27.03.2015. - Вопросы о Вселенной, на которые ответит темная материя

Вопросы о Вселенной, на которые ответит темная материя

Частицы темной материи не производят, не отражают и не поглощают свет. Тем не менее, хотя мы и не можем видеть темную материю напрямую и до сих пор не понимаем ее природы, ученые сходятся во мнении, что она составляет до 26% известной нам Вселенной, наблюдая за гравитационными эффектами, которые она оказывает на другие космические объекты. Как и ветер, гнущий дерево, мы не видим темную материю, но знаем, что она есть. Исходя из этих наблюдений, ученые разрабатывают весьма интересные теории относительно этой загадочной субстанции. Если она будет обнаружена, наше понимание Вселенной существенно прояснится.

Темная материя может вызвать массовое вымирание

Майкл Рампино, профессор биологии из Университета Нью-Йорка, считает, что движение Земли через галактический диск (наш регион в галактике Млечный Путь) могло стать причиной массовых вымираний на Земле. Это произошло потому, что наше движение нарушило орбиты комет во внешней Солнечной системе (известной как «облако Оорта») и вызвало увеличение теплоты ядра нашей планеты.

Вместе со своими планетами, Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути каждые 250 миллионов лет. Во время своего путешествия оно плетется через галактический диск каждые 30 миллионов лет. Рампино утверждает, что проход Земли через диск совпадает с падением комет и массовыми вымираниями на Земле, включая то, что случилось 65 миллионов лет назад, когда вымерли динозавры. Есть также теория, что непосредственно перед тем, как астероид положил конец гигантским ящерам, их ряды существенно проредили вулканические извержения.

Сочетание необычной вулканической активности и столкновения с астероидом совпадают с прохождением Земли через галактический диск: «Во время прохождения через диск концентрации темной материи нарушают пути комет, которые, как правило, пролетают далеко от Земли во внешней Солнечной системе», говорит Рампино. «Это означает, что кометы, которые обычно путешествуют на больших расстояниях от Земли, выбирают необычные пути вплоть до столкновения с планетой». Некоторые считают, что теория Рампино не работает, потому что динозавры вымерли из-за падения астероида, а не кометы. Тем не менее, есть мнение, что 4% облака Оорта состоит из астероидов, а это порядка восьми миллиардов.

В дополнение к этому Рампино считает, что каждый проход Земли через галактический диск приводил к тому, что темная материя накапливалась в ядре планеты. Поскольку частицы темной материи аннигилируют друг друга, они создают сильное тепло, а оно может вызывать вулканические извержения, изменения уровня моря, рост гор и другую геологическую активность, которая серьезно влияет на жизнь на Земле.

Млечный Путь может быть гигантской червоточиной

Возможно, мы живем в гигантском туннеле, который является коротким путем через Вселенную. Как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, червоточина — это регион, в котором пространство и время искривляются, создавая «кротовую нору» в удаленную часть Вселенной. По мнению астрофизиков из Международной школы продвинутых исследований в Триесте, Италия, темная материя в нашей галактике может быть распределена таким образом, что обеспечивает стабильно существующую червоточину в середине нашего Млечного Пути. Эти ученые считают, что пришло время переосмыслить природу темной материи, возможно, она просто представляет часть другого измерения.

«Если мы объединим карту темной материи в Млечном Пути с последней моделью Большого Взрыва, — говорит профессор Пауло Салуччи, — и предположим существование пространственно-временных туннелей, мы получим, что наша галактика вполне может располагать одним из таких туннелей, и такой туннель может быть размером с целую галактику. Кроме того, мы можем даже пройти через этот туннель, поскольку он, согласно нашим расчетам, будет судоходным. Как тот, что мы видели в фильме «Интерстеллар».

Конечно, это всего лишь теория. Но ученые считают, что темная материя может быть ключом к созданию червоточины и наблюдению за ней. Пока же никаких червоточин в природе обнаружено не было.

Открытие галактики X

Галактика X также известна как галактика темной материи, по большей части невидимая карликовая галактика, которая может быть причиной странной ряби в холодном водороде за пределами диска Млечного Пути. Считается, что галактика X является спутниковой галактикой Млечного Пути в кластере из четырех переменных цефеид, пульсирующих звезд, которые используются в качестве маркеров для измерения расстояний в космосе. Мы не видим остальную часть этой карликовой галактики, потому что она состоит из темной материи, согласно теории. Тем не менее благодаря гравитационному притяжению этой галактики возникает рябь, которую мы видим. Без источника гравитации в виде темной материи, удерживающего их вместе, четыре цефеиды, скорее всего, разлетелись бы прочь.

«Открытие переменных цефеид показывает, что наш метод нахождения местоположений карликовых галактик с преимущественно темной материей работает, — говорит астроном Сукания Чакрабарти. — Это может помочь нам в конечном счете понять, из чего состоит темная материя. Также это показывает, что теория тяготения Ньютона может использоваться в самых дальних уголках галактики и нет необходимости изменять нашу теорию гравитации».

Распад бозона Хиггса на темную материю

Разработанная в 1970-е годы Стандартная модель физики элементарных частиц представляет собой набор теорий, которые по сути предсказывают все известные субатомные частицы во Вселенной и то, как они взаимодействуют. С подтвержденным в 2012 году существованием бозона Хиггса (известным также как «частица Бога»), Стандартная модель стала завершенной. К сожалению, эта модель объясняет далеко не все и ничего не говорит про гравитацию и темную материю. Масса частицы Хиггса также кажется слишком малой некоторым ученым.

Это и побудило ученых из Технологического университета Чалмерса предложить новую модель, основанную на суперсимметрии, которая оснащает каждую известную частицу Стандартной модели более тяжелым суперпартнером. Согласно новой теории, небольшая часть частиц Хиггса распадается на фотон (частицу света) и два гравитино (гипотетические частицы темной материи). Если эта модель подтвердится, она полностью перевернет наше понимание фундаментальных строительных блоков природы.

Темная материя на Солнце

В зависимости от метода, используемого для анализа Солнца, количество элементов тяжелее водорода или гелия будет колебаться на 20—30 процентов. Мы можем измерить каждый из этих элементов, глядя на спектр излучаемого им света, как по отпечатку пальца, или изучить, как он влияет на звуковые волны, проходящие сквозь Солнце. Таинственная разница в этих двух типах измерения элементов Солнца называется проблемой солнечного избытка (или изобилия).

Нам необходимо точно измерить эти элементы, чтобы понять химический состав Солнца, а также его плотность и температуру. Во многих отношениях это также поможет нам понять состав и поведение других звезд, а также планет и галактик.

В течение многих лет ученые не могли разработать приемлемое решение. Затем астрофизик Аарон Винсент и его коллеги предположили наличие темной материи в ядре Солнца в качестве возможного ответа на вопрос. После проверки многих моделей, они пришли к теории, которая вроде как работала. Тем не менее она включала специальный тип темной материи — «слабо взаимодействующую асимметричную темную материю», которая могла быть либо материей, либо антиматерией одновременно.

На основе измерений гравитации ученые узнали, что Солнце окружает гало темной материи. Частицы асимметричной темной материи не содержат много антиматерии, поэтому могут переживать контакт с обычной материей и накапливаться в ядре Солнца. Эти частицы также могут абсорбировать энергию в центре Солнца, а затем транспортировать ее тепло к внешним краям, что могло бы объяснить проблему солнечного избытка.

Темная материя может быть макроскопической

Ученые из Case Western Reserve сомневаются, что мы ищем темную материю в нужных местах. В частности, они предполагают, что темная материя может состоять не из крошечных экзотических частиц вроде вимпов (слабо взаимодействующих массивных частиц), а из макроскопических объектов, которые варьируются от нескольких сантиметров до размеров астероида. Однако ученые ограничивают свою теорию тем, что уже наблюдается в космосе. Отсюда рождается их вера, что Стандартная модель физики элементарных частиц даст ответ. Новая модель не нужна.

Ученые назвали свои объекты темной материи «макросами». Они не утверждают, что вимпов и аксионов нет, но допускают, что наш поиск темной материи может включать других кандидатов. Есть примеры материи, которая не является ни обычной, ни экзотической, но которая подходит по параметрам к Стандартной модели.

«[Научное] сообщество отказалось от мысли, что темная материя может состоять из обычного вещества, в конце 80-х, — говорит профессор физики Гленн Старкмен. — Мы задаемся вопросом, не ошиблось ли оно и не может ли темная материя состоять из обычного вещества — кварков и электронов?».

Обнаружение темной материи по GPS

Двое физиков предложили использовать GPS-спутники для поиска темной материи, которая, по мнению ученых, может не быть частицами в общепринятом смысле, а скорее потеками в ткани пространства-времени.

«Наше исследование преследует мысль, что темная материя может быть организована как гигантское газоподобное собрание топологических дефектов, или энергетических трещин, — говорит Андрей Деревянко из Университета штата Невада. — Мы предлагаем обнаружить эти дефекты, темную материю, с помощью сети чувствительных атомных часов. Идея состоит в том, что когда часы рассинхронизируются, мы будем знать, что в этом месте прошла темная материя, топологический дефект. По сути, мы планируем использовать GPS-спутники как крупнейший созданный человеком детектор темной материи».

Ученые анализируют данные с 30 GPS-спутников и пытаются с их помощью проверить свою теорию. Если темная материя действительно является газоподобной, Земля будет проходить через нее по мере движения по галактике. Выступая в качестве ветра, клочья темной материи будут сдуваться Землей и ее спутниками, в результате чего GPS-часы на спутниках и на земле будут терять синхронизацию каждые три минуты. Ученые смогут контролировать расхождения до одной миллиардной доли секунды.

Темная материя может питаться темной энергией

Согласно одному из последних исследований, темная энергия может питаться темной материей по мере их взаимодействия, что, в свою очередь, замедляет рост галактик и в конечном итоге может оставить Вселенную чуть ли не совершенно пустой. Вполне возможно, что темная материя распадается на темную энергию, но этого мы пока не знаем. Космический аппарат Планк недавно уточнил цифры физического состава Вселенной: 4,9% обычной материи, 25,9% темной материи и 69,2% темной энергии.

Мы не видим темной материи или темной энергии. Эти термины даже не очень хорошо расписаны научным сообществом. Они больше похожи на условные обозначения, которые будут оставаться, пока мы не поймем, что происходит на самом деле.

Темная материя притягивает, а темная энергия отталкивает. Темная материя является рамой или основой, на которой строятся галактики и их содержание. Ее гравитационное притяжение, как полагают, удерживает звезды вместе в галактиках. Гравитация сильнее, когда объекты находятся ближе друг к другу, и слабее, когда они дальше друг от друга.

С другой стороны, темная энергия означает силу, которая заставляет Вселенную расширяться, разбрасывая галактики прочь. Поскольку темная энергия отталкивает эти объекты, гравитация ослабевает. Это говорит о том, что расширение пространства ускоряется, а не замедляется вследствие гравитационных эффектов, как полагали однажды.

«С конца 1990-х годов астрономы убедились в том, что что-то заставляет расширение нашей Вселенной ускоряться, — говорит профессор Дэвид Вондс из Университета Портсмута. — Простое объяснение состоит в том, что пустой космос — вакуум — обладает энергетической плотностью, которая является космологической постоянной. Тем не менее появляется все больше доказательств того, что эта простая модель не может объяснить полный диапазон астрономических данных, к которым имеют доступ ученые. В частности, разрастание космической структуры, галактик и скоплений галактик происходит медленнее, чем ожидалось».

Темная материя вызывает рябь в галактическом диске

Если смотреть в космос с Земли, мы увидим, что звезды внезапно заканчиваются в 50 000 световых годах от центра нашей галактики. Следовательно, это конец галактики. Мы не увидим ничего серьезного, пока не отойдем на 15 000 световых лет от этой границы, Кольца Единорога, звезд, которые располагаются выше плоскости нашей галактики. Некоторые ученые считали, что эти звезды были оторваны от другой галактики.

Однако новый анализ данных в ходе Sloan Digital Sky Survey показал, что Кольцо Единорога по сути является частью нашей галактики. Это означает, что Млечный Путь по меньшей мере на 50% больше, чем мы думали — а диаметр нашей галактики увеличивается со 100 000–120 000 световых лет до 150 000–180 000 световых лет.

Глядя с Земли, мы не видим, что они соединяются из-за провалов в галактическом диске. Эта рябь похожа на концентрические круги, которые расходятся от места падения камня в воду. Волна поднимается и закрывает вид океана, остаются видны только более высокие волны. Так что, хотя наша точка зрения была частично заблокирована формой нашей галактики, мы увидели Кольцо Единорога словно вершину высокой волны.

Это открытие меняет наше понимание строения Млечного Пути.

«Мы обнаружили, что диск Млечного Пути — не просто диск звезд в одной плоскости, он гофрирован, — говорит Хайди Ньюберг из Научной школы Ренсселера. — Мы видим по меньшей мере четыре впадины в диске Млечного Пути. И поскольку эти четыре впадины видны только с нашей точки зрения, можно предположить, что подобная рябь имеется по всему диску Млечного Пути».

Ученые полагают, что эта рябь может быть вызвана куском темной материи или карликовой галактики, рассекшей Млечный Путь. Если эта теория окажется верной, концентрические впадины Млечного Пути помогут ученым проанализировать распределение темной материи в нашей галактике.

Гамма-лучевая сигнатура

До недавнего времени единственным способом, с помощью которого ученые могли обнаружить темную материю, было наблюдение его возможного гравитационного воздействия на другие космические объекты. Тем не менее ученые полагают, что гамма-лучи могли бы быть прямым указанием на то, что темная материя прячется в нашей Вселенной. Возможно, они уже обнаружили первую гамма-лучевую сигнатуру в Reticulum 2, недавно обнаруженной карликовой галактике около Млечного Пути.

Гамма-лучи — это форма высокоэнергетического электромагнитного излучения, испускаемого из плотных центров галактик. Если темная материя действительно состоит из вимпов, частицы темной материи могут быть источником гамма-лучей, образующихся в процессе взаимной аннигиляции вимпов при контакте. Тем не менее гамма-лучи также могут выделяться другими источниками вроде черных дыр и пульсаров. Если в процессе анализа получится отделить одни источники от других, мы сможем получить гамма-лучи темной материи. Но это только теория.

Ученые полагают, что в большинстве карликовых галактик недостает важных источников гамма-лучей, на темную материю может приходиться 99%. Потому-то физики из университетов Карнеги-Меллона, Брауна и Кембриджа разволновались в связи с получением гамма-лучей из Reticulum 2.

«Гравитационное обнаружение темной материи может сказать очень немногое о поведении частиц темной материи, — говорит Мэтью Уокер из Университета Карнеги-Меллона. — Теперь у нас есть негравитационное обнаружение, которое демонстрирует, что темная материя ведет себя как частица, и это крайне важно». Конечно, остается возможность, что это гамма-излучение пришло из других источников, которые пока не были определены. Вместе с тем последнее обнаружение девяти карликовых галактик рядом с Млечным Путем дает ученым возможность для дальнейшего исследования этой теории.

http://hi-news.ru/science/10-voprosov-o-vselennoj-na-kotorye-otvetit-temnaya-materiya.html