Может оказаться, что неуловимая субстанция не состоит из каких-то новых частиц
Когда 11 февраля 2016 года докладчик проекта aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) объявил об обнаружении гравитационных волн, я был поражён. Конечно, мы ожидали, что aLIGO в какой-то момент выдаст нам что-нибудь интересное, но мы думали о предварительных результатах. Мы считали, что проект после сложных и трудных подсчётов в течение нескольких месяцев выдаст нам некий слабый сигнал, чуток подымающийся над шумом.
Но нет, графики, показанные в тот роковой день февраля, были настолько ясными и недвусмысленными, что доказывать ничего не пришлось. Своими глазами я мог видеть волновую форму, которую нельзя было спутать ни с чем – это слияние двух чёрных дыр, в результате которого в окружающее пространство-время отправились гравитационные волны.
И это было ещё не всё. Чёрных дыр, увиденных aLIGO, вообще не должно было существовать. Мы знаем о существовании чёрных дыр с массами в миллион или триллион раз превышающими массу Солнца, и мы видели небольшие чёрные дыры массой, сравнимой с солнечной. Но масса чёрных дыр, увиденных aLIGO, была в 30-60 раз больше солнечной. Некоторые из моих коллег утверждают, что чёрные дыры среднего размера, обнаруженные aLIGO, могут оказаться той самой тёмной материей, что скрывается от нас уже почти 50 лет.
Уже не в первый раз учёные предположили, что чёрные дыры могут быть тёмной материей, но мы думали, что эту возможность однозначно отвергли. Воскрешение этой идеи – ещё один пример богатой творческой деятельности, возникающей после нового открытия. Идеи, вышедшие из моды, могут вернуться в неё, если посмотреть на них в новом свете и с энтузиазмом – и даже заменить собою принятые точки зрения. Пересмотр открытий также сближает на первый взгляд несравнимые области исследований – в нашем случае это тёмная материя и гравитационные волны – и ведёт к плодотворным связям.
В 1970-х Стивен Хокинг со своим аспирантом Бернардом Карром предположили, что из хаоса, разверзшегося после Большого взрыва, могло появиться море крохотных первичных чёрных дыр. Со временем они могли вырасти и стать основой формирования галактик. Они могли даже внести свой вклад в общий энергетический бюджет Вселенной. Чёрные дыры тяжелы и их сложно увидеть – как раз эти свойства нам нужны, чтобы объяснить отсутствующую материю Вселенной.
Несколько десятилетий преданные сторонники этой идеи развивали её. В 1990-х она пережила, казалось, смертельный удар. В эксперименте MACHO учёные направили телескоп на Большое Магелланово облако в поисках лёгкого мерцания, означавшего бы, что перед звездой прошла чёрная дыра. Они обнаружили, что очень трудно было бы набрать достаточно чёрных дыр для того, чтобы списать на них всю тёмную материю Вселенной.
Позже Тимоти Брандт из Института передовых исследований в Принстоне изучал эффект, оказываемый чёрными дырами на плотные агломерации звёзд, известные, как, шаровые скопления, живущие в карликовых галактиках, прячущихся в пустоте вокруг Млечного пути. Он показал, что в случае избытка чёрных дыр эти скопления разогревались бы, раздувались и быстро умирали. Подставив конкретные значения для конкретного кластера в карликовой галактике Эридан II, он смог показать, что лишь малая часть тёмной материи может существовать в виде чёрных дыр. В связи с чем идея чёрных дыр, выступающих в роли тёмной материи, превратилась в очередную экзотическую идею, с которой любят играться теоретики, но без реальной опоры в природе.
А поиски тёмной материи сфокусировались на слабо взаимодействующих массивных частицах, WIMP. Это фундаментальные частицы, реликты с самых ранних времён, когда фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и вели себя совсем не так, как сейчас. Для многих моих коллег обнаружение WIMP – это неизбежность, они должны существовать. Как только мы построим достаточно большой и мощный инструмент, то, по мнению большинства космологов, мы неизбежно увидим эти странные частицы.
Вот только этого не происходит. Со временем наши детекторы стали мощнее и больше, но они ничего не нашли. В недавнем эксперименте LUX, ищущем редкие частицы, оставляющие свою энергию в половине тонны жидкого ксенона, погребённого в километре под землёй в местечке Лид в Южной Дакоте, так и не смогли продемонстрировать доказательства невиданных доселе частиц. Ричард Гэйтскел из Брауновского университета, один из создателей LUX, сказал: «Было бы чудесно, если бы улучшенная чувствительность позволила бы увидеть чёткий сигнал тёмной материи. Однако то, что мы наблюдаем, соответствует только лишь фону».
Учитывая отчаянное положение WIMP, имеет смысл поднять некоторые старые, умозрительные, отброшенные идеи. В двух недавних работах, одну из которых возглавил Симеон Бёрд из Университета им. Джона Хопкинса, а другую – Мисао Сасаки из Университета Юкава в Токио, проделано именно это.
Подстёгнутые открытием aLIGO, они проработали вопрос того, могут ли чёрные дыры массой в несколько десятков солнечных быть тёмной материей. В Млечном пути таких дыр должно было быть 10 миллиардов, и ближайшая из них, возможно, находится в нескольких световых годах от нашей Солнечной системы. Некоторые из них должны были сформировать двойные системы, и некоторые из таких систем мог бы обнаружить aLIGO. Две команды сходятся в том, что aLIGO должен засекать от нескольких единиц до нескольких десятков таких событий в год, и они должны преобладать над другими чёрными дырами, появившимися таким способом, как коллапс звезды. Иначе говоря, если эти чёрные дыры – галактическая тёмная материя, можно ожидать, что их увидит aLIGO. А он их увидел.
Дьявол в мелочах. Как доисторические чёрные дыры должны были появиться – вопрос пока открытый. Одна из идей состоит в том, что они возникли в краткий период ускоренного расширения ранней Вселенной, во время инфляции. Толчки и вибрация того периода должны были сконцентрировать энергию в плотных шариках, которые и дали бы начало формированию чёрных дыр. Чтобы мы могли их обнаружить, эти дыры должны достаточно сильно сблизиться, чтобы слиться и испустить гравитационные волны. То, как и когда это случается, зависит от формы Млечного пути, плотности расположения массы и скорости движения чёрных дыр. Разумные предположения выдают многообещающий ответ, но это пока всё ещё предположения.
Это только первые шаги в области, следующие за эйфорией открытия aLIGO, и может случиться, всё, что угодно. Ограничения эксперимента MACHO и физики шаровых скоплений работают против этой идеи, но какая-нибудь гениальная мысль может решить все проблемы, связанные с наблюдениями.
Открытие aLIGO напоминает мне об ещё одном превращении, за которым я наблюдал в своей карьере. В 1991 году спутник COBE впервые измерил волны реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Разочаровывающие и почти донкихотские поиски этого излучения шли более 25 лет, и почти перешли в захолустные области космологии. Сама по себе космология казалось эзотерической и трудно описываемой наукой, расплывчатой, хотя очень интересной и творческой темой. Но когда излучение всё-таки нашли, это породило лавину идей не только для астрономии, но и для физики частиц.
Десятилетия мы пытаемся связать фундаментальные законы природы, управлявшие ранней Вселенной, с тем, как появлялись галактики, чтобы эволюционировать и сформировать видимые сегодня крупномасштабные структуры. Открытие COBE направило меня на путь, которым я следую до сегодняшнего дня, и я могу представить, как aLIGO сделает то же самое с новым поколением физиков в их поисках тёмной материи.
Комментарии (25)
DancingOnWater
02.03.2017 14:06+3Нет не может. Уже куча экспериментов по поиску ЧД промежуточных масс были. Оценки крайне пессимистичны, верхний предел установлен в районе 100 на всю галактику
kauri_39
02.03.2017 16:08-9Более перспективны исследования, которые объясняют космологию вообще без тёмной материи. Уж слишком много расхождений между наблюдаемой эволюцией галактик и её математической схемой, построенной на основе тёмной материи — LCDM-моделью. О них написано в книге О.К. Сильченко "Происхождение и эволюция галактик".
Единственно, что удерживает гипотезу тёмной материи в космологии, это необходимость как-то объяснить быстрое образование галактик в условиях почти однородного распределения материи в ранней Вселенной и её быстрого расширения. Горячая барионная материя не слушается гравитацию, поэтому её приходится смирять тёмной материей. Последняя, наоборот, не реагирует на температуру (поглощение/излучение фотонов), а реагирует на гравитацию, быстрее начинает сгущаться и заставляет сгущаться вокруг себя барионную материю.
Но её самостоятельное поведение, образование своей иерархической структуры и приводит ко многим расхождениям с наблюдаемой эволюцией галактик. От них можно было бы избавиться, если бы лишить тёмную материю самостоятельности. Но такое возможно лишь при исключении ТМ из космологии. Тогда кто будет дополнительно сближать горячую барионную материю в расширяющемся пространстве?
Вот сами они и будут — материя и пространство. Как бы не были горячи частицы материи, они обладают гравитацией. А это не просто искривление прилегающего к ним пространства, а его поглощение (знающие меня знают, что я имею ввиду).
Тогда сразу, подобно фрагментации гипотетической ТМ, начинается фрагментация пространства — его разделение на области с чуть меньшей концентрацией барионной материи и области, где последней чуть больше. Пусть эти области временные, перемешиваются, но при этом они непрерывно будут меняться в размерах: более "лёгкие" области будут иметь большую плотность энергии эфира/вакуума и большую скорость расширения, а более "тяжёлые" — меньше того и другого. И поэтому вторые области будут быстро сдавливаться будущими войдами и превращаться в будущие скопления галактик.
Кстати, согласно наблюдениям и вопреки LCDM-модели, скопления галактик стали формироваться сразу, а не в более позднее время.
Высокие скорости вращения галактик и скоплений галактик объясняются по той же схеме: их сжатием окружающим пространством, которое имеет большую скорость расширения и втекает в эти вращающиеся объекты, частично поглощаясь их материей.zookko
02.03.2017 16:22+8знающие меня знают, что я имею ввиду
А у незнающих, после таких вот фраз начисто отпадает желание узнавать.
VenomBlood
03.03.2017 01:23+3Знающим еще хуже, поверьте.
Если вдруг захочется веселья — вот один из наиболее эпичных каментов (выделение — мое):
Думаю, будет лучше отвечать на ваши вопросы после изложения эволюционной модели мира. Понять мои ответы возможно только в рамках этой модели. Прошу учесть, что я не физик, а философ, футуролог.
Вот здесь я вывожу общий закон эволюции: https://geektimes.ru/post/280082/
Из него следует, что развитые цивилизации нашей Вселенной взаимодействуют со сверхсветовой скоростью, что позволяет им объединиться в очередную форму материи — федерацию или разумную вселенную. В этом можно косвенно убедиться, приняв соответствующий вариант мультиверса.
А именно, следует допустить, что в некоем истинно вечном и бесконечном сверхпространстве около 14 млрд лет назад возникло и расширяется множество вселенных, соразмерных нашей. Расширение их плотных сред — эфира, вакуума — приведёт к взаимному сжатию этих сред и росту их плотности. Выжить при таком конце света смогут лишь разумные вселенные. Неразумные внутренне деградируют и образуют собой плотную среду более масштабной вселенной — макровселенной. В ней разумные вселенные выступят в роли фотонов.
Таким же путём образовалось пространство и нашей, в частности, Вселенной. И её фотоны — это разумные микровселенные, которые, согласно общему закону эволюции, способны к мгновенным информационным взаимодействиям. Что они и демонстрируют нам, находясь в запутанном состоянии. Поэтому элементарные частицы, образуясь из фотонов, тоже внутренне разумны и тоже демонстрируют в опытах свою мгновенную информационную связь.
Таким путём образуются вообще все вселенные любого масштаба — бесконечно малого и бесконечно большого. Эта бесконечность масштабов является сущностью пятого измерения, которое участвует в расширении пространства Вселенной и в механизме гравитации.
Мгновенные взаимодействия запутанных частиц — это лишь одна сторона косвенного подтверждения такого варианта мультиверса. Другая сторона — это точнейшая настройка фундаментальных параметров Вселенной, благодаря которым в ней стала возможной успешная эволюция материи. Это результат целенаправленной деятельности внутренне разумных частиц материи, объединённых во вселенскую информационную сеть.
Теперь переходим к вопросам.
1. Согласно эволюционной модели мира, эфироны — это взаимно сжатые уже безжизненные микровселенные. В этой плотной среде находятся разумные микровселенные — фотоны. Ради самосохранения они вынуждены постоянно ликвидировать давящие на них эфироны — вызывать ускоренный коллапс этих микровселенных, содержимое которых уходит в 5 измерение. Давление эфира продвигает фотоны на место ликвидируемых эфиронов, из чего складывается световое перемещение фотонов в эфире.
Чем больше в единицу времени ликвидирует фотон эфиронов, тем больше его релятивистская масса или его энергия (частота). Фотон не имеет обычного гравполя, но создаёт бегущую с ним волну этого поля — волну снижения плотности эфира.
Объединяясь в частицы материи, множество фотонов перемещается по замкнутым внутри них орбитам, и производимое ими снижение плотности эфира проявляется как гравполе частиц, как их масса покоя. Таким образом, гравитация тел — это снижение плотности эфира вокруг них и расширение внешнего более плотного эфира в сторону тел (согласно Ньютону).
Менее плотный эфир оказывает обратное действие на частоту фотонов. Им уже нет нужды ликвидировать эфироны с прежней скоростью, и частота фотонов снижается. Например, частота излучаемых цезием фотонов на орбите спутников gps составляет 9192631775 Гц, а на поверхности Земли уже 9192631770 Гц. А поскольку числом периодов этого излучения измеряют время, то говорят о гравитационном замедлении времени.
2.При релятивистских скоростях частиц растёт их масса — число поглощаемых ими фотонов, что происходит, например, в ускорителях частиц. То есть в таких частицах, телах дополнительно снижается плотность эфира, и начинает действовать вышеназванное правило: частота фотонов падает, и поэтому падает частота всех обменных процессов (время замедляется). Поэтому, в частности, субсветовые мюоны дольше не распадаются.
3. Пятое измерение мы обнаруживаем по его проявлениям — как источник поступления эфиронов в наш эфир, от чего тот расширяется при сохранении своей плотности. И как приёмник эфиронов, поглощаемых материей. Пятое измерение — это бесконечные масштабы вселенных, предыдущих в том числе, поэтому это неиссякаемый источник микровселенных — эфиронов и непереполняемый их приёмник.
Эфироны (микровселенные) сжимают друг друга, как давят друг на друга растения ряски, расширяясь на поверхности пруда.
Если мы отказываемся от идеи незримого пятого измерения, то получаем другие незримые сущности — тёмную энергию и тёмную материю. С предложенном механизмом гравитации (квантовом! эфироны — кванты эфира) тёмная не нужна.
4. Из чего складывается скорость перемещения фотонов, я объяснил в 1 ответе. Относительно нашего хода времени, скорость космологических процессов в масштабе микровселенных почти мгновенна. В масштабе макровселенных — вечность.
5. О космологическом красном смещении я говорил здесь: https://geektimes.ru/post/278916/ferreto
05.03.2017 08:46+1У меня один только вопрос, откуда известно, что содержимое эфиронов уходит именно в пятое измерение а не распадается на эфир и гравитационные волны?
Sun-ami
02.03.2017 22:06+1Если чёрных дыр массой в десятки солнечных много — их можно попытаться обнаружить по данным Гайя — они сделают движение некоторых близких к Земле звёзд заметно непрямолинейным.
DancingOnWater
03.03.2017 09:23Зачем Gaia для этих целей? Все очень хорошо видно на спектрах. Но беда в том, что у обычной звезды невидимого компаньона с массой в 20 масс Солнца в ближайших окрестностях просто нет. Ближайший кандидат подобной массы находится в 13400 световых лет от нас
Sun-ami
03.03.2017 19:44То, что невидимые компоненты систем с периодом вращения до десятков лет видны на спектрах и спектры изучены в поисках экзопланет — понятно. Но такая масса может отклонять и звёзды, не входящие с ней в одну систему, или, подобно Проксиме Центавра, входящие, но вращающиеся с периодом порядка миллиона лет. Возможно, если взять 3..4 измерения положения звезды с интервалом 0,5..1 год, сделанных Гайя, и сравнить их с моделью её движения в Галактике, такую чёрную дыру можно обнаружить? Особенно если искать отклонения, сравнимые с погрешностью измерений, статистически, анализируя движение сразу нескольких соседних звёзд?
DancingOnWater
06.03.2017 11:46Возможно, но в таком случае я бы поставил на то, что ЧД такой массы в окрестностях солнца — это хороший источник рентгеновского излучения.
willmore
Ничего не понятно, заголовок вообще слабо коррелирует с текстом.
Как можно не заметить ЧД в десятки солнечных масс в окрестностях Солнечной системы — непонятно.
Что в этой модели делать с галактическими гало темной материи — непонятно.
Что делать с межгалактической ТМ — непонятно.
Как эта гипотеза может соотноситься с отличными результатами симуляций типа Illustris в рамках общепринятой модели ?CDM — непонятно.
Так много вопросов, и так мало ответов… Фричество.
artskep
А, если не секрет, где именно фричество?
Я так понял из статьи, что автор сделал подобные смелые выводы из экспериментальных наблюдений на LIGO, которые (как он заявляет), дают ведут к очень странным выводам.
Он неправильно истолковал результаты или сделал опрометчивые выводы, хотя факты хорошо объясняются существующей теорией?
Просто если факты верны, а теория не может объяснить, то это уже не фричество по определению
Anarions
Когда одна теория объясняет 10 фактов и не объясняет один, а другая — наоборот обычно предпочитают ту, которая объясняет больше фактов.
artskep
Предпочитают — да. Но называть другую теорию фричеством — для этого нужно нечто большее.
В данном случае, как я понимаю, с фактами и несоответствием современной теории вы не спорите.
Автор, в общем-то тоже с этим всем не спорит. Он просто предполагает, что «старая» гипотеза может оказаться правильной, и, при каких-то обстоятельствах, подтвердиться. В качестве примера приводится COBE.
Как-то до «фричества» подобное (замечу, весьма осторожное) заявление не дотягивает. Просто надежда, что «старая» гипотеза получает второй шанс на жизнь, если найдется подходящий эксперимент с достаточной точностью, который поставит под вопрос предыдущие.
Mad__Max
Да, и вероятно намеренно. Так что с отнесением к фричеству, я с willmore согласен — очень уж характерная для фриков черта, так «свободно» обращаться с фактами толкуя их в свою сторону так как нравится/удобно.
Странно что никто не заметил, как автор в наглую подменил факты. Следим за руками:
Те черные дыры, которые обнаружил aLIGO в прошлом году находятся совсем не в нашей галактике (Млечный путь). Они находились на расстояниях порядка миллиарда световых лет — в очень очень далеких от нас галактиках.
aLIGO работает и собирает данные уже около 1.5 лет. А ни одного слияния из пары ЧД (или хотя бы нейтронная звезда + ЧД) в нашей галактике или в ближайших галактиках так и не обнаружил. А чувствительности aLIGO для этого с запасом хватает — ее сейчас хватает чтобы обнаружить слияние даже за миллиард световых лет для ЧД массой больше 10 солнечных или порядка сотен млн. световых лет для самых маленьких ЧД. Если слияние случилось бы в нашей галактике или в одной из ближайших, то такой сверхмощный сигнал просто невозможно пропустить — это значит, что ни одного такого события за все время наблюдений точно не было.
В радиусе нескольких миллионов световых лет (куда попадает вся наша галактика целиком и десятки ближайших к ней, включая Адромеду которая в разы больше Млечного пути) такие события способен был обнаружить даже не модернизированный LIGO (без буковки a), который собирал данные в течении многих лет еще до запуска aLIGO(в сумме с aLIGO порядка 10 лет наблюдений), но тоже так ни одного подобного события и не зарегистрировал.
Это как раз говорит, о том что подобных ЧД во вселенной не может быть слишком много.
В общем сова при натягивании на глобус порвалась. aLIGO только подтверждает выводы сделанные на основе MACHO и физики шаровых скоплений: ЧД явно недостачно по количеству, чтобы можно было списать на них значимую часть ТМ. И еще раз (очередной) «закрывает» подобные теории, как противоречащие экспериментальным данным.
choupa
Автор же специально для таких как мы с вами написал:
saboteur_kiev
Так ЧД в десятки солнечных масс — это очень маленькая ЧД, во вторых ЧД практически не излучают, а засечь излучение Хокинга — это не на звезду посмотреть.
То есть только косвенными наблюдениями, если ЧД проходит по какому-то удаленному объекту. Но нужно помнить, что ЧД не закрывает собой объект, бросая тень, а работает некой линзой, и определить это искажение непросто.
Spaceoddity
«Десятки солнечных масс» — это очень массивный гравитационный объект в окрестностях нескольких световых лет. Уж как минимум, его гравитационное влияние должно было проявиться (на соседние звёзды, вроде той же альфы/Проксимы Центавра). Тут наличие спутников у транснептуновых объектов по гравитационным возмущениям определяют, а такую массивную штуковину не заметить…
Ну и плюс должно быть очень серьёзное гравитационное влияние на электромагнитное излучение — в такой «близости» это должны были бы обязательно заметить.
coturnix19
Да нет, не очень массивный, это как очень большая но вполне обычная звезда, которых к счастью в ближайшей окрестности солнца вроде нету, но вообще по галактике полно и никак особенно они себя не проявляют. А вообще их грав. воздействие проявлялось бы — галактика же вращается быстрее чем нужно, для объяснения чего эта гипотеза и выдвинута.
Spaceoddity
Ну для экспериментального док-ва ОТО (отклонение лучей света гравитационным полем) вполне хватило и массы Солнца.
coturnix19
Это нужно знать что искать. Вообще похоже что наблюдения микролинзирования действительно проводились (о чем и упоминается в статье), может даже сейчас проводятся, но они ищут массовые эффекты темных и не очень темных объектов рассеянных по галактике, а не одиночный эффект одиночного объекта в окрестности солнца, шансы заметить который — хорошо есть один на триллиард (ведь требуется что эта самая неуловимая чд встала в точности меду нами и каким-то отдаленным объектом, она ведь маленькая, чай не протяженная галактика).
willmore
Нет, конечно, я не имел в виду микролинзирование и уж тем более не излучение Хокинга. Такая ЧД должна аккрецировать межзвездный газ и светиться как слабая звезда. Где-нибудь в гало, где плотность газа мала, и ЧД далеко, заметить ее будет почти невозможно. Но в паре световых лет от нас это был бы белый карлик с массой в 10 солнечных и характерным спектром.
http://lib.alnam.ru/book_gto.php?id=42
coturnix19
В этой под-ветке я говорил о кмк неприметности такой ЧД в окрестностях солнца исходя из ее гравитационных эффектов, которые такие же как и у звезды аналогичной массы а значит ничем таким она не будет выделяться. Свечение я не оспаривал =)
willmore
Это я немного промахнулся, спешил. Пусть выглядит, как ответ сразу всем :)