Ранее я уже затрагивал на Хабре различные гипотезы о природе тёмной материи и тёмной энергии. Поскольку тёмная материя не взаимодействует ни с одним известным типом «нетёмной» (барионной) материи, а также со светом, её с тем же успехом можно назвать «прозрачной» материей. Феномен тёмной материи «на кончике пера» впервые предложил в начале 1930-х немецкий физик Фриц Цвикки. В настоящее время известно, что никакие известные частицы‑барионы тёмную материю не образуют. Таким образом, тёмная материя обнаружима только по гравитационному воздействию на окружающую барионную материю, в особенности на галактики. Предполагается, что именно в центрах галактик тёмной материи почти нет, а на периферии галактик она образует целые облака или «гало». На Хабре неоднократно публиковались материалы как о возможных составляющих тёмной материи, так и обоснования, что никакой тёмной материи не существует, и мы продолжаем «дорисовывать» её, поскольку до сих пор не вполне понимаем природу гравитации.
В этой статье я подробнее изложу идеи, ранее сформулированные в данной новости от уважаемого @SLY_G В основу статьи легли исследования Ричарда Лью, астронома из Хантсвиллского университета, штата Алабама.
Идея тёмной материи тесно связана с феноменом скрытой массы, который стал очевиден в самом начале 1930-х, вскоре после того, как Эдвин Хаббл открыл, что галактики не являются туманностями. Изначально масса галактик и их скорости рассчитывались исходя из того, что галактики состоят из звёзд (звёздных систем) и межзвёздного газа. Тем не менее, вскоре стало понятно, что в каждой отдельной галактике совокупного звёздного населения явно недостаточно, чтобы объяснить происхождение массы галактик. Иными словами, галактики оказались слишком тяжёлыми. Впервые на такую тяжеловесность галактик указал знаменитый голландский астроном Ян Оорт, сформулировавший идею о скрытой массе. Именно в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, а в 1931 году Поль Дирак предположил, что может существовать антивещество, а в том же 1932 году американский учёный Карл Андерсон открыл в космических лучах позитроны. Это частицы, идентичные по массе электрону, но имеющие положительный заряд и состоящие из антивещества. Таким образом, идея скрытой материи и, соответственно, скрытой массы у этой материи, не просто витала в воздухе — казалось, что эту материю «постепенно открывают». В течение XX века на роль носителя скрытой массы предлагались неучтённые нейтрино, а также всевозможные экзотические варианты: чёрные дыры, ранее не известные частицы симметроны, предусматриваемые теорией суперсимметрии, аксионы, страпельки, WIMP-частицы и пр. Тем не менее, все эти идеи не выдерживают критики. Судя по гравитации, тёмной материи попросту слишком много, чтобы сложить её из подобных составляющих, которых хватило бы на считанные проценты от недостающей массы. Именно поэтому постепенно стал накапливаться корпус исследований и гипотез, предполагающих, что у гравитации может быть иной источник, нежели привычная нам материя.
Что такое гравитация
Ответ на этот вопрос отделяет нас от заполнения величайшего пробела в современной физике – от «теории всего». Таковой могла бы считаться теория, которая позволяла бы унифицировать гравитацию и квантовую физику. Притом, что гравитация (тяготение) является одним из четырёх фундаментальных взаимодействий, наряду с электромагнетизмом, сильным и слабым взаимодействием, пока она не вписывается в квантовую теорию. В частности, пока не известен квант гравитации, то есть, частица, являющаяся её переносчиком. Теория корпускулярно‑волнового дуализма предполагает, что на квантовом уровне любая частица может проявлять себя как волна, а любая волна точечно проявляется как частица. В 2015 году были впервые зафиксированы гравитационные волны, которые, как теперь известно, могут возникать при столкновениях между чёрными дырами и между нейтронными звёздами. Согласно современным представлениям, и у этого взаимодействия должен быть переносчик, на роль которого подходит гравитон, гипотетическая элементарная частица гравитации. Существует гипотеза, что тёмная материя может состоять из гравитонов, но пока она остаётся непроверяемой и нефальсифицируемой.
Это формула закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном. Здесь F — сила притяжения, G — гравитационная постоянная, m1 и m2 — массы двух тел, R — расстояние между телами. Соответственно, гравитация — это сила, подтягивающая друг к другу объекты, обладающие положительной массой. Насколько известно, тел с отрицательной массой не существует, хотя умозрительные эксперименты с отрицательной массой очень интересны, недавно я упоминал о них в одной из статей.
Тем не менее, гравитация не только воздействует на обладающие массой частицы, но и вызывает отклонение света. Фотоны, из которых состоит свет — безмассовые частицы, однако поблизости от крупных объектов свет движется по искривлённой траектории. В результате такого искривления возникает эффект гравитационного линзирования, о котором мы подробнее поговорим ниже. Именно за изучением гравитационного линзирования Ричард Лью пришёл к выводу, что гравитация также может быть безмассовой.
Кратко о гравитационном линзировании
Одним из важнейших подтверждений теории относительности Эйнштейна является искривление пространства-времени поблизости от массивного объекта, которое можно зафиксировать по искривлению света. Такой эффект приводит к гравитационному линзированию. Гравитационное линзирование визуально «приближает» к нам очень далёкие области пространства, поэтому играет важную роль в работе космических телескопов.
Выделяют два типа гравитационного линзирования: сильное и слабое. Сильное гравитационное линзирование проявляется, когда массивный объект проходит между источником света и наблюдателем. В качестве такого массивного объекта может выступать галактическое скопление или чёрная дыра, поэтому метод гравитационного линзирования удобен для поиска чёрных дыр. В данном случае свет искривляется настолько сильно и многократно, что вокруг наблюдаемого объекта возникает несколько ярких дуг или даже колец. Такое явление называется «кольцами Эйнштейна». Слабое гравитационное линзирование — аналогичный процесс, но в данном случае объект, проходящий между источником света и наблюдателем, сравнительно невелик. В таком случае наблюдаемый объект визуально искажается или, наоборот, становится резче, что и используется в астрономии.
Гравитационное линзирование применяется при изучении эволюции галактик, свойств чёрных дыр, при измерении скорости расширения Вселенной. Также этот метод призван уточнить распределение тёмной материи. Ричард Лью обратил внимание именно на последний аспект и предположил, что на больших расстояниях гравитационное линзирование может возникать под действием лишь энергии и импульса, но без участия массы. Эта идея изложена в статье «Связывание космологических структур под действием безмассовых топологических дефектов», опубликованной Лью и его соавторами в мае 2024 года.
Известно, что пространство как таковое обладает энергией, вызывающей расширение Вселенной. Источник этой энергии точно неизвестен, но правдоподобно, что она возникает в результате квантовых флуктуаций и рождения пар элементарных частиц. Свет также обладает энергией и импульсом, поэтому, распространяясь в пространстве, также способствует искривлению пространства-времени.
Гравитация в скорлупке
Группа под руководством Лью пришла к выводу, что источником «избыточной» гравитации, которая позволяет галактикам образовывать скопления, могут быть концентрические топологические дефекты, распределённые в космическом пространстве и напоминающие по форме скорлупки. Такие дефекты вакуума могли бы возникнуть на самых ранних этапах формирования Вселенной, и на их внутренней поверхности действовала бы отрицательная гравитация, а на внешней — положительная. В результате они получались бы безмассовыми, но при этом оказывали именно такое гравитационное воздействие, которое приписывается тёмной материи. Более того, их воздействие было бы измеримым только в космологических масштабах и в таких объёмах пространства, где укладываются целые галактики или галактические скопления.
Привести к возникновению таких скорлупок мог бы резкий фазовый переход, природу или причину которого Лью объяснить затрудняется. По его словам, «в настоящее время неизвестно, какой именно фазовый переход мог бы привести к возникновению топологических дефектов такого рода. Но плотность их должна быть очень велика, и они могут сближаться по свойствам с космическими струнами». Таким образом, модель Лью — это расширение одномерной струны до двумерной полусферы. Если на месте яйца с вышеприведённой иллюстрации находилась звезда, то она испытывала бы гравитационное воздействие, несмотря на то, что масса самой полусферы строго равна нулю.
Попытки объяснения и экспериментальной проверки
Гипотеза Лью привлекательна тем, что полностью устраняет проблему тёмной материи как несуществующую, устраняет необходимость поиска тех частиц, из которых тёмная материя могла бы состоять. Более того, эта гипотеза также согласуется с теорией струн и, можно сказать, расширяет её – Лью полагает, что предложенные им дефекты могли бы возникать в результате переплетения космических струн из линейных структур в объёмные. Но, во-первых, космическая струна пока не может быть получена в лаборатории (возможно, дело в том, что для этой цели просто слишком малы те уровни энергии, которыми мы оперируем), космические струны не обнаружены в природе. Правда, в одной из новостей уважаемого @SLY_G на Хабре, описывающей работу Марины Сафоновой из Индийского института астрофизики упоминается, что космическая струна могла быть впервые зафиксирована в 2023 году. Во-вторых, сложно объяснить, почему такие структуры вообще могли возникнуть и сохраниться до наших дней, а также как могло бы выглядеть их разглаживание или схлопывание.
В качестве проверки своей гипотезы Лью предлагает тщательнее изучить рисунок искривления света вблизи от крупного объекта. Он полагает, что свет может не просто искривляться, но и измеримо соскальзывать к донышку такого топологического дефекта, либо огибать его по параболе. Если бы такой эффект удалось наблюдать в присутствии тяжеловесного объекта (например, нейтронной звезды), а затем и в отсутствии какого-либо источника тяготения, то во втором случае это означало бы, что мы нашли пока пустующую «скорлупку», на внутренней поверхности которой наблюдается отрицательная масса. Кроме того, гипотезу можно было бы проверить, наблюдая, как именно образуется новое галактическое скопление, следуют ли галактики по концентрическим траекториям, напоминающим распределение по внутренней поверхности чаши.
Заключение
На данном этапе гипотеза Лью даёт один очень простой и привлекательный ответ на вопрос «как решить проблему тёмной материи?», но порождает слишком много вопросов. На сайте Ifscience решение Лью даже сравнили с птолемеевскими эпициклами, то есть, с грандиозным костылём космологического масштаба. Сам же Лью в одном из интервью осторожно называет свою теорию «интересным математическим упражнением» — а именно так на первых порах высказывался о гелиоцентрической системе мира Николай Коперник. В любом случае, проблема необнаружимости тёмной материи требует решения, и вариант Лью показался мне достаточно изящным.
Комментарии (22)
NeoCode
22.06.2024 17:12+4А может гравитация и не является "фундаментальным взаимодействием" и нет никаких частиц-переносчиков (гравитонов)? Просто искривление пространства в соответствии с ОТО.
В комментариях к статьям про физику частиц я иногда задаю вопрос про "отталкивание Паули", квантовый принцип, который безусловно является частью объективной реальности, т.к. объективно влияет на частицы, но совершенно не считается "фундаментальным взаимодействием". Может и с гравитацией то же самое?
VasVovec
22.06.2024 17:12А это отталкивание происходит разве не за счёт электромагнитного взаимодействия?
NeoCode
22.06.2024 17:12+1В том то и дело что нет. Отталкивание Паули действует и для нейтральных частиц тоже, и связано не с электромагнитным зарядом, а с полуцелым спином частиц. При этом наука называет это не "взаимодействие" а "квантовый принцип". Хотя это отталкивание удерживает нейтронные звезды от коллапса в черные дыры.
kauri_39
22.06.2024 17:12По теории Эриха Верлинде гравитация - это эмерджентное (производное) явление, без частиц-переносчиков. Из объяснения эквивалентности пассивной гравитационной массы и инертной массы следует тот же вывод. Гравитация - это ускоренное движение вакуума в поглощающую его материю, которая выводит его кванты в особое 5-мерное пространство. Существование такого пространства предполагается и для объяснения наблюдаемого расширения Вселенной (природы тёмной энергии). Оно должно служить источником новых квантов вакуума, постоянно и повсеместно поступающих в его вселенский объём.
Докажем существование 5-мерного пространства как источника и приёмника квантов вакуума. Поскольку вакуум движется по градиенту своей плотности (доказано эквивалентностью двух видов масс), то он при своём расширении в войдах будет не только раздвигать скопления галактик, но и втекать в них, поглощаясь их материей. Причём ускорение и скорость его втекания в скопления будет больше, чем в галактики. Потому что самый массивный компонент скоплений - горячий газ, который, поглощая вакуум, выводит его кванты в гипотетическое 5-мерное пространство. Соответственно большее центростремительное ускорение вакуум будет сообщать галактикам, которые вращаются в скоплениях, и меньшее - внешним звёздам в галактиках. Тогда в скоплениях будут оставаться на орбитах только быстро вращающиеся галактики, а в галактиках - только быстро вращающиеся внешние звёзды. Для удержания тех и других будет недостаточно одной лишь силы взаимного притяжения, рассчитанной по закону Ньютона. Это и наблюдается в реальности, существование 5-мерного пространства доказано.
Незнание этого факта и природы гравитации вынуждает астрофизиков придумывать незримую тёмную материю - источник дополнительного центростремительного ускорения. Для доказательства её существования используют максимумы гравитационного линзирования в скоплении Пуля. Они приходятся на прошедшие друг сквозь друга галактики, а не на более массивный газ, столкнувшийся и оставшийся между ними. Это якобы указывает на наличие среди галактик ТМ, которая вместе с ними прошла друг сквозь друга. Однако контрольный выстрел в ТМ делает именно это скопление. Галактики вышли из газа в более плотный внешний вакуум, который расширяется и движется в массивный газ. Но наибольшую скорость к нему вакуум развивает через "каналы" своей меньшей плотности - через потерявшие газ скопления галактик. Поэтому на них приходятся максимумы гравлинзирования - наибольшие углы сноса фотонов от фоновых источников.
Gorthauer87
22.06.2024 17:12Вот если пространство и время дискретны, то и их искривление тоже дискретно. А вот дискретно ли пространство-время вообще-то до сих пор не понятно.
Frankenstine
22.06.2024 17:12+1Тем не менее, гравитация не только воздействует на обладающие массой частицы, но и вызывает отклонение света. Фотоны, из которых состоит свет — безмассовые частицы, однако поблизости от крупных объектов свет движется по искривлённой траектории
Это с точки зрения общей теории относительности некорректно. Масса искривляет пространственную метрику, вследствие чего прямая линия может оказаться для нас не вполне прямой, вплоть до кольцевой на радиусе Шварцшильда. Гравитационной силы как таковой не существует, а существует лишь вот этот эффект кривизны пространства-времени. Соответственно, гравитация никак не воздействует на фотоны и другие безмассовые частицы.
ababich
22.06.2024 17:12+2Предполагается, что именно в центрах галактик тёмной материи почти нет, а на периферии галактик она образует целые облака или «гало».
странно, если бы это было так.... скорее всего в центрах галактик нет каких-то плотных конгломератов ТМ (что характерно для барионной материи) ... ну так их нигде нет во Вселенной судя по всему .... ТМ вообще не "кучкуется" .... по понятным причинам : ... чтобы что-то сбивалось в кучу у него должен присутствовать механизм рассеяния (излучения) энергии ... то есть часть энергии рассеялась, а само вещество свалилось в центр ... ну а если ТМ не излучает - вещество летает в гало (и везде, в центре - тоже (но нет концентрации к центру) , у него слишком много энергии, оно слишком "быстрое")
В 2015 году были впервые зафиксированы гравитационные волны, которые, как теперь известно, могут возникать при столкновениях между чёрными дырами и между нейтронными звёздами.
я бы это изложил немного иначе ... дело в том, что как именно могут возникать ГВ стало известно в момент публикации ОТО в 1916 году ... а в 2015 подтвердили их существование ... благодаря повышению чувствительности детекторов и благодаря тому, что геометрические размеры детекторов как раз заточены на регистрацию ГВ именно этой частоты (характерной для финального этапа слияния ЧД ... не помню точно, но там характерные частоты скорее всего 10-100 Герц) ... а возникают ГВ, если в редакции "для чайников, детей и домохозяек") при движении вещества ускоренно
В течение XX века на роль носителя скрытой массы предлагались неучтённые нейтрино, а также всевозможные экзотические варианты: чёрные дыры, ранее не известные частицы симметроны, предусматриваемые теорией суперсимметрии, аксионы, страпельки, WIMP-частицы и пр. Тем не менее, все эти идеи не выдерживают критики.
ну вот нейтрино (стерильные?) вполне себе нормальная гипотеза....особенно , если учесть, что мы до сих пор очень мало знаем о нейтрино ... ведь мы до сих пор не знаем массу нейтрино.... только оценки ...
vanxant
22.06.2024 17:12+1Это, конечно, нетривиальное решение уравнений Эйнштейна, но на данный момент это всё проходит по разряду "занимательной математики". Никакой физики за этим пока нет. Неясно, ни что такое "отрицательная гравитация", ни способ рождения топологических дефектов, ни способ их распада, ни то, почему они до сих пор не распались.
При этом, мне лично кажется, что многие ответы лежат под ногами, но инерция мышления не позволяет их пока признать.
Во-первых, это статистика наблюдений Лиго, а именно:
чёрных дыр звёздных масс слишком много. Их в десятки раз больше, чем нейтронных звёзд, а должно быть примерно столько же или даже меньше
гистограмма масс наблюдавшихся сливающихся ЧД с медианой около 35 масс Солнца. И это при ожидаемой медиане порядка 5-8 м.с. и отсутствии известных механизмов образования таких ЧД иначе как через цепочку слияний. Для рождения таких ЧД нужны звёзды-родители массой в 300 и больше солнечных, но нам известны лишь пару кандидатов в настолько массивные звёзды. Также считается, что "зажигание" термоядерной реакции в зародышах звёзд массой более ~150 солнечных должно быть настолько мощным, что будет разбрасывать всё вещество звезды без остатка.
Во-вторых, это наблюдения телескопа Дж. Уэбба, который увидел слишком много слишком старых сверхмассивных ЧД.
Оба этих результата заставляют как минимум пересмотреть долю ЧД в совокупной массе Вселенной, уменьшая долю "тёмной материи" - или даже исключая её вовсе.
ababich
22.06.2024 17:12Во-первых, это статистика наблюдений Лиго, а именно:
у LIGO слишком куцая статистика, не успел он набрать статистику
Во-вторых, это наблюдения телескопа Дж. Уэбба, который увидел слишком много слишком старых сверхмассивных ЧД.
он еще мало что успел увидеть, за время работы чтобы делать такие выводы
Также считается, что "зажигание" термоядерной реакции в зародышах звёзд массой более ~150 солнечных должно быть настолько мощным, что будет разбрасывать всё вещество звезды без остатка.
а откуда взялись звезды - гиганты?
Оба этих результата заставляют как минимум пересмотреть долю ЧД в совокупной массе Вселенной, уменьшая долю "тёмной материи" - или даже исключая её вовсе.
а при чем тут вообще "доля" ЧД, если уже сейчас видно, что темная материя очень специфично распределена в галактиках ... именно там, где черными дырами и не пахнет что называется
Alexsandr_SE
22.06.2024 17:12Как вариант, сейчас упирают часто в микроскопические черные дыры и пытаются подсчитать сколько их может быть и где.
vanxant
22.06.2024 17:12у LIGO слишком куцая статистика
Да нормальная там статистика
именно там, где черными дырами и не пахнет что называется
Конкретнее?
Всё больше статей, включая соседнюю, говорят о ЧД в шаровых скоплениях. Они как раз "там"
ababich
22.06.2024 17:12Конкретнее?
в гало галактик не пахнет ЧД, а ТМ там навалом
Да нормальная там статистика
о какой нормальной статистике LIGO по ЧД может идти речь, если 1)мало событий зарегистрировано (слияний ЧД) 2)ЧД явно по количеству больше, чем случаев их слияния 3)из-за селекции наблюдений LIGO регистрирует гравитационные волны при слиянии ЧД только определенной частоты ... то есть речь идет только о ЧД определенных размеров
Не говоря уже о самом главном : 1)доля темной материи среди общей материи вычислена по флуктуациям реликтового излучения 2)эти флуктуации зафиксированы на момент освобождения РИ (РИ ушло в самостоятельный полет в момент рекомбинации плазмы .... то есть 400 тыс лет с момента большого взрыва 3)то есть в момент 400 тыс лет после большого взрыва уже было 25% темной материи ...но никаких черных дыр в тот момент не было ... так что ЧД это явно не решение загадки темной материи ... и не надо их сюда тулить.... в тот момент могли быть только микроскопические ЧД, но их пока не обнаружили...и нет даже намека на их существование .... а ведь их тогда должно быть очень-очень много во Вселенной
vanxant
22.06.2024 17:12мало событий зарегистрировано (слияний ЧД)
Ну как мало, примерно 240 штук за примерно 3 года наблюдений. Это достаточно, чтобы строить гистограммы распределений и уверенно сравнивать количества ЧД и НЗ. НЗ было зарегистрировано 9 штук и ещё 4 объекта невыясненной природы (промежуточных масс) из 480, т.е. ЧД примерно в 43 раза больше. НЗ мы, как правило, видим в рентгене, из чего можно вычислить примерное количество ЧД.
доля темной материи среди общей материи вычислена по флуктуациям реликтового излучения
Не только и не столько. Вообще, по кривым вращения внешних областей галактик, а также галактик в составе гравитационно-связанных скоплений галактик. Ах да, ещё по гравитационному линзированию. И только потом CMB.
но никаких черных дыр в тот момент не было
вы там были?:) Да и ЧД могли существовать в то время, например, в рамках циклической космологии.
ababich
22.06.2024 17:12Не только и не столько. Вообще, по кривым вращения внешних областей галактик, а также галактик в составе гравитационно-связанных скоплений галактик. Ах да, ещё по гравитационному линзированию. И только потом CMB.
Речь о другом. Вы перечисляете факты проявления (доказательства
существования) феномена темной материи ...
их вообще кажется около десяти... Но ни один не позволяет определить долю ТМ во Вселеной.
Но только измерение флуктуация реликтового излучения позволяет определить процент темной материи во Вселенной. Ну и так как процент огромен, то далее уже сделать вывод, что ЧД отношения к ТМ (разгадке феномена) не имеют ...
Скорее всего - это частицы.
400 тыс лет спустя после большого взрыва Вселенная это водород с небольшой долей гелия и реликтовое излучение .... никаких физических тел или ЧД или прочего там нет
вы там были?:) Да и ЧД могли существовать в то время, например, в рамках циклической космологии.
зачем сказки про "циклическую" ?.... или даже сказки про микро ЧД... ?
если по некоторым признакам - это частицы... возможно- нейтрино
vanxant
22.06.2024 17:12ни один не позволяет определить долю ТМ во Вселеной.
Во Вселенной может и нет, а в конкретной галактике или скоплении галактик - очень даже. Точнее, измеряется активная гравитационная масса, а дальше её можно сравнить с суммарной массой видимых звёзд.
никаких физических тел или ЧД или прочего там нет
а Джеймс Уэбб говорит, что ЧД там есть, очень больших и очень много... Ну либо существуют неизвестные нам механизмы роста СМЧД на порядки быстрее предела Эдингтона. Ну точнее один механизм известен, это прямой коллапс больших облаков в СМЧД минуя прочие стадии, но это должно было происходить на очень ранних стадиях большого взрыва, и к моменту отделения CMB эти ЧД уже были.
по некоторым признакам - это частицы
По каким? Главный признак - что в поиски частиц ТМ вбуханы чудовищные деньги, которые дали шикарный выхлоп в виде аж целого ничего. Ну да, ну да, отрицательный результат тоже результат и т.д.
Про нейтрино я тоже подозреваю, что их вклад недооценён, но вряд ли он сможет объяснить всю ТМ.
ababich
22.06.2024 17:12Главный признак - что в поиски частиц ТМ вбуханы чудовищные деньги, которые дали шикарный выхлоп в виде аж целого ничего.
Прекращайте. Мы не на базаре и не на митинге.
Какие "чудовищные" ? Назовите сумму.
Между предсказанием гравитационных волн и детектированием прошло 100 лет. С бозоном Хиггса аналогично, но 50 лет.
И сколько было "вбухано" на эти дела (поиски, детектирование)?
Но там хоть было понятно где и что искать. А тут действительно поиски
в "темноте" и "наощупь". Это сложнее.
vanxant
22.06.2024 17:12в гало галактик не пахнет ЧД, а ТМ там навалом
именно в гало, как правило, располагаются шаровые скопления. И именно в них звёзды "сидят" достаточно близко друг к другу для частых столкновений ЧД и других звёздных объектов.
kompilainenn2
Осталось сделать один шаг и понять, что мы внутри трехмерной струны...Как же мало мы знаем об окружающем нас всём...