Темная материя на пальцах. Часть 2.

Темная материя на пальцах. Часть 2.

https://t.me/mycosmos

Ссылка на 1-ю часть: https://t.me/mycosmos/574

Существуют и совсем уже экзотические теории гравитации, пытающиеся трактовать наличие темной материи без участия темной материи как таковой. Например, что Вселенная у нас, в принципе, анизотропная. То есть законы физики в ней действуют неравномерно, здесь в Солнечной Системе у нас одни законы и формулы, а в Туманности Андромеды — другие, ибо само пространство–время, сам вакуум космоса неоднородный, от места к месту он разный, с блекджеком и градиентами. 

Как я уже говорил, разных теорий гравитации великое множество, и каждая из них гордится тем, что с помощью своих формул может объяснить то или иное проявление природы, тот или иной экспериментальный факт, а уж безжалостных экспериментов над бедной Вселенной злобные ученые поставили просто безумное количество.

Однако теории, которая бы включила в себя и объяснила сразу ВСЕ существующие наблюдения, у нас так и нет, Теория Относительности продолжает быть лучшей на этом поприще. Как говорится, не лучшее, что самое лучшее, но самое лучшее, что у нас есть. Отчего, возможно, она и с темной материей не ошибается, и та действительно существует во Вселенной, тем более, что кроме неправильного вращения галактик, эта материя косвенно проявляется во многих других наблюдениях. 


Hubble extreme deep field

Например, без участия темной материи мы не можем объяснить не только вращение галактик, но и сам факт их наличия. Почему существуют звездные системы, такие как наша Солнечная? Потому что в центре каждой из них находится звезда, которая своим притяжением удерживает планеты на орбитах. А почему существуют галактики? В начале времен, после Большого Взрыва, во Вселенной были только облака водорода и гелия, потом под действием гравитации они стали уплотнятся и превращаться в звезды. Но ничего не заставляет звезды кучковаться в галактики, их взаимного притяжения не достаточно. Не будь темной материи, вся Вселенная была бы просто беспорядочной мешаниной звезд, а не как сейчас — островки–галактики, в которых звезд много, и огромные пустоты между ними, где звезд почти нет вообще. Звезды начали формироваться там, где в молодой Вселенной оказалось много обычной материи (облаков водорода), а галактики образовались там, где было много темной материи. Это, конечно, все еще не факт доказательства ее существования, просто во всех компьютерных симуляциях без темной материи у нас получаются вселенные полные звезд, но без галактик.


Или данные гравитационного линзирования, что мы имеем. По теории Эйнштейна наличие в космосе массы должно искривлять пространство–время, а вместе с ним и лучи света, которые по этому космосу путешествуют. И ученые действительно наблюдают данный феномен в телескопы, тут все четко. Но если провести расчеты, опять выходит, что не хватает массы для такого сильного искривления. Если бы пространство–время гнули только видимые звезды и галактики, лучи света искривлялись бы в пять раз меньше того, что мы регистрируем. Естественно это я так, для простоты написал, что "в пять раз меньше", там хитрые вычисления и формулы, но по расчетам массы во Вселенной должно быть в пять раз больше, чем то, что мы наблюдаем для подобных искривлений. И тут дело даже не в количестве необходимой темной материи, а в ее геометрическом распределении. 


Гравитационное линзирование как оно есть


Если предположить наличие вещества, которое не взаимодействует электромагнитно, а проявляет себя лишь гравитацией, получается, что это вещество не будет слипаться в кучи, как обычная материя, которая удерживается на месте электромагнитными силами между атомами и молекулами. Все мы — люди, деревья, горы и планеты — суть куча молекул, сцепленных друг с другом электромагнитными полями. Стоит убрать это притяжение, и молекулы тут же разлетятся в стороны. Далеко они не улетят, так как взаимная гравитация все–таки притягивает, но цепляться друг за друга они не смогут и не захотят. Останутся шарообразным облачком беспорядочных молекул в пустоте вакуума. В принципе, электромагнитные силы несложно победить. Можно нагреть человека (ну, ладно, ладно, пусть лучше дерево) на несколько тысяч градусов, электромагнитные силы спасуют перед такой энергией, и дерево тут же превратится в облачко дыма и улетит в трубу. Если труба эта не на Земле, а в космосе, шарообразное облачко молекул бывшего дерева так и будет летать в невесомости, пока не остынет, не начнет падать друг на друга, и не слипнется электромагнитными силами опять в дере... ну... в какую–то бесформенную хрень из углерода, азота и воды, то есть льда.


Темная материя, если она существует, должна образовывать такое вот облако из частиц этой материи (если она вообще состоит из частиц, но об этом ниже), кружащее вокруг любого массивного предмета из обычного вещества. Галактики (и все мы с вами) окружены облаком темной материи (по научному это называется "гало"), которое распространяется далеко за пределы самого предмета. Тут, кстати, можно выдвинуть предположение, что аура человека как раз и состоит из темной материи вокруг него, но так далеко в гипотезы забираться не советую. 


Обычная материя в центре, темная — облако частиц вокруг

Гало темной материи вокруг галактики как раз держит ее на месте и заставляет вращаться почти как единое целое. Но и лучи света, пролетающие мимо и искривляемые галактикой, в этом случае начинают искривляться уже массой всего облака, а это не просто больше вещества, но и по–другому сконфигурированное распределение массы в пространстве, отчего свет искривляется немного не так, как должен это делать без темной материи. Астрофизики провели наблюдение всех искривлений света в окружающем космосе и у них получилась карта распределения темной материи во Вселенной.


Срез пространства с рассчитанными зонами скоплений темной материи

Все галактики окружены шарами темной материи, а так как галактики притягиваются друг к другу, образуя скопления галактик, темная материя тоже гравитационно взаимодействует и с галактиками и с собой, получается такая вот размазанная по вакууму структура.


А если растянуть эту картинку на всю Вселенную, то мы получим известное многим изображение с названием Космическая Паутина (Cosmic Web), где яркие точки в узлах паутины это наше обычное вещество — скопления галактик, а полупрозрачные ореолы вокруг — гало темной материи. Так, современная наука считает, выглядит Вселенная на больших масштабах.


Космическая паутина

Ну и конечно же в статье про темную материю нельзя не упомянуть скопление Пули (Bullet Cluster). Сегодня это считается главным (не единственным, но наиболее наглядным) доказательством существования темной материи. 


На фотографии, скомпилированной по данным с телескопов Хаббл и Чандра в разных диапазонах, изображено столкновение двух галактических скоплений, происходящее в 3.7 миллиардах световых лет от Земли. Одно скопление, расположенное справа (именно оно, собственно, и называется скопление Пули, потому что похоже на пулю), прорывается, точнее уже почти прорвалось, сквозь другое, гораздо большее по размерам скопление (не нашел его названия, пусть будет называться "скопление Мишени"). Идея в том, что оба скопления состоят из обычного барионного вещества: это звезды, планеты и прочий мусор, а также облака межзвездного газа (в основном водорода), подкрашенного на фото красным цветом, а вокруг всего этого в каждом скоплении находится гало из темной материи, подкрашенного синим. Его конечно же не видно в телескопы, но можно рассчитать по гравитационному линзированию. 


Скопление Пули (фото)

Когда одно скопление проходит сквозь другое, обычная материя сталкивается друг с другом и нагревается в процессе. Прямых столкновений не много, ведь это, по большому счету, два облака газа проходят друг сквозь друга, но все же удары частиц присутствуют, а любой удар — это проявление электромагнитного отталкивания, отчего выделяется тепло (облака нагреваются) и теряют при этом кинетическую энергию движения (попросту говоря, взаимно тормозятся друг об друга). А темная материя, составляющая оба гало, меж тем пролетела насквозь без тормозов и опередила в полете обычную, поэтому синие облака находятся на краях фото, а красные отстают в центре.


Скопление Пули (видео)


Были попытки объяснения данного процесса без привлечения темной материи, но во всех из них не получается подобной конфигурации распределения вещества, и астрономы козыряют этим изображением как главным, хотя все еще весьма косвенным, доказательством существования темной материи. 


А что же нужно для прямого и непосредственного доказательства, для того, чтобы официально объявить открытие темной материи во Вселенной, чтобы ее существование считалось научным фактом, и за него можно было выдать Нобелевскую Премию? Для этого требуется напрямую поймать некую частицу, из которой темная материя могла бы состоять.


Как я уже упоминал, мы до сих пор не знаем, из чего состоит темная материя. Мы даже не знаем точно, есть ли она вообще, я ведь говорил, что все доказательства пока весьма косвенные. Слова "темная" и "материя" используются как плейсхолдеры, как заменители, пока мы не знаем, что это такое. Вполне может оказаться, что это не материя вовсе, в смысле не вещество, а, например какое–то непрерывное энергетическое поле. Или что–то вроде жидкости, разлитой по вакууму, но тут возникают неприятные ассоциации с отмененным в 19 веке теплородом, так что ученые все–таки предпочитают считать темную материю именно материей, состоящей из неизвестных пока науке частиц, и во всех опытах по обнаружению темной материи ищут именно частицы, потенциально подходящие на эту роль.


Есть несколько предположений, что это могут быть за частицы. Например на роль частиц темной материи претендуют особые стерильные (и пока гипотетические) виды нейтрино, не вступающие в электромагнитные взаимодействия (нейтралино). Или не менее гипотетические частицы–вимпы (WIMP), поисками которых ученые заняты прямо сейчас, в экспериментах вроде LUX или CDMS, но все пока без результатов. В конце концов, это может действительно оказаться не материя в привычном понимании, а, скажем, особая конфигурация самого вакуума в разных энергетических состояниях.

Что из себя представляет темная материя на текущий момент остается открытой научной загадкой. Вот почему я начал текст со спойлера — пока нет точных официальных данных, приходится считать темную материю потенциальной ошибкой в формулах Эйнштейна, то есть несовпадением расчетов и наблюдений. И примерно раз в полтора года Интернет снова и снова взрывается очередным сенсационным сообщением, проходящим по всем новостным сайтам — "Ученые отменили темную материю!". Однако во всех случаях, если перейти по ссылке, продраться сквозь журналистский бред и найти оригинальный источник новости, каждый раз оказывается, что еще один ученый опубликовал очередную статью с новой попыткой модификации Теории Относительности. Все работы как всегда теоретические, никаких экспериментальных доказательств нет, но журналисту не нужны доказательства, журналисту нужна сенсация, главное первым прокричать "Волки!" или наоборот "Волков не существует!" Я лично скорее поверю новостям о прямом или косвенном наблюдении частиц темной материи на детекторах, но тут не угадаешь, научная проблема до сих пор открытая, как оно окажется на самом деле сегодня не знает никто.

Но это еще что, ведь есть во Вселенной еще и Темная Энергия! Хотя, это уже другая история, а значит — совершенно другой пост на пальцах™.