Тёмная материя — это полтергейст природы. Мы можем наблюдать его эффекты, но не можем увидеть его и не знаем, что это такое. Природа как будто играет с нами, скрывая большую часть своей массы и запутывая нас в попытках определить, что это такое.
Всё это — часть проблемы «недостающей массы» Вселенной. На самом деле, это наша проблема. Вселенная просто существует. Проблема в нашем понимании Вселенной, а конкретно — массы и гравитации. И решение этой проблемы оказывается трудно найти.
Чем бы ни была эта недостающая масса или что бы ни вызывало наблюдаемые нами эффекты, у нас есть для неё условное название: тёмная материя. И она составляет 85 % материи во Вселенной.
Может ли тёмная материя быть первозданными чёрными дырами? Может быть, это аксионы? А может, WIMPы? Являются ли тёмные фотоны переносчиками её взаимодействий? Теоретических размышлений много, но выводов нет.
Новое исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, говорит о том, что наша охота за тёмной материей может сбиться с пути. Вместо того чтобы искать тип частицы, решение может заключаться в топологическом дефекте, который встречается во Вселенной и уходит корнями в раннюю стадию её развития.
Новое исследование представлено в статье под названием «Связывание космологических структур безмассовыми топологическими дефектами». Автор работы — Ричард Лью, заслуженный профессор физики и астрономии из Университета Алабамы в Хантсвилле.
Как ясно из названия статьи, тёмная материя оказывает скрепляющее воздействие на такие структуры, как галактики. Астрономы знают, что массы видимой материи в галактиках недостаточно для того, чтобы они не разваливались. Если бы в них была только видимая материя, они должны были бы просто рассеяться на составляющие их звёзды и облака газа.
Но галактики не рассеиваются, и учёные пришли к выводу, что чего-то не хватает. У профессора Льеу есть ещё одна идея.
«Меня самого вдохновило стремление найти другое решение уравнений гравитационного поля общей теории относительности, упрощённая версия которого, применимая к условиям галактик и скоплений галактик, известна как уравнение Пуассона — оно даёт конечную силу тяготения при отсутствии какой-либо обнаруживаемой массы, — говорит Льеу. — Эта инициатива, в свою очередь, вызвана моим недовольством существующим положением вещей, а именно представлением о существовании тёмной материи, несмотря на отсутствие каких-либо прямых тому доказательств в течение целого столетия».
Целых сто лет — это большой срок в век современной науки. Неудивительно, что природа способна поставить нас в тупик, но несколько удивительно, что в решении этой проблемы достигнут очень незначительный прогресс. Учёные добились большого прогресса в понимании того, как тёмная материя влияет на крупномасштабную структуру Вселенной, что является впечатляющим достижением, но так и не выяснили, что же это такое.
«Природа тёмной материи (ТМ), определяемой в этой работе как неизвестный компонент космического субстрата, ответственный за дополнительное гравитационное поле, связывающее галактики и скопления галактик, остаётся загадкой уже более века», — пишет доктор Льеу в своей работе.
В своей работе Льеу опирается на фазовые переходы во Вселенной. Это эпизоды, когда состояние материи во Вселенной меняется. Причём не локально, а во всём космосе. Один из примеров — когда Вселенная охладилась настолько, что сильная сила смогла связать кварки в протоны и нейтроны.
Доктор Льеу утверждает, что во время одного из таких фазовых переходов могли образоваться топологические дефекты. Эти дефекты могут иметь форму похожих на оболочки компактных областей, где плотность материи намного выше. Выстраиваясь в концентрические кольца, эти дефекты ведут себя подобно гравитации, но не обладают массой.
«В настоящее время неясно, какая именно форма фазового перехода во Вселенной может привести к появлению топологических дефектов такого рода, — говорит Льеу. — Топологические эффекты — это очень компактные области пространства с очень высокой плотностью материи, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя возможны и двумерные структуры, такие как сферические оболочки. Оболочки в моей работе состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоёв — а это всё, что можно измерить с точки зрения массы, — равна нулю, но когда звезда ложится на эту оболочку, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».
Итак, несмотря на то, что мы не можем измерить массу, она есть, и другие объекты реагируют на неё. Масса искривляет пространство-время и влияет даже на безмассовые фотоны. Этот факт лежит в основе нашей способности использовать гравитационное линзирование. В гравитационном линзировании мы используем массу скоплений галактик. Набор сферических оболочек, о которых говорит Лье, может вызвать тот же эффект.
«Гравитационное изгибание света набором концентрических сингулярных оболочек, составляющих галактику или скопление, связано с тем, что луч света отклоняется немного внутрь — то есть к центру крупномасштабной структуры или набора оболочек — когда он проходит через одну оболочку, — отмечает Лью. — Суммарный эффект прохождения через множество оболочек — это конечное и измеримое общее отклонение, которое имитирует присутствие большого количества тёмной материи примерно так же, как скорость движения звёздных орбит».
Поскольку астрономы измеряют массы галактик и скоплений галактик, измеряя отклонения света и то, как они влияют на орбиты звёзд, астрономы могут измерять топологические дефекты, а не частицы, составляющие тёмную материю.
«Отклонение света и орбитальные скорости звёзд — это единственные средства, с помощью которых можно измерить силу гравитационного поля в крупномасштабной структуре, будь то галактика или скопление галактик, — говорит доктор Льеу. — Утверждение моей работы состоит в том, что, по крайней мере, оболочки, о которых в ней говорится, являются безмассовыми. Тогда нет необходимости продолжать эти, казалось бы, бесконечные поиски тёмной материи».
В 2022 году исследователи обнаружили в небе гигантскую дугу. Она простирается на 1 гигапарсек и почти симметрична. Это одна из нескольких крупномасштабных структур, которая, похоже, противоречит Стандартной модели и основанному на ней космологическому принципу.
«Наблюдение гигантских дуг и колец может оказать дополнительную поддержку предложенной альтернативе модели ТМ», — пишет Льеу в своей статье. Он также отмечает, что предлагаемые им оболочки не обязательно должны быть полной сферой.
Если такие оболочки существуют, то их выравнивание также будет определять формирование и форму галактик и скоплений. Будущие исследования позволят выяснить, как именно формируются эти оболочки. «Эта работа не пытается решить проблему формирования структуры», — говорит Льеу. Более того, Льеу признаёт, что в настоящее время нет возможности даже наблюдать, как они могут формироваться.
«Спорным моментом является то, были ли оболочки изначально плоскостями или даже прямыми струнами, но угловой момент закручивал их. Также возникает вопрос, как подтвердить или опровергнуть предполагаемые оболочки с помощью специальных наблюдений», — говорит Льеу.
Будучи опытным учёным, Льеу представляет ограничения своих предположений.
«Конечно, наличие второго решения, даже если оно наводит на размышления, само по себе не является достаточным для дискредитации гипотезы о тёмной материи — в лучшем случае это может быть интересным математическим упражнением, — заключает Лье. — Но это первое доказательство того, что гравитация может существовать без массы».
Комментарии (31)
NeoCode
25.06.2024 07:38+2"Топологические эффекты" - видимо, имелись в виду дефекты?
А вообще интересно, чем эти дефекты по сути отличаются от неведомых элементарных частиц? Тоже стабильные, тоже достаточно "элементарные" (не состоящие из чего-то еще). Ну только что размер побольше, но кто сказал что элементарные частицы должны быть непременно микроскопическими? Почему бы им не быть и астрономических размеров?
kompilainenn2
25.06.2024 07:38+1но кто сказал что элементарные частицы должны быть непременно микроскопическими? Почему бы им не быть и астрономических размеров?
А это интересная точка зрения (ц)
Черные дыры в центрах галактик - чем не изначальный топологический дефект?
Popadanec
25.06.2024 07:38Т.е. визуальный размер чёрных дыр зависит от того как сильно она искажает пространство вокруг себя. А масса которую она затягивает, увеличивает размеры дефекта, из за чего размеры чёрной дыры только увеличиваются. И получается чёрная дыра это по сути прокол в другую вселенную с немного другими законами, которые и создают эффект втягивания, называемый лысыми обезьянами, гравитацией. Т.е. по сути у чёрной дыры нет массы как таковой.
Но точно так же любой объект создаёт топологический дефект в микро масштабах и дойдя до определённого предела, проваливается в другое измерение/вселенную/разряжённую пустоту, создавая новую "чёрную дыру".
astroduck
25.06.2024 07:38+2А почему вдруг без массы? Если что-то выглядит как утка, ведёт себя как утка и крякает как утка, то видимо это утка и есть. Так и тут. Очевидно что масса есть (гравитационная масса).
ildarz
25.06.2024 07:38+1Грубо говоря, масса приводит к искривлению пространства-времени, которое мы наблюдаем как гравитацию. А теперь предположим, что такое искривление может вносить не только масса сама по себе, но и какие-то иные (пока неизвестные) эффекты...
ksbes
25.06.2024 07:38+3Но как мы отличим эти эффекты от наличия там массы(масс-энергии)?
ildarz
25.06.2024 07:38В мысленном эксперименте - например, по разнице между инертной и гравитационной массами объекта (в локальных экспериментах ее не видно, ну так и темной материи мы локально тоже не обнаруживаем). В реальном - хз, без внятной теоретической базы тут бесполезно что-то придумывать.
Oncenweek
25.06.2024 07:38+1А теперь предположим, что такое искривление может вносить не только масса сама по себе, но и какие-то иные эффекты...
Ну вообще так оно и есть: в тензоре энергии-импульса 16 компонент, и масса (точнее объемная плотность энергии) только одна из них. А так там и давление, и компоненты импульса и компоненты вектора Пойнтинга
R0bur
25.06.2024 07:38+2Эти дефекты могут иметь форму похожих на оболочки компактных областей, где плотность материи намного выше. Выстраиваясь в концентрические кольца, эти дефекты ведут себя подобно гравитации, но не обладают массой.
А о плотности материи можно говорить, исключая массу? Или это такая аллегория?
ildarz
25.06.2024 07:38+1Масса там не исключается, ибо речь идет не об отсутствии материи вообще, а о способе, которым она организована в пространстве. Насколько я понимаю, автор предполагает, что в некоторых случаях распределенная определенным образом материя может создавать большую гравитацию, чем, грубо говоря, просто шар из того же количества материи.
ksbes
25.06.2024 07:38+3Мне интересно как это:
уравнение Пуассона — оно даёт конечную силу тяготения при отсутствии какой-либо обнаруживаемой массы
и кто кого изнасиловал?
Насколько я помню там интеграл от плотности заряда(массы) делённой на радиус и там никак не может быть ненулевого решения при нулевой плотности заряда(массы).
Travisw
25.06.2024 07:38А что же темная материя не разгравитирует черные дыры и звезды, на худой конец планеты если она существует?
ksbes
25.06.2024 07:38+2Разгравитирует - тёмная энергия же!
А тёмная материя - наоборот загравитирувает всё. Она так же притягивается и притягивает как и обычная материя - но столкнуться не может. Потому пролетает мимо и не может скапливаться.
А вот чёрные дыры ...
Radisto
25.06.2024 07:38+4https://elementy.ru/novosti_nauki/434235/Gipoteza_o_tsiklicheskoy_Vselennoy_poluchila_nablyudatelnuyu_podderzhku
Тут на элементах статью Горькавого опубликовали. Тоже о чёрных дырах)))
Ritoneet
25.06.2024 07:38+1Если гравитация без массы и существует, то это докажет существование гравитонов, хотя сама теория абсурдна, ведь масса есть у всего
Ritoneet
25.06.2024 07:38И всё это при том, что тёмная материя вообще гипотетическая субстанция
phenik
25.06.2024 07:38+1ТМ гипотетическое объяснение эмпирического факта тяготеющих областей, особенно (в гало) вокруг галактик. В статье приводится другое гипотетическое объяснение, что это не неизвестная материя, а вариант дефекта пр-временного континуума, который ведет себя, как область тяготения, т.е. мимикрирует под объяснения ОТО. Проблема в недостаточных данных, чтобы найти решение. Нужны дополнительные наблюдения, или экспериментальный поиск в рамках СМ и ее расширений, если это все-же неизвестные частицы. Возможно это вообще неизвестное пятое взаимодействие.
Dolios
25.06.2024 07:38Как ясно из названия статьи, тёмная материя оказывает скрепляющее воздействие на такие структуры, как галактики. Астрономы знают, что массы видимой материи в галактиках недостаточно для того, чтобы они не разваливались. Если бы в них была только видимая материя, они должны были бы просто рассеяться на составляющие их звёзды и облака газа.
Астрономы знают, что существуют галактики, в которых почти нет темной материи. И они никуда не собираются рассеиваться.
ksbes
25.06.2024 07:38Просто люди с "популярной наукой" в голове понимают фразу "линейная скорость вращения одинакова" как то что галактика вращается как единый твёрдый объект (как ни странно). Отсюда идет и "скрепление" - т.е. ТМ "как цемент скрепляет звёзды в единую твёрдую структуру".
MasterOgon
25.06.2024 07:38+1Вся видимая материя это возможно кавитация, вихри в пространстве времени как в воде. Это бы многое обьяснило. Также там могут быть и более крупные флуктуации.
Tverdoxleb
25.06.2024 07:38"когда Вселенная охладилась настолько, ьь значит отдала энергию, которая законно сохраняется. Кому отдала, куда делась? Может превратилась в гравитацию без материи? А материя является чувствительным элементом (индикантом) гравитации?
oleg_rico
25.06.2024 07:38Хочу антигравитацию. Чтоб всякие летательные аппараты на таком принципе наконец появились А то что это - XXI век, а до сих пор на старье летаем:)
kauri_39
25.06.2024 07:38Если гравитация может существовать без массы...
А что, уже известно, что такое гравитация? Известно, как материя влияет на физический вакуум, что это вызывает искривление метрики пространства-времени? Не слышал о таком открытии...
Давайте определим пространство-время, не искривлённое материей, как неподвижный вакуум. А пространство-время, искривлённое материей в свою сторону, как вакуум, ускоренно движущийся в сторону материи - в активную гравитационную массу. Сразу понятна эквивалентность инертной массы и пассивной гравитационной массы: тело, ускоренно движущееся сквозь неподвижный вакуум, имеет такой же вес, как при своей неподвижности в ускоренно движущемся вакууме (при равенстве ускорений тела и вакуума).
Что заставляет вакуум расширяться и ускоренно двигаться в сторону материи? Очевидно, снижение материей плотности энергии вакуума. Снижается же эта плотность между пластинами в эффекте Казимира, отчего внешний плотный вакуум сдвигает пластины друг к другу. В менее плотном вакууме - в гравитационном поле - замедляются все процессы, и это описывается в ОТО как замедление времени.
Допустим, что материя снижает в себе (и вблизи себя) плотность вакуума - выводит его кванты в некое дополнительное измерение. Но поскольку Вселенная ускоренно расширяется, то надо предположить, не вводя лишней сущности, что из этого же измерения во вселенский вакуум постоянно поступают его новые кванты, уплотняют его. Тогда в войдах плотность вакуума будет всегда больше, чем в скоплениях галактик и в самих галактиках, где их материя выводит вакуум из 4-мерной Вселенной. И тогда вакуум, расширяясь из войдов, будет постоянно втекать в скопления и в галактики - с характерным малым ускорением. Он будет оставлять в них только быстро вращающиеся объекты, которые не могут удерживаться лишь ньютоновской силой притяжения. Так вакуум из войдов заменяет тёмную материю. Логично?
BlackMokona
Звучит ещё более сомнительно чём тёмная материя. Потому как предполагает ещё более аномальные вещи. Намного большие допущения в известных законах.
Popadanec
Известные законы тоже допущения, раз не объясняют природу всех фактов. Других, более достоверных пока нет, потому и пользуемся.
khajiit
Хвилософствование. У вас выходит, что раз закон Кулона не объясняет сингулярности черных дыр, то существует магия.
Popadanec
У меня выходит,, если какой то закон, который придумали специально под явление, не объясняет все факторы этого явления, значит он частично или полностью неверен.
Что такое чёрные дыры, учёные не знают. И пока(?) не могут узнать. Это как восстановить цветную фотографию человека, по фотографии его тени на полу.
А по поводу магии, людям пары тройки вековой давности, сегодняшние бы тоже показались магами
и их бы сожгли на костре, отвергая показанное ими, т.к. оно нарушает их представление о мире.khajiit
Вы точно знаете, как работает наука? Да что там, вам вообще известен смысл слова закон в этом контексте?
Popadanec
Да я знаю. И под придумали, я имел в виду математически(или иными способами) установили, Но для этого всё равно думать надо, так что придумали. И это совершенно не обязательно, взяли из головы/высосали из пальца, хотя и такое бывает.
А как его называть? Недозакон? Почтизакон?, Закон_но_это_неточно? "Закон"? На момент общественного принятия "закона", учёные в нём не сомневаются, т.к. все факты укладываются в него. Но наука не стоит на месте, совершенствуются инструменты и методы анализа. В результате оказывается что "закон", не очень то и соответствует действительности и начинается натягивание совы на глобус старого "закона" или придумывание нового "закона".