Research

А що, якщо темна матерія - це не частинки?

Все, що ми коли-небудь спостерігали у Всесвіті, відматерії до випромінювання, можна розкласти на найменші складові. Все в цьому світі складається з атомів, які складаються з нуклонів і електронів, а нуклони діляться на кварки і глюони. Світло теж складається з частинок: фотонів. Навіть гравітаційні хвилі, в теорії, складаються з Гравітон: частинок, які ми одного разу, якщо пощастить, знайдемо і зафіксуємо. Але що з темною матерією? Непрямі докази її існування неможливо заперечувати. Але чи повинна вона також складатися з частинок?

Ми звикли вважати, що темна матерія складається з частинок, і безнадійно намагаємося їх виявити. Але що, якщо ми шукаємо не те і не там?

Якщо темну енергію можна інтерпретувати якенергію, властиву самій тканині простору, чи може бути так, що "темна матерія» також є внутрішньою функцією самого простору - тісно або віддалено пов'язаної з темною енергією? І що замість темної матерії гравітаційні ефекти, які могли б пояснити наші спостереження, будуть більше обумовлені «темною масою»?

Що ж, спеціально для вас фізик Ітан Зігель розклав по поличках наші теоретичні підходи і можливі варіанти розвитку подій.

Одна з найцікавіших особливостей Всесвітуполягає в співвідношенні один до одного між тим, що є у Всесвіті, і тим, як змінюється швидкість розширення з плином часу. Завдяки безлічі ретельних вимірювань багатьох розрізнених джерел - зірок, галактик, наднових, космічного мікрохвильового фону і великомасштабних структур Всесвіту - ми змогли виміряти і те й інше, визначивши, з чого складається Всесвіт. В принципі, є багато різних уявлень про те, з чого може складатися наш Всесвіт, і всі вони по-різному впливають на космічне розширення.

Завдяки отриманим даним, тепер ми знаємо, що Всесвіт зроблена з наступного:

  • 68% темної енергії, яка залишається при постійній щільності енергії навіть при розширенні простору;
  • 27% темної матерії, яка проявляє гравітаційну силу, розмивається в міру збільшення обсягу і не дає виміряти себе за допомогою будь-якої іншої відомої сили;
  • 4,9% звичайної матерії, яка виявляє всі сили, розмивається в міру збільшення обсягу, збивається в грудки і складається з частинок;
  • 0,1% нейтрино, які виявляють гравітаційне іелектрослабкої взаємодії, складаються з частинок і збиваються разом, тільки коли сповільнюються досить, щоб вести себе подібно матерії, а не випромінювання;
  • 0,01% фотонів, які проявляють гравітаційні і електромагнітні впливу, поводяться як випромінювання і розмиваються як у міру збільшення обсягу, так і при розтягуванні довжин хвиль.

Згодом ці різні компоненти стають щодо більш-менш важливими, а це процентне співвідношення представляє, з чого сьогодні складається Всесвіт.

Темна енергія, як випливає з кращих нашихвимірювань, має однаковими властивостями в будь-якій точці простору, в усіх напрямках космосу і в усі епізоди нашої космічної історії. Іншими словами, темна енергія одночасно гомогенна і изотропна: вона всюди і завжди однакова. Наскільки ми можемо судити, темної енергії не потрібні частки; вона запросто може бути властивістю, властивим тканини простору.

Але темна матерія принципово інша.

Щоб сформувалася структура, яку ми бачимоу Всесвіті, особливо в великих космічних масштабах, темна матерія повинна не тільки існувати, а й збиратися разом. У неї не може бути однаковою щільності всюди в просторі; скоріше, вона повинна концентруватися в регіонах підвищеної щільності і повинна мати меншу щільність, або взагалі бути відсутнім, в регіонах зниженої щільності. Ми можемо фактично сказати, скільки всього речовини знаходиться в різних областях простору, керуючись спостереженнями. Ось три найбільш важливих з них:

Спектр потужності матерії. Нанесіть на карту матерію у Всесвіті,подивіться, на яких масштабах вона відповідає галактик, - тобто з якою ймовірністю ви знайдете іншу галактику на певній відстані від тієї галактики, з якою ви починаєте, - і вивчіть результат. Якби Всесвіт складався з однорідного речовини, структура була б змащеній. Якби у Всесвіті була темна матерія, яка не зібралася досить рано, структура в невеликих масштабах була б зруйнована. Спектр потужності енергії говорить нам, що приблизно 85% матерії у Всесвіті представлено темною матерією, яка серйозно відрізняється від протонів, нейтронів і електронів, і ця темна матерія народилася холодної, або ж її кінетична енергія порівнянна з масою спокою.

Гравітаційне лінзування. Погляньте на масивний об'єкт. Припустимо, квазар, галактику або скупчень галактик. Подивіться, як фоновий світло спотворюється присутністю об'єкта. Оскільки ми розуміємо закони тяжіння, які регулюються загальною теорією відносності Ейнштейна, то, як викривляється світло, дозволяє нам визначити, скільки маси присутній в кожному об'єкті. За допомогою інших методів ми можемо визначити кількість маси, яке присутнє в звичайному речовині: зірки, газ, пил, чорні діри, плазма та ін. І знову ми знаходимо, що 85% матерії представлено темною матерією. Більш того, вона розподілена більш дифузно, хмарно, ніж звичайна матерія. Це підтверджується слабким і сильним лінзуванням.

Космічний мікрохвильовий фон. Якщо ви подивіться на час, що залишився світіннявипромінювання Великого Вибуху, ви виявите, що воно приблизно рівномірний: 2,725 Kво всіх напрямках. Але якщо поглянути пильніше, можна виявити, що в масштабах від десятків до сотень мікрокельвіна спостерігаються крихітні дефекти. Вони розповідають нам кілька важливих речей, включаючи енергетичні щільності звичайної матерії, темної матерії і темної енергії, але найголовніше - вони кажуть нам, наскільки однорідною була Всесвіт, коли їй було всього 0,003% від її нинішнього віку. Відповіддю є те, що самий щільний регіон був всього на 0,01% щільніше найменш щільного регіону. Іншими словами, темна матерія почала з однорідного стану і в міру перебігу часу збилася в грудки.

Об'єднуючи все це, ми приходимо до висновку, щотемна матерія повинна вести себе як рідина, що наповнює Всесвіт. Ця рідина має дуже незначним тиском і в'язкістю, реагує на тиск випромінювання, що не стикається з фотонами або звичайною речовиною, була народжена холодної та нерелятивистской і збивається в купу під дією власної гравітації з плином часу. Вона визначає формування структур у Всесвіті на найбільших масштабах. Вона високо неоднорідна, і величина її неоднорідності зростає з часом.

Ось що ми можемо сказати про неї у великихмасштабах, оскільки вони пов'язані зі спостереженнями. На малих масштабах ми можемо лише припускати, не будучи впевненими сповна, що темна матерія складається з частинок із властивостями, які змушують її вести себе таким чином на великих масштабах. Причина, по якій ми це припускаємо, полягає в тому, що Всесвіт, наскільки нам відомо, складається з частинок в основі своїй, та й все. Якщо ти речовина, якщо у тебе є маса, квантовий аналог, то ти неминуче повинен складатися з частинок на певному рівні. Але поки ми не знайшли цю частку, ми не маємо права виключати можливість вибрати: наприклад, що це якесь рідке поле, яке складається не з частинок, але впливає на простір-час так, як повинні були б частки.

Ось чому так важливо робити спробипрямого виявлення темної матерії. Підтвердити або спростувати фундаментальну складову темної матерії в теорії неможливо, тільки на практиці, підкріпивши спостереженнями. По всій видимості, темна матерія ніяк не пов'язана з темною енергією.

Складається вона з частинок? Поки ми не знайдемо їх, ми можемо тільки здогадуватися. Всесвіт проявляє себе як квантова за своєю природою, коли мова заходить про будь-який інший формі матерії, тому розумно припустити, що темна матерія буде такою ж.