационные силы будут на них действовать меньше. Ведь согласно второму закону Ньютона, гравитационное притяжение материи на орбите напрямую зависит от ее массы и ускорения. Но исследования показали, что такого сокращения в скорости на самом деле не наблюдается. Именно поэтому ученые допустили, что может существовать какая-то невидимая материя, которая создавала бы более сильное гравитационное притяжение и ускоряла движение звезд. В прошлые десятилетия другие исследования гравитационных систем на очень большом расстоянии обнаружили ту же проблему.
Неразгаданная загадка о том, что же такое эта темная материя на самом деле, остается одним из крупнейших вызовов современной физики. Суть вопроса в том, действительно ли это неизвестный до сих пор источник массы в виде нового типа материи. Или может все дело в том, что гравитационные законы просто другие для чрезвычайно гигантских масштабов.
Хотя первый вариант кажется очень соблазнительным, ученым до сих пор не удалось найти ни какой темной материи. Также хоть гравитационные законы хорошо изучены и проверены в пределах Солнечной системы, пока приходится очень осторожно относиться к попыткам перенести этот опыт и на масштабы, которые были бы в миллиарды раз больше.
Одной из наиболее известных попыток избавиться от нужды в темной материи стали так называемые Измененные законы Ньютона (MOND). Согласно с ними, гравитация становится неравномерной там, где гравитационная сила очень слабая, например на окраинах галактики. Но эта теория не прошла такой же жесткой проверки, как нынешняя стандартная модель космологии, которая включает темную материю.
Главная проблема в том, что MOND не может объяснить проблему массы в галактиках и галактических кластерах одновременно. Другой очень убедительный аргумент против этой теории заключается в результатах наблюдений за столкновениями между скоплениями галактик, во время которых звезды каждой галактики проходили мимо друг друга, а газовые облака объединялись и оставались позади. Известный пример – это скопление галактик Пуля, которое состоит из двух скоплений, которые столкнулись. Наблюдения указывают на то, что темная материя следует за звездами в этих событиях, поскольку ее общая масса меньше, чем у газовых облаков. MOND не может объяснить, почему все происходит именно так.
Поэтому, по мнению автора, нужно изменить законы гравитации иначе. Он допускает, что явление, известное как скрининг Вайнштейна, существует. Это означает, что каждый достаточно плотный, компактный объект в космосе генерирует невидимую сферу вокруг себя, которая и определяет то, как законы физики будут функционировать при больших расстояниях. Эти сферы – это теоретическая концепция, призванная помочь осознать различия между малыми и большими масштабами. Это не реальная физическая мембрана.
Поэтому согласно теории Смирнова и его коллег, внутри этого условного пузыря законы традиционной ньютоновской гравитации, которые наблюдаются в пределах Солнечной системы, держат объекты, которые взаимодействуют с массивным телом в центре. За пределами пузыря теория предполагает, что гравитационное притяжение к центральному объекту может быть значительно усиленным. Хоть никакой дополнительной массы нет.
Размер пузыря, по мнению ученых, будет пропорционален массе центрального объекта. Если, например, у галактики эта сфера имеет радиус в несколько тысяч световых лет (с такого расстояния обычно и наблюдается действие темной материи), соответствующая сфера вокруг нашего Солнца была бы до 50 тысяч астрономических единиц в диаметре (астрономическая единица – расстояние от Солнца до Земли). Однако, край Солнечной системы лежит всего на расстоянии 50 астрономических единиц. Другими словами, там нет объектов, за которыми можно было бы наблюдать, чтобы проверить, влияет ли гравитационное притяжение Солнца на них так же, как и на Землю. Только наблюдения за очень удаленными и гигантскими системами позволяет это сделать.
Интересным эффектом своей теории автор называет то, что размер ньютоновского пузыря определенным образом растет вместе с закрытой массой. Это означает, что законы гравитации будут меняться для разных масштабов в галактиках и галактических скоплениях соответственно. А следовательно, это может объяснить эффект появления темной материи в обеих системах одновременно, чего не могла теория MOND. Более того, новая теория совпадает с наблюдениями в скоплении Пуля. Газовые облака остались на окраинах, потому что они не достаточно компактные, чтобы создать пузырь вокруг себя. Это означает, что темная материя заметна только вокруг более компактных звезд.
Смирнов добавляет, что новая теория позволяет объяснить скорости звезд в галактиках лучше, чем общая теория относительности Эйнштейна, которая сделала предположение о существовании темной материи возможным. Поэтому вполне вероятно, что загадочная невидимая материя не такая уж и таинственная, как кажется. А может ее нет и вообще во Вселенной.
Читайте последние новости Украины и мира на канале УНИАН в Telegram
Источник
Темная материя и темная энергия
Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!
Состав Вселенной
Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.
Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.
Материалы по теме
Крупномасштабная структура Вселенной
В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.
Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?
Сгустки размером с галактику
Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.
Подходы и методы исследования частиц темной материи
Из чего состоит Вселенная
На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.
Материалы по теме
Эволюция Вселенной: от начала до наших времен
Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.
Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.
Субстанция, обладающая антигравитацией
Распределение энергии во Вселенной
Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.
Природа темной материи и черных дыр
Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.
Кандидаты на роль «Темной энергии»
Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.
Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник
Астрономы смоделировали, как будет выглядеть Вселенная без темной материи
С 1960-х годов астрономы и космологи пришли к общему мнению, что большая часть Вселенной состоит из невидимой, таинственной массы (известной как темная материя). Хотя ученые до сих пор не определили потенциальную частицу, которая составляет эту массу, косвенные тесты и моделирование показали, что темная материя должна существовать, чтобы Вселенная была такой, какая она есть.
В увлекательном повороте, команда европейских исследователей провела моделирование, которое смотрело на Вселенную без темной материи. Используя альтернативную теорию, известную как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), команда создала компьютерную модель, в которой галактики были фактически очень похожи на то, что мы видим во Вселенной сегодня. Эти открытия могли бы помочь разрешить одну из самых непреходящих загадок современной космологии.
Эта теория о том, что гравитация ведет себя иначе, чем считалось ранее (в зависимости от масштаба), была впервые предложена израильским физиком проф. Мордехаем Милгромом — отсюда и альтернативное название “милгромианская гравитация». Согласно этой теории, притяжение между двумя массами подчиняется законам движения Ньютона (ака. Универсальная гравитация) только до определенного момента.
При меньших ускорениях, как и в случае с галактиками, влияние гравитации становится значительно сильнее. Короче говоря, притяжение тела зависит не только от его собственной массы, но и от того, находятся ли рядом с ним другие объекты. Эта теория является возможным объяснением того, почему галактики не распадаются в результате их скорости вращения.
MOND также привлекателен, потому что он делает существование темной материи (которая остается неподтвержденной) полностью излишним. Тем не менее, MOND остается в значительной степени недоказанной и непроверенной теорией, к которой стремились обратиться Виттенберг и его коллеги. С помощью Famaey команда использовала вычислительное программное обеспечение, которое проводит гравитационные вычисления (которые они разработали) для моделирования космоса, где существует MOND.
Это состояло в моделировании рождения первых звезд и галактик – которые, как полагают, образовались между 100 000 и 300 000 годами после Большого Взрыва-и того, как они эволюционировали с тех пор. Интересно, что они обнаружили, что распределение и скорость звезд в созданных компьютером галактиках следовали той же схеме, что и те, которые видны во Вселенной сегодня.
Как объяснил Виттенбург, который был ведущим автором исследования, :
“Во многих аспектах наши результаты удивительно близки к тому, что мы действительно наблюдаем с помощью телескопов. Кроме того, наша симуляция привела в основном к образованию вращающихся дисковых галактик, таких как Млечный Путь и почти все другие большие галактики, которые мы знаем. С другой стороны, моделирование темной материи в основном создает галактики без четких материальных дисков – несоответствие наблюдениям, которое трудно объяснить.”
Кроме того, моделирование MOND было практически невосприимчиво к изменениям параметров, таким как частота сверхновых и их влияние на распределение вещества в галактиках. Однако в случае моделирования, где предполагается существование темной материи, изменения этих параметров оказывают значительное влияние. Это не означает, что моделирование MOND было правильным по всем пунктам.
Например, моделирование опиралось на некоторые довольно простые предположения о распределении материи и условиях, присутствующих в ранней Вселенной. «Наша симуляция — это только первый шаг», — подчеркнул профессор. “Сейчас мы должны повторить расчеты и включить более сложные влияющие факторы. Тогда мы увидим, действительно ли теория MOND объясняет реальность.”
Хотя существование темной материи остается недоказанным, это единственная космологическая теория, которая согласуется с Общей Теорией Относительности – бесконечно доказанной теорией и единственной рабочей гипотезой о том, как гравитация ведет себя на космологических масштабах.
И хотя MOND дает некоторое разрешение теоретическим проблемам, связанным с темной материей, он представляет свои собственные проблемы. В ближайшем будущем в космос отправится целый ряд обсерваторий следующего поколения, которые могут помочь разрешить эту загадку, включая космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и миссию Евклида ЕКА.
Эти и другие миссии позволят лучше понять геометрию Вселенной и улучшить измерения космического расширения. Исходя из этого , ученые надеются получить лучшее понимание того, как темная материя могла повлиять на космическую эволюцию – не говоря уже о темной энергии, еще одной космологической тайне, которая также является предметом дискуссии!
Источник