Факт никогда не шёл рука об руку с чудом. Правда презирает помощь чудес. Факт совпадёт с любым другим фактом во вселенной, и именно так можно узнать, является он фактом или нет. Ложь не совпадёт ни с чем, кроме другой лжи.
— Роберт Грин Ингерсолл
Один из самых удивительных фактов, касающихся Вселенной – то, что она познаваема! Несколько основных законов, свойств и частиц, насколько мы знаем, может привести нас от горячей, плотной и почти однородной Вселенной к сложной системе из миллиардов звёзд в миллиардах галактик, наблюдаемых нами.
Один из самых удивительных, но и самых надёжных результатов исследования Вселенной – то, что тёмная материя, одна из форм материи, не взаимодействующая со светом, атомами или сама с собой, за исключением гравитационного взаимодействия, не только существует, но и преобладает над количеством атомов в пять раз!
К этому заключению приводит огромное количество доказательств, двумя лучшими из которых служат флюктуации в реликтовом излучении
и распределение галактик – известное, как крупномасштабные структуры – по Вселенной.
Что нам хотелось бы сделать дальше, так это выяснить, как создать и/или обнаружить тёмную материю, чтобы понять, что она собой представляет.
К сожалению, поскольку она не взаимодействует с обычной материей, кроме как через гравитацию, а гравитация слабее раз в 1030, чем остальные известные взаимодействия, нам пока это сделать не удалось. Но один из вопросов, которые мы можем задать, и ответить через наблюдения – какова кинетическая энергия тёмной материи по отношению к её массе.
Флюктуации реликтового излучения от этого совершенно не зависят. Тёмная материя могла бы двигаться с ультрарелятивистскими скоростями, или вообще практически не двигаться, и эти флюктуации вообще бы никак не изменились.
Но многие вещи чувствительны к скорости тёмной материи. В качестве аналогии подумайте о ней, как о молекулах внутри шарика.
Если молекулы двигаются быстро, это означает высокую температуру, и шарик подвергается давлению изнутри, в результате чего он становится большим, а газ в шарике – разреженным.
С другой стороны, если молекулы двигаются медленно, это соответствует малой температуре, давление шара изнутри небольшое, и он становится маленьким, а газ внутри него – плотным.
Но эту аналогию нельзя применить к тёмной материи полностью. Обычные молекулы сталкиваются между собой и с поверхностью шара. Тёмная материя просто летает с той скоростью, какая у неё имеется в расширяющейся Вселенной. Она может либо двигаться достаточно медленно, чтобы способствовать гравитационному коллапсу объектов (и формированию звёзд, галактик, скоплений, и т.п.), или двигаться быстро, затрудняя их формирование.
Заглянем в прошлое Вселенной, чтобы прояснить этот вопрос.
Мы увидим множество структур, накладывающих ограничение на температуру, или скорость тёмной материи. Во Вселенной возрастом в несколько сотен миллионов лет мы обнаружим не только галактики или квазары, хотя и их наличие очень важно.
Мы обнаружим на меньших масштабах сколлапсировавшие частички изначального водорода, очень плотные и холодные. Из-за глубины и малой ширины линий на графиков – линии поглощения холодных кусочков водорода в ранней Вселенной – мы можем неплохо ограничить скорость движения тёмной материи.
Так что мы можем отвергнуть представление о горячей тёмной материи, большую часть которой составляет некое подобие обычных релятивистских нейтрино малой массы. Но мы можем провести симуляцию разных температур тёмной материи – горячей, холодной, или чего-то среднего, и посмотреть на получаемые предсказания.
Сверху вниз – модели холодной, тёплой и горячей тёмной материи
Тут начинается самое интересное. Холодная и тёплая ТМ дают результаты, в целом совпадающие с наблюдениями за структурами малых и крупных масштабов. На масштабах от сотен тысяч световых лет и выше эти два типа ТМ формируют почти неотличимые структуры. Но на меньших масштабах, не превышающих отдельную крупную галактику, существуют весьма явные различия.
Для симуляции можно изучить отдельные галактики и воссоздать распределение тёмной материи в них. Предсказания теории холодной ТМ совпадают с четырьмя верхними линиями, которые сложно примирить с наблюдениями. Изотермическая модель (нижняя линия) всегда работает лучше, но для неё нет подходящих кандидатов среди частиц (а для холодной ТМ есть WIMPы, аксионы и куча других кандидатов).
Но астрономы давно считают, что тёплая ТМ подошла бы лучше. Физики предпочитали холодную ТМ, поскольку её легче было бы обнаружить – именно там и сконцентрированы усилия большинства проектов, включая CDMS, XENON, Edelweiss и БАК.
Но давно уже существовала другая загадка. На масштабах отдельных галактик типа нашего Млечного пути, холодная ТМ предсказывает большое количество комковатых галактик-спутников. И хотя в нашей локальной группе их много, но всё же не так много, как нужно.
Карлос Френк [Carlos Frenk] из Даремского университета – а буква F в профиле NFW взята именно из его фамилии – последние несколько лет работал над набором очень чувствительных симуляций ТМ и формирования структур, в результате чего получил очень важные результаты.
Тёплая ТМ работает! Карликовые галактики вокруг Млечного пути не такие плотные и их не так много, как требовала того теория холодной ТМ, но результаты симуляции тёплой ТМ совпадают с наблюдениями!
Это особенно удивительно, поскольку мы можем сравнить результаты влияния холодной и тёплой ТМ на крупных масштабах, где наши наблюдения уже давно весьма точны.
Они одинаковые! На крупных масштабах холодная и тёплая ТМ дают идентичные результаты для скоплений. Это замечательно, ибо именно тут наша теория наилучшим образом совпадает с наблюдениями!
А на меньших масштабах?
Тёплая ТМ справляется лучше. Но если тёплая ТМ будет ответом на нашу астрономическую загадку, то что это будет означать для физики?
Это значит, что мы не найдём её там, где ищем сейчас. Возможно, это стерильные нейтрино; четвёртый вид нейтрино, не спаривающийся с другими так, как мы привыкли? Возможно, это новый тип частиц, о котором мы не думали ранее? Возможно, это нечто вроде аксиона, только рождённого не холодным (как предсказывает стандартная теория), или горячим (в виде термального реликта), а тёплым, благодаря новому типу взаимодействий или спариваний?
Как бы там ни было, пришло время вновь открыть дверь для тёплой ТМ, а не отметать эту идею из-за отсутствия подходящих частиц-кандидатов. Гравитация и формирование структур не врут, так прислушаемся же к тому, что они говорят нам!
Комментарии (12)
scvorec3
24.10.2016 16:13Возможно скажу глупость, но я не очень понимаю что такое «теплая»/«холодная»/«горячая». Может это можно как-то исправить — ( хотяб от переводчика) о каких энергиях идет речь. Например, на БАК сейчас достижимы такие энергии, а ТМ находится предположительно в таком диапазоне. Либо я совсем не верно понял, что значит «физики ищут ТМ не там»?
trapwalker
25.10.2016 20:42Насколько я понимаю, (как дилетант) температура — это мера кинетической энергии вещества. Фактически это величина, пропорциональная среднему модулю скорости каждой частицы. Абсолютный ноль — неподвижные атомы (или какие-то другие частицы, какими бы они ни были там у этого ТМ), Большая температура соответствует большей скорости. Как я понял из статьи, частицы ТМ при большей температуре сильнее разлетелись бы и рисунок крупномасштабных структур обычного вещества (на которое ТМ влияет гравитационно) был бы более смазанным и плавным, без зернистости.
mm7
24.10.2016 20:36В предыдущей статье «Состоят ли черные дыры из темной материи» было сказано
> Тёмная материя не комкуется ни с обычной материей, ни сама с собой.
Вот это не понятно. Если ТМ взаимодействует посредством гравитации, т.е. притягивает светлую материю, собственно из-за чего ее и обнаружили,
то светлая материя должна притягивать к себе темную. Т.е. комковаться с ней. Или что, ТМ отталкивается от ТМ, и притягивается к СМ?
Обьясните пожалуйста, почему Тёмная материя не комкуется ни с обычной материей, ни сама с собой?
ПС/ К сожалению делать комменты в той статье уже нельзя (какое-то странное правило, нельзя делать комменты после 3 дней)
Поэтому спрашиваю здесь.volanddd
25.10.2016 06:34Не читал ту статью, но думаю что термин «комкуется» применяется для масштабов от порядка атомов до порядка планетных систем.
Чтобы такое случилось необходимы сильные взаимодействия — электромагнитное или сильное, а темная материя не участвует в этих взаимодействиях.
Гравитационное же взаимодействие позволяет «комковаться» на масштабах порядка разммера галактики, что и видят астрономы.trapwalker
25.10.2016 21:02Я бы предложил полагать, что в черные дыры материя не комкуется, а проваливается. Видимо атомы обычного вещества слетаясь вместе в конце концов сталкиваются и не могут дальше провалиться друг в друга, поскольку взаимодействуют и другими, более сильными способами, нежели гравитационно. Получается комкование, объединение в твердые тела или даже в газовые шары типа звезд, где уже возникает давление из-за сталкивающизся частиц. Похоже темная материя не взаимодействует даже сама с собой иначе, как гравитационно. Из-за этого просто пролетает сквозь свои же скопления никак не замедляясь. Эдакий вихрящийся и клубящийся тяжелый туман получается. К местам его концентрации тянется и обычная материя. Интересно, как оно там с темной материей в районе черных дыр… Прямо мозг закипает при попытке представить все эти фокусы с релятивистскими скоростями, временем и кривым пространством. Вроде частицам, обладающим массой нужно бесконечное количество энергии для разгона до скорости света. А частицы темной материи не столкнутся ни с чем, даже с фотонами (если действительно никак не взаимодействуют кроме гравитации) и, возможно, смогут как-то иначе проходить вблизи горизонта событий. Может быть черная дыра разбрасывает в стороны целые потоки темной материи на релятивистских скоростях. Есть ли в стандартной модели следы потери энергии черной дырой на ускорение этой темной материи? Если темная материя обладает массой, растет ли черная дыра из-за попадания в нее этой массы? Черт подери, как интересно было бы послушать рассуждения обо всем этом какого-нибудь грамотного ученого, который может объяснять на пальцах то, что понимает, а не изображать многословно и витиевато понимание туманными терминами.
nvksv
27.10.2016 06:16Термин «комкование» предполагает, что взаимодействие частиц будет неупругим — две частицы встретятся, слепятся в один комок и дальше полетят уже вместе. Т.е. произойдет переход части кинетической энергии в тепло или еще во что-либо, это хорошо понятно, если рассматривать все в ИСО конечного «комка»: до удара — движение было, после — уже нет. А гравитация сама по себе такого не позволяет: все гравитационные взаимодействия упругие, энергия в них не теряется, как максимум она может временно переходить в потенциальную — причем, согласно теореме вириала, средние за долгий промежуток времени значения этих энергий измениться не могут (без перехода энергии в тепло, в излучение и т.п., для чего нужно что-то еще, помимо гравитации).
Все это означает, что рой частиц, взаимодействующих только через гравитацию, не может ни собраться в «комок», ни любым иным образом изменить свои суммарные кинетическую и потенциальные энергии.
P.S. В черные дыры WIMPы могут проваливаться только при прямом попадании траектории в саму ЧД или ее зону неустойчивых орбит, что достаточно маловероятно. А вот по любым устойчивым орбитам вокруг ЧД они будут вращаться вечно (пока гравитационный обмен не направит одну частицу внутрь ЧД, соответственно оттолкнув от нее другую).
P.P.S. Воображение упорно подсовывает картину эдакого кугельблица из WIMPов…
volanddd
25.10.2016 06:29Насколько это «мнение» разделяют ведущие физики?
Всё-таки общепринята сейчас ?-CDM парадигма, где буква С = cold, холодная темная материя
thatsme
Как быть с недавно обнаруженным фактом, что мы видели в 20 раз меньше галактик, чем есть на самом деле? Если учесть, что до этого факта мы наблюдали всего 4% вещества вселенной, то теперь получается что мы уже можем наблюдать… наверное всё-таки не 80%, а меньше т.к. эти галактики тусклые хотя о размерах и весе ничего в новостях особого не было.
TM посветлела??? Или ещё нет?
Какой % массы ТМ можно списать на открытые кучи новых галактик?
А какой % массы ТМ можно списать на гало обычного газа вокруг галактик (2) который увеличивает их размер в 1000 раз?
Почему-же так хочется избавиться от ТМ, каким-нибудь простым способом, например, — слепотой человеческой цивилизации???
thatsme
Интересно, за что минусуют? Это религиозное или ответы на мои вопросы, кому-то очевидны, но комментарий написать лень?
kauri_39
Вы посягнули на святое, за это и минусуют. Подозревая человеческую цивилизацию в слепоте, вы обвиняете в этом физику, через которую человечество смотрит в космос.
Ну да, не видим мы там тёмной материи, но видим её проявления. Видим влияние её гравитации на скорость образования галактик, на скорости вращения галактик и их скоплений. Правда, физика ещё не знает природы гравитации, а она может быть такова, что участия во всём этом тёмной материи и не требуется.
Что если пространство между галактиками и скоплениями расширяется с большей скоростью, но не раздвигает их с той же скоростью потому, что поглощается их материей? И выводится оно туда, откуда появилось в момент рождения Вселенной? Зато втекающее в галактики пространство будет удерживать их быстро вращающиеся звёзды вокруг галактических центров без всякой незримой ТМ. Аналогично можно объяснить и вращение скоплений и быстрое образование галактик после Большого взрыва.
Даже нехватку карликовых галактик, большое число которых предсказывает LCDM-модель, можно объяснить таким механизмом гравитации. Просто галактики поглощают вместе с пространством и материю, как киты вместе с водой поглощают криль. Они лишают конкурентов строительного материала, и быстрее сами наберут вес, чем дадут образоваться карликовым галактикам.
Вы начали свой комментарий с вопроса, не заменит ли открытое множество тусклых карликовых галактик тёмную материю? Я спрашивал о том же астронома Алексея Моисеева, он ответил — не заменит. Их теоретическое открытие соответствует LCDM-модели, до практического открытия дело нескоро дойдёт из-за отсутствия чувствительных инструментов. «Беда» в том, что их должно быть больше в ближнем космосе, где они должны быть видны. А их там очень мало, их или слишком быстро поглотили массивные галактики или вообще не дали им размножиться до большего числа. Но мои философические объяснения представители точных наук не жалуют. И тоже минусуют…
thatsme
Спасибо за ответ.
И:
Да не покушался я ни на что. Тут-же новость была https://geektimes.ru/post/281502/
То что подсчёт продолжается это очень хорошо, но они уже смело заявляют о 10-20 кратном увеличении кол-ва галактик.
При этом как минимум 2 парадокса можно списать хотя-бы частично:
1. парадокс аномальной скорости вращения звёзд вокруг центра галактики, — можно списать на гало газа (который также по слепости не видели).
2. аномалии движения галактик относительно друг-друга, (это об увеличенном кол-ве галактик)
Я вовсе не выступаю против ТМ, физики и сами говорят :«тёмная, — потому что мы не знаем что это». Избавиться (читай: «понять что это»), от неё просто необходимо.
Утверждается, что тёмной материи 22%, 74% тёмной энергии и 4% барионной материи. Если внезапно барионной материи, вместо 4-х% стало Х% (где Х>4), какую из «тёмных» нужно уменьшать? Явно не энергию, т.к. расширение вселенной приписывается именно ей. Как изменение %-го состава, должно повлиять на космологию? Или это религия, и её менять кощунственно?
Такое гадостное ощущение от этой минусовки меня посетило, как будто в хабр наступил. Да и Вам тоже досталось…