Проблема тёмной материи сегодня — одна из центральных как для астрофизики, так и для физики в целом. Известно, что, по всей видимости, около 80% массы галактик состоит из неизвестной науке субстанции, никак не проявляющей себя за исключением своей гравитации. Удивительно, но, хотя первые признаки существования этой скрытой от наших глаз массы обнаружили ещё в 1930–х годах, по–настоящему учёные занялись этой гипотезой только в 1970–х. Почему так получилось? Один из возможных ответов предлагают авторы статьи How Dark Matter Came to Matter, выложенной недавно на arxiv.org. Приведу краткий пересказ её тезисов.
Проблема разброса скоростей галактик в кластерах
В 1933 году вышла теперь уже знаменитая статья Фрица Цвикки, в которой он, изучив наблюдаемые скорости движения галактик в Скоплении Волос Вероники, обнаружил, что их разброс слишком велик — скопление должно бы разлететься, поскольку его видимой суммарной массы явно не хватает, чтобы удерживать столь быстрые галактики. К аналогичному выводу пришли ещё два астронома — Эрик Хольмберг и Синклер Смит, изучавшие другие галактические системы.
Как один из вариантов объяснения, Цвикки ввёл гипотезу тёмной материи — невидимой субстанции, создающей дополнительную гравитацию и не дающей кластерам разлететься. Однако серьёзное обсуждение этих наблюдений началось лишь через два десятка лет.
В конце 1950–х годов появились более точные измерения галактических скоплений, подтвердившие наблюдения 1930–х годов и сделавшие их основательнее. Тогда в 1958 году Виктор Амбарцумян выдвинул альтернативную гипотезу: то, что мы видим, это не равновесное состояние. Галактики, действительно, разлетаются, просто нам повезло их наблюдать в тот момент, когда они ещё относительно близки друг к другу.
У этой гипотезой, однако, была большая проблема. Согласно оценкам разлёт галактик должен происходить за десятки или сотни миллионов лет, что в сотни раз меньше возраста Вселенной. К нашему времени не должно остаться ни одного галактического скопления. Но мы видим, что скоплений, на самом деле, много.
Как бы то ни было, идея, что видимое вещество представляет собой всего лишь пятую часть полной массы, выглядела не менее радикальной, поэтому возникло много альтернативных объяснений. Скрытую массу пытались объяснить гипотетическими огромными областями ионизированного водорода, большим количеством карликовых галактик, необходимостью модифицировать законы гравитации, высокой плотностью гравитационного излучения, существованием реликтовых чёрных дыр, массивными нейтрино, и, конечно же, просто ошибками наблюдения.
Проблема кривых вращения галактик
В это же время параллельно в совсем другой области астрономии возникла проблема, которая также могла бы решиться гипотезой тёмной материи. В 1950—1960–е годы активно развивалась радиоастрономия, позволившая на основе знаменитой 21–см линии «увидеть» до того невидимый нейтральный водород. С её помощью измерили скорость вращения газа в галактиках и построили их кривые вращения — зависимости скорости вращения звёзд и газа вокруг центра галактики от расстояния до этого центра.
И в начале 1970–х годов было обнаружено, что эти кривые слишком «плоские». Ожидалось, что в соответствии с законами Кеплера при удалении от основного скопления видимой массы скорости будут падать, но они оставались практически постоянными. Возникла проблема, откуда берётся «дополнительная» гравитация, обеспечивающая более высокую скорость.
Ситуация, правда, была неоднозначной. Хотя в некоторых работах прямо говорилось, что наблюдаемые кривые вращения можно объяснить некой дополнительной массой, не доступной для прямого наблюдения, эта точка зрения не превалировала. Отчасти проблема заключалась в том, что моделей вращения галактик было много, и варьируя параметры в них, можно было получить относительно хорошее совпадение с наблюдаемыми кривыми.
Ну и хотя уже тогда гипотеза тёмной материи могла бы решить сразу обе имевшиеся проблемы, это была лишь одна из многих возможных гипотез, на тот момент не очень убедительная, да к тому же не лишённая своих недостатков. Да и, в общем–то, мало кто рассматривал эти две проблемы вместе.
Проблемы космологии
Существенное изменение в восприятии гипотезы тёмной материи произошло из–за развития совсем другой области — космологии.
Ещё в начале XX века большинство учёных полагали, что наша галактика это и есть вся Вселенная. Но уже к середине века стало понятно: это далеко не так. Всё та же радиоастрономия привела к открытию большого количества галактик, а впоследствии в 1963 году и объектов совершенно новой природы — квазаров, далёких сверхъярких объектов, существовавших на заре Вселенной. Стало ясно, что Вселенная не является статичной, а каким–то образом эволюционирует. Так возникла космология.
Главной задачей космологии стало выяснение того, по какому сценарию развивается Вселенная. Согласно наиболее популярной модели, носящей имя Фридмана, существует три варианта Вселенной: плоская, открытая и закрытая. Какой из них соответствует наша Вселенная зависит от параметров в уравнениях. Эти параметры должны, естественно, определяться из наблюдений, и главный из них — плотность вещества во Вселенной.
Наиболее привлекательной — в основном из неких абстрактных эстетических чувств — многим космологам представлялась модель закрытой Вселенной. Для этого плотность вещества в ней должна составлять величину порядка 10?29 г/см?. На деле же оценка видимой массы составляла величину в сто раз меньше — 10?31 г/см?. Такое несоответствие игнорировать было невозможно.
Сведение трёх проблем в одну и решение
И вот тут–то космологам на помощь и пришли известные проблемы с кривыми вращения и разбросом скоростей галактик в скоплениях. В 1974 году Джим Пиблс, Джерри Острайкер и Амос Яхил свели всё воедино и показали, что гипотеза тёмной материи решает все три проблемы. Элегантность этого вывода, правда, смазало то, что даже с учётом скрытой массы галактик плотность Вселенной все равно получалась в пять раз меньше требуемой для «закрытого» сценария. Однако это уже было не сто раз, а с коэффициентом меньше 10 астрофизики научились мириться задолго до этого — всё же измерения в этой области науки всегда были не слишком точны.
К тому же выводу одновременно пришла и ещё одна группа учёных — эстонская группа из обсерватории Тарту в составе Яана Эйнасто, Антса Каасика и Энна Саара. Их статья вышла в журнале Nature одновременно со статьёй американцев, хотя они и послали её на несколько недель раньше.
Как бы то ни было, именно космологи и их молодая и бурно развивающаяся область науки стали в конечном счёте тем «клеем», который соединил разрозненные и не очень убедительные доказательства в единую и довольно стройную теорию, имеющую в своей основе всего лишь одну гипотезу — гипотезу тёмной материи.
Комментарии (26)
kauri_39
15.05.2017 22:05-2Гипотеза тёмной материи тоже не всё объясняет в космологии. Она, в частности, порождает проблему иерархии скоплений галактик. Астрономы наблюдают одновременное образование скоплений и сверхскоплений, а LCDM-модель предсказывает последовательное их образование. Кроме того, существует серьёзная нехватка предсказанных LCDM мини-галактик типа Магеллановых Облаков.
Сомнение в существовании ТМ вызывает подозрительное совпадение двух фактов: до сих пор не известна природа гравитации, и как раз недостачу силы этого неизвестного взаимодействия между видимой материей обнаружили в галактических масштабах. И учёные вместо того, чтобы сконцентрироваться на выяснении природы гравитации, нашли простой выход — добавить к видимой материи невидимую, тёмную.
Милгром и другие учёные, работающие над МОНД, тоже не вникают в этот вопрос, а лишь пытаются описать гравитацию без ТМ. То есть пытаются подогнать новые формулы под наблюдения. Это почти то же самое, что с помощью ТМ подгонять наблюдения под старые формулы. Но кто гарантировал, что формулы Ньютона-Эйнштейна, работающие в околозвёздном масштабе, должны работать в галактическом масштабе?
Не должны, если учитывать успешную модель гравитации чёрной дыры — создание её "горизонта событий" ускоренным потоком охлаждённых атомов рубидия (с её помощью был найден аналог излучения Хокинга). В этой модели гравитация представлялась как ускоряющийся поток пространства к массивному телу, материя которого его поглощает.
Такое понимание гравитации избавляет от необходимости введения ТМ. Ведь в тех областях пространства, где выше концентрация материи — пусть первичной, горячей, непослушной для гравитации, там меньше плотность энергии вакуума, поглощаемого материей. Значит, и меньше скорость его расширения (меньше постоянная Хаббла). И эти области будет сжимать окружающее пустое пространство — с более плотным и быстро расширяющимся вакуумом. Это обеспечит наблюдаемую скорость образования сверхскоплений, скоплений и самих галактик.
Быстрое вращение объектов в скоплениях и в галактиках тоже понятно. Медленно вращающиеся объекты давно снесло к центрам систем потоком пространства, которое быстро расширяется между системами и втекает в них перед поглощением их материей.
pvveis
16.05.2017 09:59-3Очень интересно, новичок в этой теме, однако посмотрев на зD модель солнечной системы я удивился что планеты все крутятся против часовой стрелки как мяч в футболе при закрученном ударе, и поворачивают в сторону кручения летя по орбите, однако многие планеты летят немного не по траектории кручения, зато в одной плоскости, может эта неведомая сила плоскости удерживает все планеты, иначе они летели бы не по плоскости а по внутренней стороне кручения? мне стало интересно разобраться, что посоветуете? еще я подумал что в космосе нет воздуха, а может планеты поворачивают потому что с внутренней стороны орбиты есть закрученные во круг планеты потоки чего либо, которые впускают встречные потоки, (которые были на месте неподвижны) а тут их с одной стороны планеты поток впускает, а когда планета пролетает мимо их положения — начинается эффект сопротивления смещения этого неподвижного потока который уже находится внутри потока вокруг планеты — таким образом планета тормозит со внутренней стороны орбиты. Это теория, учтите что я еще ничего не знаю, просто размышления. По дружески отнеситесь и обсудим.
drafff
16.05.2017 11:02+1Данный феномен можно объяснить гораздо проще: в системе остались только те тела, которые могли стабильно вращаться, остальные тела или улетели, или упали на солнце, или столкнулись с другими телами.
Вот в этом видео есть более подробное объяснение этой точки зрения (да и вообще видео интересное):
https://www.youtube.com/watch?v=EIEOGoBA4FApvveis
16.05.2017 19:33Очень познавательное видео. Особенно удивительно было понимание того, что планеты в начале летали во многих орбитальных плоскостях пересекающихся в пространстве (напоминает строение атома) а потом остались только те что по одной плоскости в одну сторону летят, то есть одна орбитальная плоскость результат исчезновения орбит других плоскостей? Еще интересно, а во всем космосе планеты крутятся против часовой стрелки? Спасибо тебе за адекватный ответ.
dead_undead
16.05.2017 20:28+1Еще интересно, а во всем космосе планеты крутятся против часовой стрелки?
Учитывая, что выделенных и любимых направлений во вселенной нет (о слабых взаимодействиях стыдливо умолчим), то конечно же нет. Ну подумайте, с чего бы вдруг.
А вот закручивание планет в одну сторону с их вращением вокруг звезды, я предполагаю, является следствием вращения протопланетного диска и закона сохранения момента импульса. Как фигурист начинает вращаться быстрее, прижав руки к телу, так и планета, собираясь в комок, начинает вращаться, т.к. части, находящиеся дальше от звезды, начинают обгонять те, что ближе. И вот вам и вращающаяся планета. При некоторых условиях, можно получить т.н. приливный захват, когда период обращения тела вокруг своей оси равен периоду обращения вокруг гравитирующего тела. Именно такую ситуацию мы имеем в системе Земля — Луна.
И простите, но никаких пересекающихся орбитальных плоскостей в атоме нет)
dead_undead
16.05.2017 14:00не в обиду, но я честно так и не понял в чём ваш вопрос
ACPrikh
16.05.2017 16:44Человек пересмотрел футбола и считает, что двигаться по кругу могут только те сферические тела, которые закручены ударом ноги. Так как для этого нужен воздух, то возникает сожаление по поводу отсутствия в космосе воздуха и желание ввести некую силу, которая его замещает. Как-то так.
odin_v_pole
22.05.2017 10:55существует три варианта Вселенной: плоская, открытая и закрытая.
А можно в двух словах про вариант с плоской Вселенной?
Eldhenn
В DM нет ничего стройного. Притянутая за уши НЁХ, которая вроде бы как объясняет одно-единственное явление, но при этом по сути своей является неуловимым Джо, и все вопросы вроде "откуда взялось", "как устроено", "как работало на ранних этапах развития вселенной", "как влияет на развитие галактик, звёздных скоплений и планетных систем" замалчиваются как неудобные.
flerant
Вы специалист по космологии или физике элементарных частиц? На список ваших научных публикаций можно взглянуть? А то уж больно вы какое-то дилетантское мнение высказываете. Такое ощущение, что с осбуждаемым предметом вы не знакомы.
hungry_ewok
Эпициклы когда-то позволяли достаточно точно (одно время даже точнее чем геоцентрическая модель.) рассчитывать движение планет в геоцентрической модели Солнечной Системы…
Газ «теплород» когда-то позволял достаточно точно рассчитывать процессы теплообмена…
… и это, собственно, то что вспоминается сходу. А если покопаться, то в истории науки найдется достаточно подобных примеров введенных дополнительных сущностей, которые неплохо подгоняли наблюдаемый мир под теории, но в итоге ушли в корзину. И это заставляет несколько скептично относиться к введению подобных сущностей.
quwy
Сюда же: эфир, животное электричество, лучи холода, источник энергии Солнца и т.д. и т.п.
Это не говоря про совсем специфические вещи типа принципа действия кристаллического детектора, как его объясняли в начале XX века.
flerant
Написали бы просто: «Фейерабенд», я бы сразу понял вашу точку зрения на мир.
Давайте я просто по верхам пройдусь:
— гипотеза электромагнитных волн (дикость!) — подтверждена
— гипотеза квантов энергии (сам Планк в неё не верил) — подтверждена
— гипотеза фотонов (Эйнштейн, да вы просто выскочка!) — подтверждена
— гипотеза отклонения света гравитацией (Эйнштейн, опыть вы?) — подтверждена
— гипотеза спина (электрон, вращающийся со скоростью в сто раз больше скорости света? Эйнштейн, объясните этим молодым людям, где они неправы) — подтверждена
— гипотеза позитрона (целое море электронов вокруг нас? Дирак, вы давно школу закончили?) — подтверждена
— гипотеза нейтрино (практически невесомая частица, которая практически ни с чем не взаимодействует? Паули, вы сами-то поняли, что сказали?) — подтверждена
— гипотеза кварков (частицы, которые не могу находиться в свободном состоянии? Да вы спятили!) — подтверждена
— гипотеза бозона Хиггса (нужен коллайдер за 7,5 млрд евро? из-за вот этих закорючек на грифельной доске?) — подтверждена
Быть скептиком хорошо. Науке нужны скептики. Но скептицизм должен быть обоснованным. А когда «скептик» говорит, что «все вопросы вроде „откуда взялось“, „как устроено“… замалчиваются как неудобные», в то время как именно этим вопросам посвящены тысячи научных статей, это называется дилетантизм.
msts2017
ваши примеры скорее подтверждают скептицизм, ведь они расширяют теорию а не подгоняют реальность под теорию как в случае с DM
flerant
Кванты энергии — чисто математическая изначально уловка, чтобы подогнать теорию к экспериментальному графику.
Фотоны — совершенно необязательная гипотеза, противоречащая к тому же всей оптике как науке.
Общая теория относительности — тут даже говорить не о чем, перевернула всю физику гравитации с ног на голову.
Поле Хиггса — привесок к Стандартной модели, единственная цель которого — объяснить существование у частиц массы.
Все эти гипотезы не были простым расширением существующих теорий. Во всяком случае, не меньшим, чем суперсимметрия (в рамках которой обычно предсказывают частицы тёмной материи) — расширение Стандартной модели.
msts2017
и? неважно как просто или нет, важно что расширяют или создают новую, а DM подгоняет.
dead_undead
Да, подгоняет под ОТО, тем самым создавая кучу новых нерешенных вопросов например в физике частиц. Так что — расширяет.
evgenyspace
А вы видимо большой специалист? Eldhenn высказывает здравые мысли, просто он мыслит дальше научпоп передач на ютюбе. И не он один кстати. Это действительно проблема — что введение скрытой массы объясняет эффекты, но абсолютно все попытки обнаружить реальное вещество закончилось неудачей или не было подтверждено независимо.
Скорее всего, никакого вещества нет и мы что-то не понимаем в геометрии пространства-времени
flerant
Я не специалист в том смысле, что я не занимаюсь проблемой тёмной материи профессионально. Но степень осведомлённости о том, что в этой области происходит, очевидно, у уважаемого Eldhenn ниже всякого плинтуса. Даже если вы владеете этой темой на уровне научпопа, вам должно быть хорошо известно, что «вопросы вроде „откуда взялось“, „как устроено»" не только не «замалчиваются как неудобные», но и более того являются центральными и активно обсуждаются в тысячах научных статьях.
EndUser
Во-первых, ТМ не притянутая за уши НЁХ.
ТМ — это обозначение области ошибки предыдущей гипотезы. На данном этапе. Позже может выявится, что это материя. Или не материя. Или космологическая константа. Или новое взаимодействие. Но сейчас это просто метка. X.
Это не то, чтобы сегодня так сермяжно и летально, поскольку ошибка становится ощутимой не ближе, чем на галактических расстояниях.
Но это рабочий, шаблонный, рутинный вызов для науки, которая считается наукой: выделить несоответствие предыдущей гипотезе, локализовать, исследовать, структурировать, описать, создать предсказательные модели, поставить на службу народному хозяйству. Потому, что иначе это не наука. И наука иначе не может.
Наука, как есть честная система, честно обозначила непонятность, честно изучает, честно публикует встречные гипотезы для общественной (научно-общественной, а не мещански-общественной) дискуссии.
Чего вы там через журналюх воспринимаете — не проблема науки.
Во-вторых, «как работало» и «как повлияет» именно являются предметом науки, и не замалчиваются. Наука работает, наука занята делом.
Eldhenn
Вообще-то ТМ давно уже не "просто ошибка", а именно что материя, именно что тёмная — без электромагнетизма. Всерьёз идут разговоры о её распределении, где больше, где меньше… только все эти разговоры вызывают ощущение подгонки под ответ.
ACPrikh
Вообще-то, как сказал Гинзбург, «Наука это удовлетворение любопытства за государственный счёт». Поэтому темная материя — это именно популярная гипотеза. «Одна из», среди менее популярных, а не менее обоснованных. И причина популярности темной материи, скорее, в получении некой интриги, меньшей рутинности в работе, большей гормональности, что ли.
Недаром темная материя последовательно потребовала введения темной энергии, которая соотносится с темной материей лишь прилагательным. То есть темная материя вовсе не решила большинство наблюдаемых несоответствий. Совсем как и другие гипотезы.
Ну, и для журнализдов термин подходящий в духе РЕН ТВ интриги и расследования.
dead_undead
ЩИТО?
А как бы то, что моделирование крупномасштабной структуры вселенной в модели CDM очень похоже на данные, например, слоуновского цифрового обзора. С войдами и филаментами. Не?
Кривые вращения галактик? Bullet cluster и другие подобные кластеры?
А на вопросы типа откуда взялось и как устроено все честно отвечают — хрен его знает. Никто это не замалчивает.
Да, в данный момент ищут как частицы. Именно какую-то материю. Потому что это вроде как неплохо подходит в моделях. Хотя правильно было бы назвать не темной материей, а лишней гравитацией. Это именно то, что мы наблюдаем. И это факт. А вот откуда она взялась — другой вопрос, но над этим работают.
dead_undead
erwins22
Оно в полутысячи теорий похоже на.....
Bullet cluster — это единственный жесткий аргумент в пользу ТМ.